工藝、材料及結(jié)構(gòu)厚度對(duì)路面層間黏結(jié)性的影響

陳 豫，陳浙江，石德景，李壽偉，羅金泉，蔣應(yīng)軍

(1.婺城區(qū)公路管理段，浙江 金華 321000； 2.金華市公路管理局，浙江 金華 321000；3.武義縣公路管理段，浙江 金華 321000； 4.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

中國高等級(jí)公路典型瀝青路面結(jié)構(gòu)為表面層4 cm AC-13+中面層6 cmAC-20+下面層8～12 cm AC-25或ATB-25或ATB-30，干線公路典型結(jié)構(gòu)為表面層4 cmAC-13+下面層6 cmAC-20或者上面層5 cmAC-13+下面層7 cmAC-20，且設(shè)計(jì)時(shí)瀝青路面采用層間完全連續(xù)假設(shè)[1]。但是，受傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)限制，施工普遍采用分層攤鋪和逐層壓實(shí)，兩結(jié)構(gòu)層間通常不是連續(xù)施工，而是“冷+熱”施工，層間無法形成粗集料嵌鎖聯(lián)結(jié)；為了減少離析，便于壓實(shí)，傳統(tǒng)攤鋪技術(shù)的瀝青面層壓實(shí)厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2～3倍[2]；同時(shí)，受工期限制，路基、綠化、通信等工程交叉施工會(huì)造成已鋪中面層或下面層污染等，這些問題嚴(yán)重影響瀝青各結(jié)構(gòu)層層間結(jié)合效果[3]。層間黏結(jié)不足會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，導(dǎo)致路面層間發(fā)生剪切滑移破壞[4-5]。盡管工程實(shí)踐中會(huì)采取灑黏層油技術(shù)措施，但兩結(jié)構(gòu)層間難以形成真正意義上完全連續(xù)接觸狀態(tài)，嚴(yán)重影響路面設(shè)計(jì)可靠性、路面耐久性以及工程造價(jià)[6]。瀝青路面雙層一體攤鋪技術(shù)是將兩層瀝青結(jié)構(gòu)層一次攤鋪碾壓完成的新型施工技術(shù)[7]。雙層攤鋪技術(shù)采用“熱+熱”施工工藝，兩層之間粗集料可以形成相互嵌鎖聯(lián)結(jié)，同時(shí)可避免瀝青面層壓實(shí)厚度與集料公稱最大粒徑之間3倍原則的限制[8-9]。長(zhǎng)安大學(xué)石福周等對(duì)雙層攤鋪機(jī)的構(gòu)造進(jìn)行了介紹，分析了雙層攤鋪技術(shù)的機(jī)械配置、施工組織方法與質(zhì)量控制方法[10]；重慶交通大學(xué)梁乃興研究了雙層攤鋪瀝青混合料的施工控制過程，探討攤鋪速度與卸料時(shí)間的關(guān)系、攤鋪速度與料倉體積的關(guān)系、攤鋪速度與輸料量的關(guān)系[11]；廣州市政邱麗鵬認(rèn)為雙層瀝青攤鋪設(shè)備及工藝可以提高抗車轍能力和層間黏結(jié)力，可以不使用黏層油，節(jié)約材料成本[12]。已有相關(guān)研究是在現(xiàn)有典型路面結(jié)構(gòu)層厚度與混合料類型的基礎(chǔ)上，對(duì)雙層攤鋪設(shè)備及施工技術(shù)、評(píng)價(jià)其層間攤鋪過程中的瀝青溫度散失、壓實(shí)特性、雙層一次攤鋪路面使用性能等方面進(jìn)行研究，對(duì)結(jié)構(gòu)層厚度和混合料類型對(duì)雙層一次攤鋪路面層間黏結(jié)性能影響的研究相對(duì)較少。因此，本文以路面結(jié)構(gòu)總厚度是10 cm的雙層路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究不同厚度和混合料類型組合對(duì)雙層一次攤鋪路面層間黏結(jié)性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1)瀝青。上、下面層均采用新加坡Esso A-70號(hào)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

(2)粗集料。上面層粗集料采用商洛市商州區(qū)興達(dá)采石場(chǎng)生產(chǎn)的斜長(zhǎng)角閃巖集料，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

