瀝青路面開普封層結構病害成因分析

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.長安大學公路學院,陜西 西安 710064； 3.珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000)

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瀝青路面開普封層結構病害成因分析

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.長安大學公路學院,陜西 西安 710064； 3.珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000)

通過對開普封層路面病害的現場調查，分析了幾種開普封層典型病害的類型及特點，并結合模擬試驗再現開普封層結構破壞過程，針對開普封層結構現場調查的主要病害，分別對開普封層結構的層間粘結性能、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能進行了研究，為類似工程提供了理論依據。

開普封層，低溫抗裂性能，車轍，瀝青路面

0 引言

開普封層結構通常是指“碎石封層+稀漿封層”結構，受各地不同的條件限制，廣義上開普封層結構應該從復合封層的定義來理解。應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構層。20世紀50年代,南非Cape省在19 mm的封層上面撒布經過加熱、預拌石粉和瀝青混合料，故稱其為開普封層(Cape Seal)[1]。經過60年的發展，研究者認為該路面結構因具有防潮、抗滑、維持現有路面結構強度等作用,因其建造成本低廉以及良好的使用性能等優勢,該技術被歐、美等30多個國家廣泛應用于低等級公路的養護和建設中[2,3]。為完善該技術的適用性，本文從開普封層典型病害的角度出發，對典型病害路段進行現場調查，分析病害的類型，并采用模擬試驗來再現開普封層結構破壞過程，進一步總結造成開普封層出現病害現象的綜合影響因素，也是為提出相應的開普封層典型路面結構方案提供理論依據。

1 病害調查

結合國內外開普封層典型病害的研究成果[4-7]，調查分析總結了幾種常見的病害形式：

1)結構溫縮裂縫，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，由于北方地區氣候寒冷在設計稀漿封層配合比時油石比較大，而級配偏細，進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重的情況；

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

4)如圖4所示，部分路面有細微網狀裂縫和車轍出現。

2 試驗方案

為分析開普封層結構病害產生原因，采用開普封層結構破壞過程模擬試驗，試驗方案主要基于開普封層結構的現場調查的主要病害，分別對于開普封層結構的層間粘結性能、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能進行試驗分析。

試驗均是采用開普封層基本型結構，即“碎石封層+稀漿封層”復合結構形式。試驗材料中，瀝青采用克拉瑪依AH-90重交石油瀝青，粗、細集料采用石灰巖，乳化劑采用SXK-Ⅲ慢裂快凝型，而改性劑為SBR膠乳。試驗中，測定層間粘結性能、高溫車轍性能和低溫抗裂性能的試驗設備為剪切試驗儀、車轍試驗儀及萬能試驗儀。操作嚴格按照JTJ 052—2000公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程[8]的要求來執行。

3 病害成因試驗分析

3.1 層間粘結性能分析

根據病害調查分析，滑移脫層是開普封層結構路面較為常見的病害。該病害一般發生于公路的爬坡路段，由車輛剎車或換擋引起，其實質是開普封層與基層之間的粘結強度不足，難以抵抗層間剪切破壞。

通過對開普封層結構與基層之間的粘結性能進行評價來分析該類病害，本試驗采用專門設計的剪切儀，其剪切試驗儀原理如圖5所示。

3.1.1 溫度對層間粘結性能的影響

溫度對開普封層結構的層間粘結性能有著重要影響，本試驗在不同溫度條件下測定開普封層結構的層間粘結強度，對病害成因加以分析，試驗結果如圖6所示。試驗結果顯示：隨著溫度的升高，開普封層結構與基層之間的粘結強度出現明顯下降；當試驗溫度為30 ℃～40 ℃時，粘結強度最小值約為0.37 MPa～0.42 MPa，而有關資料顯示，在炎熱季節，瀝青路面溫度可能達到60 ℃～70 ℃，因此該溫度范圍，路面剪應力大于開普封層結構與基層之間的粘結強度而使路面結構發生破壞。

3.1.2 層間處治措施對層間粘結性能的影響

為進一步明確路面推擠、滑移的病害成因，實驗室通過對開普封層不同層間處治措施的粘結性能加以評價，試驗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強度，試驗結果如圖7所示。

由圖7顯示：試驗溫度范圍內噴灑粘層油試件的粘結強度處于數據帶的頂部，層面污染和不噴灑粘層油試件，在試驗溫度范圍內粘結強度沒有明顯差異。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構流動性的影響，會隨著封層中的細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，能夠提高結構的層間粘結性能，對路面滑移、脫層等病害起到一定預防作用。

3.2 高溫車轍性能分析

為分析開普封層結構的高溫病害，選擇了三種常用的開普封層結構進行了三組高溫車轍試驗，試驗結果顯示：一組試件變形量為正常狀態，其余兩組試件在試驗過程中均發生變形破壞。試驗曲線如圖8～圖10所示。

試驗曲線圖顯示：標準型開普封層試件沒有產生明顯破壞，隨著加載時間變化結構的空隙被碾壓密實，最后變形趨于穩定。結構產生這種變化是由于標準型開普封層結構的碎石封層粒徑形式單一，集料骨架穩定，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時間后，結構出現滑移、向兩邊推擠的破壞現象。這是由于制作得到試件層間粘結性能不足，且試模底板與試件的摩擦力難以約束試件向兩邊運動的趨勢，然而在兩組試件產生破壞前變形量很小，仍舊表現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生。而實際養護工程一般要對原路面進行清理，并噴灑粘層油，加強開普封層結果與基層的層間粘結性能，所以后兩組破壞基本不會發生。

3.3 低溫抗裂性能分析

基于開普封層結構溫縮裂縫病害的調查結果，通過小梁彎曲試驗分別對標準開普封層結構、AM-20及AM-13瀝青碎石三組試件測定低溫彎拉強度。開普封層結構的低溫彎拉強度與AM瀝青碎石的對比情況如圖11所示。試驗結果顯示：兩種瀝青碎石的低溫抗裂性能與開普封層結構的基本接近；開普封層結構試件的低溫彎拉強度平均值僅為3.16 MPa，彎拉應變平均值約0.003 89。過往研究表明，瀝青混凝土的低溫彎拉強度平均值為8.50 MPa，其彎拉應變平均值約0.002 56。因此，開普封層結構低溫抗裂性能基本與瀝青碎石一致，但差于瀝青混凝土。

4 結語

1)開普封層路面的主要病害表現為表面泛油推擠、滑移及溫縮裂縫。

2)開普封層結構低溫彎拉強度比瀝青混凝土差，與瀝青碎石相近；試驗路調查結果也說明溫縮裂縫是其主要病害之一。

3)開普封層結構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。

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

5)在溫差較大的地區使用開普封層原型結構做面層病害較多，效果不佳，不適應溫差較大的氣候特點。需要對結構設計進行改進以提高使用性能。

[1] 王新增.Cape封層技術在國外的發展和應用[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.瀝青路面常見的病害產生原因及其預防措施[J].交通世界(建養·機械),2011(15):82-83.

[5] 張 俊，武澤峰.開普封層技術及國內外應用情況[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規程[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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