瀝青碎石封層抗剪性能影響因素研究

王 雷

(衡水市公路勘測設計所)

瀝青碎石封層抗剪性能影響因素研究

王 雷

(衡水市公路勘測設計所)

瀝青公路碎石封層病害防護是公路養護中重點關注的內容，病害產生的原因及其影響因素的研究就顯得尤為重要。通過實驗室對碎石封層抗剪性能的影響因素研究，分析了瀝青類型、碎石粒徑、構造深度及試驗溫度對抗剪性能的影響;實驗表明在影響碎石封層抗剪性能的因素中，溫度的變化和下臥層界面構造類型的不同對碎石封層抗剪性能的影響最大。

公路工程;瀝青路面;碎石封層;抗剪性能

1 試驗設計

為了深入研究分析碎石封層的抗剪能力，本設計考慮了AH－70基質瀝青、SBS改性瀝青及Sasobit溫拌瀝青三種瀝青類型;試驗溫度選擇為0℃，20℃，25℃，40℃，60℃;碎石粒徑選擇為4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 兩種。

抗剪試驗采用便攜式剪切儀，試件為圓柱形，下臥層的試件為AC－13試件，拉拔試件為同一直徑的水泥混凝土試件。試驗時在AC－13試件上鋪灑瀝青和碎石，待碎石封層與下臥層完全結合后，在碎石封層上涂抹一層環氧樹脂養護成型，而后與水泥試件粘結，測試其抗剪性能。

本次試驗所采用的瀝青、集料及水泥均滿足現行規范的技術指標要求。

2 試驗結果

2.1 碎石粒徑對碎石封層抗剪強度的影響

已有研究表明，在橋面鋪裝中，粘層材料的強度是由材料用量決定的，而碎石封層與橋面鋪裝的粘層材料在抗剪機理上有一定的相似性，也有很多橋面防水粘結層直接采用碎石封層的例子。

本試驗中控制實驗溫度為25℃，選擇了三種瀝青類型，集料的粒徑在4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 變化，在對應的灑布量下成型試件，進行抗剪試驗。

試驗時，針對不同的瀝青類型和粒徑規格共進行了6組試驗，結果發現，對于三種瀝青類型，雖然其抗剪強度不同，但其呈現出現相似的規律，即6.3～9.5 mm粒徑碎石料的最大抗剪強度要明顯大于碎石粒徑為4.75～9.5 mm料的碎石封層。碎石粒徑的不同，其相應的瀝青用量也不同相同，碎石粒徑大瀝青用量對應隨之變大，碎石封層的厚度也隨著碎石粒徑的增大而增大。碎石封層的整體抗剪能力也會隨著提高，這樣的碎石封層剪切變形較為困難。

2.2 構造深度對碎石封層界面抗剪強度的影響

碎石封層的抗剪能力與封層及下部的粘結性能有很大的關系，下部的摩擦性能越好，與封層的粘結能力越好，對應的抗剪性能也越好。本次試驗為了模擬下部的粗糙度，對下臥層試件經過表面拉毛處理后，人工模擬不同的構造深度。試驗時碎石封層采用6.3～9.5 mm粒徑碎石，對應的瀝青撒布量和碎石撒布量分別為8.56 ml，101.63 g。試驗結果如圖1所示。

從圖1的結果可以看出，對于三種瀝青類，當構造深度增大時，其對應的剪切強度也相應增大，表明當構造深度較好時，其抗剪性能的變化是非常明顯的。按照剪切強度的摩爾庫侖定律:tanα，碎石封層的抗剪強度與材料的粘結力、內摩阻角有直接的關系，下部構造深度的增大會使得碎石與下部接觸時的內摩擦角增大，根據摩爾庫侖定律，碎石封層的抗剪性能也會增大。