下面層粗集料采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的集料，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表2 上面層粗集料技術(shù)指標(biāo)

(3)細(xì)集料。上、下面層細(xì)集料均采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石并自行加工，其技術(shù)指標(biāo)見表4。

(4)礦粉。采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司加工生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標(biāo)見表5。

(5)黏層油。黏層采用SBS(I-C)改性瀝青，其技術(shù)要求見表6。

表3 下面層粗集料技術(shù)指標(biāo)

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

(1)混合料類型。研究混合料類型對(duì)雙層路面層間黏結(jié)性能的影響，上面層擬采用AC-13或AC-16，下面層擬采用AC-20或AC-25。各類型混合料礦料級(jí)配見表7。各類型混合料最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表6 SBS(I-C)改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)結(jié)構(gòu)層厚度。研究路面結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)雙層路面層間黏結(jié)性能的影響，雙層路面結(jié)構(gòu)總厚度為10 cm，結(jié)構(gòu)層厚度擬采用上面層3 cm+下面層7 cm、上面層4 cm+下面層6 cm、上面層5 cm+下面層5 cm三種組合類型。

(3)施工工藝。研究雙層路面結(jié)構(gòu)分層攤鋪碾壓工藝(傳統(tǒng)攤鋪)和雙層路面結(jié)構(gòu)一次攤鋪碾壓工藝(雙層攤鋪)對(duì)路面層間黏結(jié)性能的影響。

表7 不同混合料級(jí)配

表8 最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)攤鋪剪切試件尺寸為直徑152.4 mm、高100 mm，結(jié)構(gòu)層厚度擬采用上面層3 cm+下面層7 cm、上面層4 cm+下面層6 cm、上面層5 cm+下面層5 cm。制備工藝如下。

(1)第1步，剪切試件下層制作。根據(jù)試件下層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合下面層混合料，裝入直徑為152.4 mm和高為115 mm的馬歇爾試模并充分搗實(shí)，然后用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)下面層混合料，直至試件下層厚度達(dá)到預(yù)定高度后停止擊實(shí)，剪切試件制作完成。

(2)第2步，黏層油撒布。將下面層混合料試件冷卻至少24 h后灑布0.45 kg·m-2的黏層油，養(yǎng)生至少2 h。

(3)第3步，剪切試件上層制作。根據(jù)試件上層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合上面層混合料，放入已裝有下面層混合料的馬歇爾試模并充分搗實(shí)，然后用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)上、下面層混合料，當(dāng)擊實(shí)上、下面層總厚度達(dá)到10 cm后停止擊實(shí)，剪切試件制作完成。

雙層攤鋪剪切試件尺寸為直徑152.4 mm、高100 mm，結(jié)構(gòu)層厚度擬采用上面層3 cm+下面層7 cm、上面層4 cm+下面層6 cm、上面層5 cm+下面層5 cm。制備工藝如下。

(1)第1步，下層攤鋪。根據(jù)下層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合下面層混合料，裝入直徑為152.4 mm和高為115 mm的馬歇爾試模并充分搗實(shí)，進(jìn)行人工初平初壓后放入175 ℃烘箱中保溫。

(2)第2步，上層攤鋪。根據(jù)上層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合上面層混合料，取出烘箱中裝有下面層混合料的馬歇爾試模，再裝入拌合好的上面層混合料并充分搗實(shí)，再用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)上、下面層混合料，當(dāng)擊實(shí)上、下面層總厚度達(dá)到10 cm后停止擊實(shí)，雙層攤鋪剪切試件制作完成。

1.3 層間剪切試驗(yàn)方法

采用路面材料剪切儀在室內(nèi)條件下進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)，剪切速率為10 mm·min-1。試驗(yàn)開始后向剪切試件層間黏結(jié)位置逐級(jí)施加水平剪力T，直到達(dá)到最大剪力發(fā)生剪切破壞。層間剪切試驗(yàn)通常持續(xù)到較大的相對(duì)剪切位移為止，層間抗剪強(qiáng)度

式中：τ為試件的層間抗剪強(qiáng)度(MPa)；Tmax為試件發(fā)生剪切破壞時(shí)的最大水平剪力(kN)；A為試件的橫斷面面積(mm2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同攤鋪工藝、路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型的剪切試件層間剪切試驗(yàn)結(jié)果，見表9。

