瀝青路面的層間黏結性能及其影響因素分析

黃光鵬

（廣東恒州路橋建設有限公司,廣東 韶關 512023）

瀝青路面的層間黏結性能及其影響因素分析

黃光鵬

（廣東恒州路橋建設有限公司,廣東 韶關 512023）

分析了瀝青路面的層間黏結性能產生機理,以及這種層間黏結對路面剪切和彎沉的抵抗效應。從黏層性能和上下瀝青面層差異性兩個方面深入分析了影響瀝青面層層間黏結性能的主要因素,主要包含黏結材料、黏層污染程度、施工溫度、層間級配差異、層間結構組成五個因素,最后提出了設計施工措施,使得瀝青面層黏結良好形成整體受力和變形。

瀝青路面；層間黏結性能；形成原理；影響因素；剪切推移

0 引言

瀝青路面因其行車噪聲低、振動小、不揚塵等諸多優勢,使得其在高速公路和城市道路的建設中廣泛采用。行車作用下,瀝青路面不僅受到豎向力作用發生彎沉效應,還會受到車輛制動作用產生的水平力作用,產生剪切效應。由于我國交通運輸業的大力發展,近年來交通量和荷載等級也在不斷提高,這使得超載重載路段的道路路面損壞更為嚴重,而重車作用下產生的水平力則非常顯著。如果瀝青路面層混合料之間的層間黏性性能不足,則在外界剪切力作用下很容易發生推移、車轍和擁包等病害。這些病害的發生一方面對行車平穩和安全形成了隱患,同時影響了交通集散效果；另一方面為了延長道路的使用壽命,每年都需要花費較多的人力和物力進行路面層的修復、替換和養護。

實際上,多數研究表明我國大部分的瀝青面層的病害問題與瀝青面層的層間黏結性能不好高度相關[1-2],一直以來設計和施工人員在瀝青層間黏結問題上均重視不足,甚至對于在瀝青層間是否需要噴灑黏層油存在疑慮。然而,瀝青面層層間黏結的性能直接影響到瀝青面層是否能夠作為連續體進行工作,是否具有足夠的面層承載力。因而需要在原理層次掌握瀝青路面的層間黏結性能,掌握瀝青層間黏結的影響因素,從而在設計和施工中找到解決對策。論文首先分析面向剪切效應的瀝青層間黏結性能形成機理,分析影響層間黏結的主要因素及其關系,最后提出在瀝青路面設計和施工中可以采用的改善措施,增強瀝青路面的縱向抗剪切效應。

1 瀝青路面的層間黏結性能

瀝青路面的基本層間結構可以由圖1表示,在道路瀝青鋪裝層設計中往往采用多層瀝青混凝土進行施工,而層間通過一個黏層（黏結材料）進行連接。在車輛荷載作用下,瀝青上面層直接承受豎向壓力和水平摩擦力,這兩個荷載都是通過輪胎和路面的接觸面積進行傳遞,應力向下傳遞的過程就是檢驗瀝青面層整體性的過程,對于具有軟弱層的鋪裝路面,則會形成顆粒之間的錯位,形成初始裂縫,影響上下層的黏結性能。當荷載傳遞到面層之間時,如果上下面層的黏結性能足夠好,則黏性力大于剪切力,不會出現明顯的面層之間的錯動,也不會產生病害。如果上下面層黏結性能不好,不能共同作為整體進行受力,則上部荷載傳遞不到下面層,導致上面層受力過大,同時缺少下面層對上面層的嵌固約束效應,導致出現上下面層錯動,呈現出來的病害性態就是上部面層鼓動、推移和車轍等病害。

圖1 瀝青面層構造示意圖

通過上述分析,在水平荷載作用下（例如車輛制動力）,瀝青面層的黏結性能好壞直接影響到瀝青路面的工作性能。此外,在豎向荷載作用下,瀝青面層呈現彎沉效應,而如果瀝青面層之間黏結性能不好,其抗彎能力相當于兩個獨立的上下面層,這顯然要遠低于作為整體面層的抗彎性能,因此面層的黏結性能同時也影響到豎向荷載作用下的瀝青路面受力性能。這也是層間黏結性能差不僅會引起剪切裂縫,還會引起彎沉裂縫的原因。因而,保證瀝青上下面層的黏結性能具有上下層結合協同受力的作用意義。

2 黏結性能影響因素分析

通過對瀝青面層黏結機理與受力模式的關聯性分析,可以得到如下結論[3-4]:黏層性能和上下瀝青面層差異性是決定上下面層能夠協同受力變形的影響因素,具體而言,黏結材料、黏層污染程度、施工溫度影響了黏層性能,而層間級配差異、層間結構組成則影響上下瀝青面層差異性,以下針對上述五個因素進行詳細分析。

2.1 黏結材料

瀝青面層黏結性能主要來源于黏結材料本身,因此其物理特性對于黏結好壞起到了關鍵性的影響。目前,基質瀝青、SBR乳化瀝青和SBS改性瀝青等都能提供黏結能力。這幾種黏結材料的抗剪切性能也得到試驗測試,相關試驗結果見表1,研究發現在相同試驗溫度和灑布數量的情況下,黏結材料不同其抗剪強度差別很大,直接利用基質瀝青可以獲得一定的黏結效果,但抗剪強度不足以抵抗外界荷載作用。選用SBS改性瀝青的黏結性能要好于SBR改性瀝青。

