水泥混凝土板瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度協(xié)調(diào)性分析

周志剛，鄧長清，虢 柱，俞文生，2，楊志峰，2

（1.長沙理工大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南長沙 410004；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西南昌 330000）

盡管現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50－2006）［1］對水泥混凝土橋面和水泥混凝土路面板等情形下瀝青鋪裝層所形成的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)提出了設(shè)計要求和方法，但隨著交通量尤其是重型車輛的增加，這些復(fù)合式路面的瀝青鋪裝層病害日益普遍，表現(xiàn)為變形、推移、網(wǎng)裂、坑槽、剝落及橫向裂縫等形式。其中一個主要原因是水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的抗剪強(qiáng)度不足，不能承受車輛的反復(fù)作用。為此，人們對水泥混凝土板與瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度開展了一系列研究工作［2－13］。研究發(fā)現(xiàn)，其層間抗剪強(qiáng)度與環(huán)境（如：溫度和水）［2，6－7］、層間條件［3－4，7，9］、鋪裝材料［4－5，8，13］、交通荷載［5，10，11］及線形（如：長大縱坡和彎道）［12］等因素有關(guān)。交通重載、高溫或冰凍、鋪裝層滲水、長大縱坡、不良的瀝青混凝土鋪裝材料配合比或施工不當(dāng)?shù)染鶗︿佈b層的壽命產(chǎn)生不利影響。層間條件包括水泥混凝土板表面構(gòu)造（粗糙程度）和水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結(jié)合方式等。眾所周知，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)包括粘聚力和摩阻角。水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度的粘聚力來源于層間粘結(jié)材料。層間粘結(jié)材料種類及用量直接影響到層間粘聚力的強(qiáng)弱。層間抗剪強(qiáng)度的摩阻角來源于層間界面上、下材料表面的相互咬合嵌鎖。根據(jù)水泥混凝土板瀝青鋪裝層間抗剪強(qiáng)度試驗，在不同層間粘結(jié)材料和不同水泥混凝土板表面處理的組合下，其層間抗剪強(qiáng)度各有差異［3，5－10，11］。但這些研究工作并未涉及水泥混凝土板表面構(gòu)造和與他直接結(jié)合的瀝青鋪裝下層材料之間匹配協(xié)調(diào)性的問題。如：在水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)普遍使用同步封層的工程背景下，水泥混凝土板表面構(gòu)造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級配三者之間協(xié)調(diào)性如何？它會直接影響層間抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)弱，特別是其摩阻角。另外，關(guān)于水泥混凝土板瀝青鋪裝層間強(qiáng)度，普遍采用垂直斜剪試驗［2，4，8，13］、無正壓力的直剪試驗［4，6－7，9，12］和拉拔試驗［5－6，9，11，13］等方式進(jìn)行測試。但這些方式均未能正確地反映粘聚力和摩阻角形成的抗剪強(qiáng)度狀態(tài)。因此，作者擬利用自研的可施加正壓力的剪切試驗儀，對水泥混凝土板表面構(gòu)造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級配等幾種因素進(jìn)行正交試驗，對比分析它們對層間抗剪強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱，提出協(xié)調(diào)性設(shè)計方案，以期指導(dǎo)水泥混凝土板上瀝青鋪裝層的設(shè)計與施工。

1 直接剪切試驗方法設(shè)計

1.1 瀝青鋪裝材料的設(shè)計

根據(jù)水泥混凝土橋面或路面板瀝青鋪裝實(shí)際工程情況，選用AC－20瀝青混凝土作為直剪試驗中復(fù)合式試件的瀝青鋪裝層。瀝青混合料的瀝青和防水粘結(jié)層涂料均為SBS I－D瀝青。瀝青25℃針入度為5.4mm，5℃延度為29cm，軟化點(diǎn)為74.5℃。碎石的表觀相對密度為2.740，吸水率為0.730%，毛體積相對密度為2.700。瀝青混合料所用瀝青、粗集料、細(xì)集料及礦粉均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術(shù)要求。

AC－20瀝青混凝土選用4種級配（AC－20C、AC－20級配中值、AC－20級配上限及AC－20下限），以對比研究瀝青鋪裝材料不同級配對層間抗剪強(qiáng)度的影響（見表1）。其中AC－20C最佳瀝青用量為4.1%，毛體積密度為2.465g／cm3，空隙率為4.1%，礦料間隙率為12.1%，流值為0.25mm。60℃的動穩(wěn)定度為4 197次／mm，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比為87%，浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度為91%，－10℃的低溫彎曲試驗的極限應(yīng)變?yōu)? 098×10－6，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術(shù)要求。采用瀝青膜厚度［15］確定AC－20級配上限、下限及中值的最佳油石比。