圖1 構造深度對碎石封層抗剪性能影響

進一步分析構造深度對碎石封層抗剪性能的影響，可采用半對數方程τ=Kln(TD)+L來表征，方程如圖中所示。式中系數值K可以反映碎石封層的抗剪性能。根據試驗結果資料，對三種瀝青碎石封層的抗剪性能與構造深度的關系進行了半對數方程的擬合，從其系數值K可知，SBS改性瀝青的K最小，AH－70瀝青的K最大，Sasobit改性瀝青的系數K居于中值。這表明雖然瀝青的種類對碎石封層的抗剪性能影響較大，但這種影響程度遠不如構造深度的影響明顯，改性瀝青對抗剪性能的影響隨著構造深度的增大越來越小。

從碎石封層的抗剪強度也可看出，當構造深度較小時，三種瀝青碎石封層的抗剪強度差別較大，基質瀝青碎石封層的抗剪強度最小，SBS改性瀝青的碎石封層抗剪強度最大;但當構造深度持續增加時，三種瀝青抗剪強度的差距越來越小，特別是SBS改性瀝青和Sasobit瀝青的抗剪強度已經趨于一致。

2.3 溫度對碎石封層抗剪強度的影響

考慮了溫度條件不同時碎石封層的剪切性能變化。試驗時下臥層的平均構造深度為 TD=0.61，碎石粒徑為6.3～9.5 mm，成型試件后，考察溫度條件為 0 ℃，20 ℃，25℃，40℃，60℃時的抗剪強度變化，試驗結果如圖2所示。

圖2 試驗溫度對碎石封層抗剪性能影響

試驗結果表明了三種瀝青類型的碎石封層在溫度不同時呈現出相似的變化規律。在試驗溫度較低時，碎石封層的抗剪強度最大;但當溫度繼續升高時，碎石封層的抗剪強度衰減明顯，在溫度超過40℃時，抗剪強度最小。

碎石封層的抗剪強度和溫度的關系可采用指數方程來表征。從曲線變化趨勢可發現，不同瀝青種類擬合方程后的a值是不同的，可看出基質瀝青的a值最小，SBS改性瀝青的a值最大，對應的是基質瀝青的抗剪強度最小，而SBS改性瀝青的抗剪強度最大。

溫度的持續升高對碎石封層的抗剪性能影響明顯，當從0℃升高到60℃時，三種瀝青的碎石封層抗剪性能急劇衰減，表明溫度的作用是影響碎石封層抗剪性能的重要因素。雖然三種瀝青的碎石封層抗剪性能存在著不同，SBS改性瀝青碎石封層的抗剪強度要好，在高溫作用下，瀝青種類對碎石封層的影響非常小。

通過本次試驗可以得出，對于碎石封層的使用應該充分考慮工程地區的高溫因素及其交通荷載特征，在持續高溫及重載作用下，瀝青逐漸趨于軟化狀態，對集料的粘附性不足，容易出現車轍推移等剪切病害。

3 結論

通過室內剪切實驗對瀝青碎石封層的抗剪性能進行研究。試驗采取了不同的瀝青類型、碎石粒徑及下部構造深度及剪切溫度，以碎石封層的最大抗剪強度為評價指標，對碎石封層的抗剪性能進行了試驗，主要得出以下結論。

(1)碎石粒徑的大小對碎石封層抗剪性能的影響比較顯著，粒徑越大碎石封層的最大抗剪強度也越大。

(2)構造深度對碎石封層抗剪性能也有一定的影響，隨著構造深度的增大，碎石封層與試件的層間粘結程度增大，且可以提高剪切破壞面的內摩阻角。

(3)剪切時的溫度對碎石封層的抗剪性能影響最為明顯，當溫度逐漸升高時，碎石封層的抗剪性能隨之大幅度的降低，雖然采用SBS改性瀝青可以在一定的程度上減緩這種衰減趨勢，但當溫度升高到40℃時，改性瀝青碎石封層的抗剪性能也衰減到與基質瀝青碎石封層類似。這就要求在碎石封層使用時，需要重點關注高溫作用下的碎石封層抗剪性能變化。

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［2］閏修海，于金成，王建國等.纖維封層技術的引進與應用［J］.北方交通，2008，(8):50 －54.

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U416.217

C

1008－3383(2014)04－0004－01

2013－10－30

王雷 (1984－)，男 ，河北衡水人，助理工程師，研究方向:道橋工程及道橋設計。