表1 不同黏結材料的抗剪切性能比較

除了選擇黏結材料類型外,黏結劑的含量對于瀝青上下面層的黏結性能也是影響很大,用量太少無法達到層間黏結效果,用量過多則會形成富油層而降低上下面層的連接性能,不僅不能起到黏結效果,還會加快病害的發生,因此存在最佳黏結性用量。圖2是以SBR乳化瀝青為黏結材料,在不同含量下的層間剪應力測試結果下,可以看到在含量0.74 kg/m2時抗剪強度達到最大,這就是最適宜的瀝青含量。在保證成本的情況下,設計中可以選擇乳化瀝青含量在0.50～0.74 kg/m2。

圖2 不同含量乳化瀝青下的剪切強度

2.2 黏層污染程度

考慮到在實際的瀝青路面施工過程中,在鋪灑黏結劑到鋪設上部面層瀝青時存在間歇時間,而間歇時間內各種現場機械的走動以及環境影響會使得黏結面層受到塵土污染。在塵土污染的情況下會降低黏層的黏結效果,使得其抗剪性能降低。以用量0.74 kg/m2的乳化瀝青做試驗,在污染物為0 g/m2、100 g/m2、200 g/m2、400g/m2的情況下瀝青層間變形和剪應力比較見表2,顯然污染物含量越多其剪應力越低,污染物高于200 g/m2時層間抗剪性能將不足,因此需要進行污染物的控制。

表2 不同污染物含量下的瀝青層間剪應力

2.3 施工溫度

瀝青的黏結性在不同溫度下具有不同的物理狀態,因此其黏結性能也差別顯著,因此影響面層的抗剪性能。以用量為0.74 kg/m2的乳化瀝青為試驗,分別在常溫25℃、40℃和60℃的環境下進行抗剪性能測試,結果顯示:25℃下的剪應力在0.812 MPa左右,而40℃下的抗剪強度直接降到0.223 MPa,僅僅占有常溫下的27.46%；60℃的抗剪強度則是 0.106 MPa,是常溫 25℃結果的13.05%。說明瀝青面層的抗剪性能與施工溫度非常敏感,盡量在溫度較低的情況下進行施工,慎重不選擇高溫環境下施工。

2.4 層間級配差異

瀝青不同其面層的功能也不同,為了達到設計的受力狀態,不同的面層其顆粒級配和密實度、孔隙率等都會不同,這使得層間級配差異較大,而這種差異則使得上下層的黏結成整體的難度越大。顯然,層間級配差異越顯著,同等條件下黏結性能會越低,抗剪效果較差。因此,設計中在盡可能的條件下,需要保持上下層間的級配差異不至于過大。

2.5 層間結構組成

瀝青面層除了層間級配的差異,還可能有面層厚度差異、構成材料差異等,這種差異也會對上下面層的黏結性能形成一定的影響。相關試驗表明:上下層分別采用AC-13和AC-20混合料,厚度5 cm+5 cm的抗剪強度為0.579 MPa,厚度4 cm+ 6 cm的抗剪強度為0.758 MPa,而厚度3 cm+7 cm的抗剪強度為0.693 MPa。說明上下面層厚度存在較優組合,且與上下面層混合料類型相關。

3 設計施工措施

通過對瀝青面層黏結性能的影響因素分析,在設計和施工中采取措施,保障上下面層的整體黏結性能。

（1）黏層性能方面。首先,需要合理確定黏結材料的類型,基質瀝青雖然能夠提供粘黏結強度,但仍然不能滿足抗剪需求,仍然需要其他瀝青材料如乳化瀝青和改性瀝青來提高黏結強度,同時需要確定合理的瀝青材料含量,通過設置最優瀝青含量達到最佳黏結性能同時提高經濟性。其次,高溫下路面層間黏結性能會被大大削弱,因此在鋪灑黏層瀝青時需要進行適當的冷卻,充分發揮其黏結能力,并且在黏層材料與面層粘成整體后再鋪筑上一面層混合料。最后,施工中需要保證層間截面的清潔性,盡量做到鋪灑時封閉交通,并清理上一面層材料,降低污染物的影響。

（2）層間差異性方面。上下面層的混合料級配應該保持一定的過渡性,出現過大的骨料差異將使得黏結變得困難。此外,層間結構方面,根據設計要求選擇的上部面層應該能直接抵御車輛作用,下部面層能夠實現受力平順性；層間厚度上一般來說設計上層厚度略小于下層厚度,以保證下層具有足夠的強度,使得層間黏結性良好。

4 結語

瀝青路面的層間黏結性能不僅直接影響面層的抗剪切效應,還影響路面的彎沉效應,因此需要保障路面面層間的黏結性能。論文通過分析瀝青路面層間黏結機理和特點,詳細分析了影響層間黏結性能的因素,通過對這些因素的定量分析,提出設計和施工中采取的應對措施和方法。

[1]陳俊彥.瀝青路面層間黏結性能影響因素及改善措施[J].山西交通科技,2014(5):28-30.

[2]孫強,胡騰飛,王光勇.瀝青路面層間黏結性能試驗研究[J].石油瀝青,2015,29(3):46-50.

[3]蘇新國,赫,魯圣弟,等.瀝青路面層間黏結效果影響因素[J].長安大學學報 (自然科學版),2013,33(3):21-26.

[4]何銳,武書華,管勤,等.瀝青路面層間黏結性能影響因素試驗研究[J].中外公路,2015,35(4):272-276.

U416.217

A

1009-7716（2017）07-0237-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.073

2017-03-13

黃光鵬（1979-）,男,湖南邵東人,建筑工程師、一級建造師,從事市政路橋施工工作。