瀝青路面開普封層結(jié)構(gòu)病害成因分析

賀 峰 何子胤 黎 卿

(1.中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222042； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064； 3.珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000)

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瀝青路面開普封層結(jié)構(gòu)病害成因分析

賀 峰1何子胤2黎 卿3

(1.中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222042； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064； 3.珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000)

通過對開普封層路面病害的現(xiàn)場調(diào)查，分析了幾種開普封層典型病害的類型及特點(diǎn)，并結(jié)合模擬試驗(yàn)再現(xiàn)開普封層結(jié)構(gòu)破壞過程，針對開普封層結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)查的主要病害，分別對開普封層結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性能、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能進(jìn)行了研究，為類似工程提供了理論依據(jù)。

開普封層，低溫抗裂性能，車轍，瀝青路面

0 引言

開普封層結(jié)構(gòu)通常是指“碎石封層+稀漿封層”結(jié)構(gòu)，受各地不同的條件限制，廣義上開普封層結(jié)構(gòu)應(yīng)該從復(fù)合封層的定義來理解。應(yīng)用范圍也可以從路面層到大中修的加鋪層和廣義的路面結(jié)構(gòu)層。20世紀(jì)50年代,南非Cape省在19 mm的封層上面撒布經(jīng)過加熱、預(yù)拌石粉和瀝青混合料，故稱其為開普封層(Cape Seal)[1]。經(jīng)過60年的發(fā)展，研究者認(rèn)為該路面結(jié)構(gòu)因具有防潮、抗滑、維持現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等作用,因其建造成本低廉以及良好的使用性能等優(yōu)勢,該技術(shù)被歐、美等30多個國家廣泛應(yīng)用于低等級公路的養(yǎng)護(hù)和建設(shè)中[2,3]。為完善該技術(shù)的適用性，本文從開普封層典型病害的角度出發(fā)，對典型病害路段進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，分析病害的類型，并采用模擬試驗(yàn)來再現(xiàn)開普封層結(jié)構(gòu)破壞過程，進(jìn)一步總結(jié)造成開普封層出現(xiàn)病害現(xiàn)象的綜合影響因素，也是為提出相應(yīng)的開普封層典型路面結(jié)構(gòu)方案提供理論依據(jù)。

1 病害調(diào)查

結(jié)合國內(nèi)外開普封層典型病害的研究成果[4-7]，調(diào)查分析總結(jié)了幾種常見的病害形式：

1)結(jié)構(gòu)溫縮裂縫，如圖1所示，裂縫沿行車方向呈近似等間隔分布，并貫穿路面全幅，這是由于我國北方春秋晝夜溫差大或冬季的低溫寒冷氣候所致；

2)路面泛油，如圖2所示，由于北方地區(qū)氣候寒冷在設(shè)計(jì)稀漿封層配合比時油石比較大，而級配偏細(xì)，進(jìn)料控制有時不夠精確，加上稀漿封層的車行駛速度過快，故而會造成部分路面泛油嚴(yán)重的情況；

3)封層結(jié)構(gòu)滑移、脫層，如圖3所示，這是由于開普封層結(jié)構(gòu)與舊路面或基層之間的層間粘結(jié)能力不足以抵抗車載的剪切力而導(dǎo)致；

4)如圖4所示，部分路面有細(xì)微網(wǎng)狀裂縫和車轍出現(xiàn)。

2 試驗(yàn)方案

為分析開普封層結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生原因，采用開普封層結(jié)構(gòu)破壞過程模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)方案主要基于開普封層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場調(diào)查的主要病害，分別對于開普封層結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性能、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)均是采用開普封層基本型結(jié)構(gòu)，即“碎石封層+稀漿封層”復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)材料中，瀝青采用克拉瑪依AH-90重交石油瀝青，粗、細(xì)集料采用石灰?guī)r，乳化劑采用SXK-Ⅲ慢裂快凝型，而改性劑為SBR膠乳。試驗(yàn)中，測定層間粘結(jié)性能、高溫車轍性能和低溫抗裂性能的試驗(yàn)設(shè)備為剪切試驗(yàn)儀、車轍試驗(yàn)儀及萬能試驗(yàn)儀。操作嚴(yán)格按照J(rèn)TJ 052—2000公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[8]的要求來執(zhí)行。