1.2 水泥混凝土板的制作及表面處理

水泥混凝土配合比設(shè)計為水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.45∶1.43∶2.66，制作成305mm×400mm×40mm的水泥混凝土板。養(yǎng)生24h后，進(jìn)行水泥混凝土板表面處理。實(shí)際工程中，為提高水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的粘結(jié)強(qiáng)度，在撒布層間粘結(jié)材料前，先對水泥混凝土板面進(jìn)行拉毛、鑿毛、刻槽、銑刨、拋丸及露石等方式處理。由于室內(nèi)試驗設(shè)備所限，作者采用人工鑿毛模擬現(xiàn)場水泥混凝土表面處理方式。鑿毛間距分別為3.0，3.5和4.0cm，鑿毛深度范圍為1～5mm。用鋪沙法測定3種鑿毛間距的平均構(gòu)造深度分別為0.44，0.42和0.40mm。鑿毛養(yǎng)生28d后，噴灑SBS改性瀝青涂料，撒布量為1.4kg／m2［12］，并按設(shè)計撒布量撒布未預(yù)拌的單一粒徑碎石。

表1 試驗用的瀝青混合料級配Table 1 Asphalt mixture gradation

1.3 復(fù)合式試件的制作

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20－2011）［15］中瀝青混合料試件制作方法（輪碾法），采用歐標(biāo)輪碾壓實(shí)機(jī)CRT－RC2S碾壓試件，制作尺寸為305mm×400mm×90mm復(fù)合車轍板（2層），其中，水泥混凝土板厚40mm，瀝青混凝土厚50mm。將其切割成80mm×80mm×90mm的塊狀試件，其中，車轍板邊緣的20mm部分不得使用。對2個相同試件的水泥混凝土底面用水泥砂漿粘結(jié)，形成80mm×80mm×190mm左、右對稱的長條形試件，然后養(yǎng)生一周。

1.4 直剪試驗方式

本研究直接剪切試驗通過自行設(shè)計制作的剪切試驗儀進(jìn)行。利用材料試驗系統(tǒng)（Material Test System 810，簡稱為MTS），實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、剪切加載及變形的模擬和記錄。

MTS沿著復(fù)合式試件的對稱面豎向加載，提供對稱的剪切推力。另外，利用設(shè)計的加載裝置進(jìn)行水平加壓，實(shí)現(xiàn)正壓力加載。在控制的環(huán)境溫度下，進(jìn)行帶正壓力的對稱直接剪切試驗。加載速率取10mm／min。

2 正交試驗設(shè)計

影響水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度的因素很多，本研究分析瀝青鋪裝層集料、同步碎石及水泥混凝土表面構(gòu)造形態(tài)三者之間機(jī)械嵌鎖能力對層間抗剪強(qiáng)度的影響，即考察瀝青鋪裝層材料級配、同步碎石粒徑和撒布量及水泥混凝土板表面處理4個因素對層間抗剪強(qiáng)度影響的大小順序和顯著性。4個因素中，瀝青鋪裝層材料不考慮混合料公稱粒徑的差異，在同樣的AC－20規(guī)范級配范圍內(nèi)，考慮AC－20C、AC－20中值、AC－20上限及AC－20下限等4種級配的影響，即4個水平；同步碎石常用的單一粒徑有4.75～9.5mm和9.5～13.2mm［16］2種規(guī)格，即2個水平；碎石撒布量工程上規(guī)定8kg／m2，其表面覆蓋率為60%～70%［16］，此處選擇7，8及9kg／m2［11］3個水平；水泥混凝土板表面處理為鑿毛，考慮鑿毛間距分別為3.0，3.5及4.0cm 3個水平。在試驗溫度50℃、施加正壓力0.7MPa時，不考慮各因素間的交互作用，列出混合正交試驗表L12（41×32×21）。考慮不同組次試驗時，每次試驗取3個水平，試驗結(jié)果取其算術(shù)平均值，其結(jié)果見表2。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 層間剪切機(jī)理分析

在試驗溫度50℃、正壓力0.7MPa及剪切速率10mm／min時，典型的層間剪應(yīng)力與位移曲線關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：

第一個階段，MTS施加的豎向?qū)娱g剪應(yīng)力克服了層間的粘結(jié)力和瀝青鋪裝層集料、同步碎石與水泥混凝土板表面之間的機(jī)械咬合力，從零逐漸增大到最大值。隨著豎向?qū)娱g剪應(yīng)力的增大，SBS改性瀝青粘結(jié)作用增強(qiáng)，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力逐漸發(fā)揮作用，表現(xiàn)為線性過程。隨著豎向?qū)娱g剪應(yīng)力繼續(xù)增大，同步碎石與SBS瀝青粘結(jié)層之間逐漸脫粘，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產(chǎn)生相對滑移，表現(xiàn)為非線性過程。此時，層間剪應(yīng)力主要克服滑動界面上的機(jī)械咬合力和未發(fā)生相對滑動界面上的粘結(jié)力。當(dāng)咬合力和粘結(jié)力到達(dá)最大時，試件產(chǎn)生層間剪切破壞。該階段表現(xiàn)為試件從層間開始產(chǎn)生相對位移，至位移發(fā)展的過程。

表2 層間抗剪強(qiáng)度正交試驗及其結(jié)果Table 2 The test results and orthogonal test of the shearstrength between layers

圖1 典型層間剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線Fig.1 The typical shearing stress versus the displacement