由表9可知，傳統(tǒng)攤鋪工藝下的雙層路面不同結(jié)構(gòu)組合層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果非常接近，變化范圍在0.25～0.32 MPa。這是因?yàn)閷娱g接觸為“冷+熱”的傳統(tǒng)攤鋪工藝，是要等下面層混合料已經(jīng)充分冷卻、硬結(jié)，并形成一定的強(qiáng)度后再鋪筑上層混合料；此時(shí)上面層瀝青混合料無法滲透到致密冷卻的下面層，層間黏結(jié)強(qiáng)度主要由黏層油提供，骨料間的嵌擠作用較少，所以層間黏結(jié)作用比較弱[13-17]。考慮到不同混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響并不大，以及試驗(yàn)方法和操作誤差的影響，在分析攤鋪工藝對(duì)層間黏結(jié)性能的影響時(shí)以平均值0.28 MPa作為傳統(tǒng)攤鋪工藝的層間抗剪強(qiáng)度。

2.1 攤鋪工藝的影響

攤鋪工藝對(duì)雙層瀝青路面層間黏結(jié)性能的影響見圖1，圖中“16+25”和“3+7”一起表示雙層路面結(jié)構(gòu)為3 cm AC-16+7 cm AC-25，其他類比。圖中雙層攤鋪為τs，傳統(tǒng)攤鋪為τc,τs/τc表示在混合料類型、結(jié)構(gòu)層厚度一致的條件下，雙層攤鋪剪切試件和傳統(tǒng)攤鋪剪切試件層間抗剪強(qiáng)度之比，τs/τc比值越大，表示層間黏結(jié)性能越好。

由圖1可知，在混合料類型、結(jié)構(gòu)層厚度一致的條件下，雙層攤鋪工藝相比較傳統(tǒng)攤鋪工藝層間抗剪強(qiáng)度有顯著提高，且當(dāng)混合料類型為AC-16+AC-25和AC-16+AC-20組合時(shí)提升幅度最大。AC-16+AC-25的組合時(shí)，雙層攤鋪工藝相比較傳統(tǒng)攤鋪工藝層間抗剪強(qiáng)度可平均提高達(dá)80%以上，AC-16+AC-20的組合時(shí)，雙層攤鋪工藝相比較傳統(tǒng)攤鋪工藝層間抗剪強(qiáng)度可平均提高達(dá)50%以上。

表9 不同攤鋪工藝、路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型的剪切試件層間剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖1 攤鋪工藝對(duì)路面層間黏結(jié)性能的影響

這是因?yàn)閷娱g接觸為“熱+熱”的雙層攤鋪工藝是在高溫條件下進(jìn)行兩層混合料的同時(shí)攤鋪，兩層混合料中瀝青會(huì)產(chǎn)生一定黏結(jié)作用，并且在壓實(shí)過程中兩層瀝青混合料的粒料之間能夠相互嵌擠，相互融合，黏結(jié)更為緊密，從而使得層間形成相互嵌鎖作用；并且雙層攤鋪工藝減少了層間處治工序，不但節(jié)約了黏層油的使用，還從根本上解決了瀝青路面層間不連續(xù)性的問題，使路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)能力顯著增強(qiáng)[18-20]。因此采用“熱+熱”接觸的雙層攤鋪工藝能顯著提高雙層瀝青路面的層間黏結(jié)性能。

2.2 混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度的影響

由于傳統(tǒng)攤鋪路面層間黏結(jié)強(qiáng)度主要由黏層油提供，受混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度的影響較少，因此重點(diǎn)研究混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)雙層攤鋪路面層間黏結(jié)性能的影響。混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)雙層攤鋪路面層間黏結(jié)性能的影響見表10。表中相對(duì)抗剪強(qiáng)度表示不同結(jié)構(gòu)厚度、混合料類型組合的抗剪強(qiáng)度值與其中抗剪強(qiáng)度最小值之比。比值越大，表示層間黏結(jié)性能越好。