3 病害成因試驗(yàn)分析

3.1 層間粘結(jié)性能分析

根據(jù)病害調(diào)查分析，滑移脫層是開普封層結(jié)構(gòu)路面較為常見的病害。該病害一般發(fā)生于公路的爬坡路段，由車輛剎車或換擋引起，其實(shí)質(zhì)是開普封層與基層之間的粘結(jié)強(qiáng)度不足，難以抵抗層間剪切破壞。

通過對開普封層結(jié)構(gòu)與基層之間的粘結(jié)性能進(jìn)行評價來分析該類病害，本試驗(yàn)采用專門設(shè)計(jì)的剪切儀，其剪切試驗(yàn)儀原理如圖5所示。

3.1.1 溫度對層間粘結(jié)性能的影響

溫度對開普封層結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性能有著重要影響，本試驗(yàn)在不同溫度條件下測定開普封層結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)強(qiáng)度，對病害成因加以分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著溫度的升高，開普封層結(jié)構(gòu)與基層之間的粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)試驗(yàn)溫度為30 ℃～40 ℃時，粘結(jié)強(qiáng)度最小值約為0.37 MPa～0.42 MPa，而有關(guān)資料顯示，在炎熱季節(jié)，瀝青路面溫度可能達(dá)到60 ℃～70 ℃，因此該溫度范圍，路面剪應(yīng)力大于開普封層結(jié)構(gòu)與基層之間的粘結(jié)強(qiáng)度而使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

3.1.2 層間處治措施對層間粘結(jié)性能的影響

為進(jìn)一步明確路面推擠、滑移的病害成因，實(shí)驗(yàn)室通過對開普封層不同層間處治措施的粘結(jié)性能加以評價，試驗(yàn)過程中采用在基層上表面噴灑透層油、不噴灑透層油和層面污染3種條件制作試件，并在不同溫度條件下分別測定各個模擬試件的層間粘結(jié)強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7顯示：試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)噴灑粘層油試件的粘結(jié)強(qiáng)度處于數(shù)據(jù)帶的頂部，層面污染和不噴灑粘層油試件，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)粘結(jié)強(qiáng)度沒有明顯差異。由于在制作手工攤鋪開普封層的試件時，采用了較高的用水量來延緩乳化瀝青的破乳時間，使得開普封層中的稀漿封層流動性過大，在沒有粘層油的保護(hù)下造成大量的稀漿滲入下面層，而對于污染試件，層面上的泥土同樣受到結(jié)構(gòu)流動性的影響，會隨著封層中的細(xì)集料一同滲入下面層。通過以上分析在基層與開普封層之間噴灑粘層油，能夠提高結(jié)構(gòu)的層間粘結(jié)性能，對路面滑移、脫層等病害起到一定預(yù)防作用。

3.2 高溫車轍性能分析

為分析開普封層結(jié)構(gòu)的高溫病害，選擇了三種常用的開普封層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三組高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：一組試件變形量為正常狀態(tài)，其余兩組試件在試驗(yàn)過程中均發(fā)生變形破壞。試驗(yàn)曲線如圖8～圖10所示。

試驗(yàn)曲線圖顯示：標(biāo)準(zhǔn)型開普封層試件沒有產(chǎn)生明顯破壞，隨著加載時間變化結(jié)構(gòu)的空隙被碾壓密實(shí)，最后變形趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這種變化是由于標(biāo)準(zhǔn)型開普封層結(jié)構(gòu)的碎石封層粒徑形式單一，集料骨架穩(wěn)定，所以試件在輪載作用下幾乎不變形，高溫變形也很小。雙層碎石開普封層試件與嵌入式碎石開普封層試件在一段試驗(yàn)時間后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移、向兩邊推擠的破壞現(xiàn)象。這是由于制作得到試件層間粘結(jié)性能不足，且試模底板與試件的摩擦力難以約束試件向兩邊運(yùn)動的趨勢，然而在兩組試件產(chǎn)生破壞前變形量很小，仍舊表現(xiàn)出良好的高溫變形特性，這也很好的證明了擠壓脫層破壞的發(fā)生。而實(shí)際養(yǎng)護(hù)工程一般要對原路面進(jìn)行清理，并噴灑粘層油，加強(qiáng)開普封層結(jié)果與基層的層間粘結(jié)性能，所以后兩組破壞基本不會發(fā)生。