第二個階段，豎向?qū)娱g剪應(yīng)力急劇下降。其原因是：當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層發(fā)生相對滑移，層間界面的粘結(jié)力和機(jī)械咬合力也隨之消失。此時，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結(jié)合力來自于界面間相對滑移而產(chǎn)生的摩擦力，表現(xiàn)為復(fù)合試件層間達(dá)到最大豎向剪應(yīng)力后發(fā)生破壞性失穩(wěn)性，豎向位移增加但豎向剪應(yīng)力卻不斷減小，最終降低到剩余強(qiáng)度。

第三個階段，豎向剪應(yīng)力克服水泥混凝土板與瀝青鋪裝層相對位移產(chǎn)生的滑動摩擦力，位移的增加對豎向剪應(yīng)力的大小影響很小，層間只存在豎向運(yùn)動，相互作用力逐漸趨向于零。

從剪應(yīng)力－位移圖發(fā)展過程可知，復(fù)合試件在發(fā)生剪切破壞的過程中，層間粘結(jié)力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機(jī)械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。復(fù)合試件層間界面尚未發(fā)生相對滑移前，層間粘結(jié)力起主導(dǎo)作用；層間界面開始發(fā)生滑移但未到達(dá)剪切破壞前，機(jī)械咬合力起主導(dǎo)作用；位移繼續(xù)增加至層間發(fā)生剪切破壞后，摩擦力起主導(dǎo)作用。層間發(fā)生剪切破壞前，剪應(yīng)力與位移的關(guān)系曲線發(fā)展緩慢，兩者由線性關(guān)系發(fā)展至非線性關(guān)系。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到層間剪切破壞時，與之相隨的是層間界面產(chǎn)生了明顯的大滑移。

3.2 正交試驗數(shù)據(jù)分析

將試驗結(jié)果按照正交試驗法進(jìn)行直觀分析，比較4個因素對層間抗剪強(qiáng)度的影響大小。該法具有簡單、直觀和計算量小等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)為任意列上水平i時所對應(yīng)試驗結(jié)果的平均值；R為其中i，j為對應(yīng)列上的水平號。正交試驗結(jié)果見表3。

以各因素水平作為橫坐標(biāo)，以層間抗剪強(qiáng)度試驗指標(biāo)的平均值作為縱坐標(biāo)，作出各因素與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系曲線如圖2所示。

表3 層間抗剪強(qiáng)度正交試驗結(jié)果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test of the shearstrength between layers

圖2 因素與指標(biāo)的趨勢Fig.2 The trend of factors and index

從表3和圖2中可以看出：

1）在所考慮的因素水平范圍內(nèi)，對于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度，各個因素由大到小的影響順序為：板表面處理D、鋪裝層級配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。即水泥混凝土板表面處理對層間抗剪強(qiáng)度的影響最大，而同步碎石粒徑對層間抗剪強(qiáng)度的影響最小。

2）AC－20級配上限對層間抗剪強(qiáng)度的影響比其他3種級配的都大，是4種級配中集料偏細(xì)最多的。16.0mm以下的集料較多，易與9.5mm左右的同步碎石形成更緊密的相互嵌擠咬合，從而提高層間抗剪強(qiáng)度。

3）碎石撒布量8kg／m2、碎石粒徑9.5～13.2mm時的層間抗剪強(qiáng)度較碎石撒布量分別為7kg／m2和9kg／m2、碎石粒徑4.75～9.5mm的高。碎石撒布量過多（如：9kg／m2）或過少（如：7kg／m2）均會降低層間抗剪強(qiáng)度。粒徑9.5～13.2mm的碎石與AC－20瀝青鋪裝層和水泥混凝土板間的嵌擠作用更加明顯。鑿毛間距為4.0cm時與瀝青撒布量1.4kg／m2匹配良好。

4）因素A鋪裝層級配較好水平為A3級配AC－20上限，因素B碎石撒布量較好水平為B2撒布量8kg／m2，因素C碎石粒徑較好水平為C2粒徑9.5～13.2mm，因素D板表面處理較好水平為D1鑿毛間距4.0cm，最優(yōu)組合為A3B2C2D1。

4 結(jié)論

通過復(fù)合試件的直接剪切試驗，設(shè)計正交試驗對比分析了不同因素對復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度的影響大小。試驗結(jié)果表明：

1）水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段。在這3個階段中，層間粘結(jié)力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機(jī)械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。

2）對于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強(qiáng)度，各個因素由大到小的影響順序為：界面處理D、瀝青鋪裝層級配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。

3）界面處理并不是越粗糙越好，界面粗糙度應(yīng)當(dāng)與相應(yīng)的最佳瀝青撒布量相匹配，才能取得較高的層間剪切強(qiáng)度。較小粒徑或較多細(xì)集料的連續(xù)密集配鋪裝層能與同步碎石、水泥板間形成更緊密的層間接觸狀態(tài)。當(dāng)鋪裝層級配為級配AC－20上限、碎石撒布量為撒布量8kg／m2、碎石粒徑為粒徑9.5～13.2mm及界面處理為鑿毛間距4.0cm時，層間粘結(jié)強(qiáng)度最高。

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