表10 結(jié)構(gòu)層厚度、混合料類型對(duì)雙層攤鋪路面層間黏結(jié)性能的影響

由表10可知， 當(dāng)結(jié)構(gòu)層厚度為3 cm+7 cm的組合時(shí)，混合料類型為AC-16+AC-25的組合相比較AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪強(qiáng)度分別提高了22%、67%和43%；當(dāng)結(jié)構(gòu)層厚度為4 cm+6 cm的組合時(shí)，混合料類型為AC-16+AC-25的組合相比較AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪強(qiáng)度分別提高了18%、68%和44%；當(dāng)結(jié)構(gòu)層厚度為4 cm+6 cm的組合時(shí)，混合料類型為AC-16+AC-25的組合相比較AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪強(qiáng)度分別提高了18%、68%和38%。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)層厚度組合一定，混合料類型為AC-16+AC-25的組合相較AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25的抗剪強(qiáng)度分別可提高18%、68%和42%。這是因?yàn)殡p層瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度可以近似用庫倫公式(τ=c+σtanφ)表示[21]。當(dāng)混合料類型采用上面層AC-16或下面層AC-25時(shí)，其混合料集料粒徑比起上面層AC-13或下面層AC-20要粗許多，所以混合料類型為AC-16+AC-25的組合容易在層間處形成較大的構(gòu)造深度和層間的嵌擠。黏結(jié)力c和內(nèi)摩阻角φ的增大使得層間摩阻力和抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步增大，從而顯著提高了層間黏結(jié)性能[22-23]。

當(dāng)混合料類型一定的條件下，結(jié)構(gòu)層厚度為5 cm+5 cm的組合相比3 cm+7 cm、4 cm+6 cm抗剪強(qiáng)度均有一定的提高，但幅度不大，且抗剪強(qiáng)度隨上面層結(jié)構(gòu)層厚度增加而增加。其原因可能是5 cm+5 cm的組合相比較3 cm+7 cm、4 cm+6 cm組合，上面層厚度逐漸增加，隨著上面層混合料的增加，混合料的自重對(duì)層間黏結(jié)位置產(chǎn)生了豎向壓力，層間摩阻力和抗剪強(qiáng)度隨著豎向正應(yīng)力σ的增大而略有增大，使層間黏性性能得到一定的改善。

3 結(jié) 語

(1)研究了攤鋪工藝對(duì)瀝青路面層間黏結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：雙層攤鋪工藝相比較傳統(tǒng)攤鋪工藝層間抗剪強(qiáng)度有顯著的提高，且當(dāng)混合料類型為AC-16+AC-25和AC-16+AC-20的組合時(shí)提升幅度最大。AC-16+AC-25的組合下，雙層攤鋪工藝相比較傳統(tǒng)攤鋪工藝層間抗剪強(qiáng)度可提高80%以上，AC-16+AC-20的組合可提高50%以上。“熱+熱”接觸的雙層攤鋪工藝使得兩層瀝青混合料的粒料之間能夠相互嵌擠，相互融合，黏結(jié)更為緊密，從而使得層間形成相互嵌鎖作用，使路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能顯著增強(qiáng)。

(2)研究了混合料類型對(duì)瀝青路面層間黏結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：混合料類型為AC-16+AC-25的組合相比較AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪強(qiáng)度分別提高了18%、68%和42%；AC-16+AC-25的組合容易在層間處形成較大的構(gòu)造深度和層間的嵌擠，黏結(jié)力c和內(nèi)摩阻角φ的增大使得層間摩阻力和抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步增大，從而顯著提高了層間黏結(jié)性能。

(3)研究了結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)瀝青路面層間黏結(jié)性能的影響。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)層厚度為5 cm+5 cm的組合相比較3 cm+7 cm、4 cm+6 cm組合抗剪強(qiáng)度有一定的提高，但幅度不大，且抗剪強(qiáng)度隨上面層結(jié)構(gòu)厚度增加而增加；5 cm+5 cm的組合使得層間黏結(jié)位置產(chǎn)生了豎向壓力，層間摩阻力和抗剪強(qiáng)度隨著正應(yīng)力σ的增大而略有增大，使得層間黏性性能得到一定的改善。

(4)通過對(duì)雙層瀝青路面層間黏結(jié)性能的室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響不大，為了達(dá)到減少路面工程造價(jià)和提高路面層間黏結(jié)性能的目的，建議雙層攤鋪路面并采用上面層3 cm AC-16+下層面7 cm AC-25的路面結(jié)構(gòu)形式。

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