3.3 低溫抗裂性能分析

基于開普封層結(jié)構(gòu)溫縮裂縫病害的調(diào)查結(jié)果，通過小梁彎曲試驗(yàn)分別對標(biāo)準(zhǔn)開普封層結(jié)構(gòu)、AM-20及AM-13瀝青碎石三組試件測定低溫彎拉強(qiáng)度。開普封層結(jié)構(gòu)的低溫彎拉強(qiáng)度與AM瀝青碎石的對比情況如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：兩種瀝青碎石的低溫抗裂性能與開普封層結(jié)構(gòu)的基本接近；開普封層結(jié)構(gòu)試件的低溫彎拉強(qiáng)度平均值僅為3.16 MPa，彎拉應(yīng)變平均值約0.003 89。過往研究表明，瀝青混凝土的低溫彎拉強(qiáng)度平均值為8.50 MPa，其彎拉應(yīng)變平均值約0.002 56。因此，開普封層結(jié)構(gòu)低溫抗裂性能基本與瀝青碎石一致，但差于瀝青混凝土。

4 結(jié)語

1)開普封層路面的主要病害表現(xiàn)為表面泛油推擠、滑移及溫縮裂縫。

2)開普封層結(jié)構(gòu)低溫彎拉強(qiáng)度比瀝青混凝土差，與瀝青碎石相近；試驗(yàn)路調(diào)查結(jié)果也說明溫縮裂縫是其主要病害之一。

3)開普封層結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能良好，相比于其他病害類型，其高溫變形可忽略不計(jì)。

4)開普封層結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)性能受高溫影響較大，且不同的層間處治措施也是導(dǎo)致路面滑移、推擠等病害的主要原因。

5)在溫差較大的地區(qū)使用開普封層原型結(jié)構(gòu)做面層病害較多，效果不佳，不適應(yīng)溫差較大的氣候特點(diǎn)。需要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以提高使用性能。

[1] 王新增.Cape封層技術(shù)在國外的發(fā)展和應(yīng)用[J].中外公路,2000,20(5):42-45.

[2] Shuler S.Chip seals for high traffic pavements[M].1990.

[3] Gransberg DD.Analysis of Emulsion and Hot Asphalt Cement Chip Seal Performance[J]. Journal of Transportation Engineering,2005,131(3):229-238.

[4] 王志強(qiáng).瀝青路面常見的病害產(chǎn)生原因及其預(yù)防措施[J].交通世界(建養(yǎng)·機(jī)械),2011(15):82-83.

[5] 張 俊，武澤峰.開普封層技術(shù)及國內(nèi)外應(yīng)用情況[J].中外公路,2010(5):16-18.

[6] 席迎波,張鵬鵬,秦 燁.淺析瀝青混凝土路面常見病害及防治對策[J].交通科技,2010(S2):92-94.

[7] 王立勇,馬震中,尚亞軍.淺談瀝青混凝土路面常見病害成因分析及對策[J].華章,2011(4):223-225.

[8] JTJ 052—2000,公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

Analysis on Cape Seal structure diseases causes of asphalt pavement

He Feng1He Ziyin2Li Qing3

(1.ChinaCommunication3rdFlightBureauJiangsuBranchBureau,Lianyungang222042,China;2.CollegeofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 3.ZhuhaiAcademyofPlanning&Design,Zhuhai519000,China)

Through in-situ investigation of Cape Seal pavement diseases, the paper analyzes several Cape Seal diseases types and features, represents the Cape Seal structure damage process by combining with simulation test. In light of Cape Seal structure field investigating diseases, it respectively studies Cape Seal bonding performance, low-temperature crack-resisting performance and high-temperature anti-tracking performance, which has provided theoretical basis for similar engineering.

Cape Seal, low-temperature crack-resisting performance, track, asphalt pavement

1009-6825(2017)17-0119-03

2017-03-16

賀 峰(1982- )，男，高級工程師； 何子胤(1991- )，男; 黎 卿(1982- )，男，高級工程師

U416.217

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