舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層層間結(jié)合措施的試驗(yàn)研究

吳飛富，彩雷洲

(1.廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 南寧 530028；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

為提高路面服務(wù)水平，改善行駛環(huán)境，目前交通行業(yè)正興起舊水泥混凝土路面改造加鋪瀝青路面工程[1]。國外如美國、歐洲、日本等國家或地區(qū)，自20世紀(jì)中葉開始，已經(jīng)對水泥混凝土路面改造加鋪瀝青面層技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)成果體系較為成熟。而我國開展此項(xiàng)技術(shù)的研究相對較晚，早先研究人員將國外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)照搬至國內(nèi)，但由于國外交通量、氣候及原材料的地域差異性，其相關(guān)的技術(shù)研究成果不能直接用于我國工程建設(shè)[2-3]。近年來，隨著相關(guān)研究的不斷深入，我國已經(jīng)在全國范圍內(nèi)成功修筑多條水泥混凝土路面改造加鋪瀝青面層典型工程，取得了大量的研究成果。

眾所周知，層間結(jié)合處治是舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層的首要環(huán)節(jié)，也是影響路面長期耐久性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對抑制水泥混凝土裂縫向上反射、阻擋雨水下滲起到重要的作用。尤其在降雨量較多的南方地區(qū)，更有必要對水泥混凝土路面加鋪瀝青面層層間結(jié)合措施進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究分析。因此，本文依托廣西柳南高速公路改建工程，結(jié)合廣西交通量、氣候及公路建設(shè)特點(diǎn)，開展舊水泥路面加鋪瀝青面層層間結(jié)合措施的相關(guān)研究工作。

1 層間材料選用

本文研究中采用的層間粘結(jié)材料有AH-90基質(zhì)瀝青、改性瀝青、乳化瀝青以及橡膠瀝青，其中橡膠瀝青為在AH-90基質(zhì)瀝青中摻配不同比例的橡膠粉室內(nèi)自制。所用材料的技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[4-5]。

2 層間結(jié)合試驗(yàn)評價方法

2.1 層間結(jié)合評價方法

目前常用拉拔、剪切試驗(yàn)研究評價水泥路面與瀝青面層的層間結(jié)合效果，但由于拉拔試驗(yàn)的力學(xué)原理與實(shí)際不符，試驗(yàn)操作復(fù)雜且試驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境影響較大，因此，本文在研究中采用代表性較為突出的直剪和斜剪兩種剪切試驗(yàn)評價方法。

直剪試驗(yàn)是一種相對理想的剪切試驗(yàn)方法，試驗(yàn)中一般施加平行于剪切面的單向荷載。而斜剪試驗(yàn)是將試件傾斜后，施加垂直方向的荷載，傾斜角的存在使試件受力狀況與實(shí)際工況較為符合[6]。直剪和斜剪二者試驗(yàn)均通過得到的剪切力結(jié)果，評價層間結(jié)合的抗剪切強(qiáng)度。

2.2 試件的準(zhǔn)備與成型

研究采用直徑為15 cm的圓柱形水泥混凝土試件，通過室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場取芯制成。為提高層間的粘結(jié)效果，在涂抹粘層材料前，首先將水泥混凝土試件表面的浮漿清除干凈，以保證層間界面的粗糙度；然后將水泥混凝土試件放置在實(shí)驗(yàn)室天平秤上，將計(jì)算好用量的黏層材料均勻涂抹到試件表面。

待水泥混凝土試件表面的黏層材料冷卻至室溫后，將其放置在由兩個半圓組合形成的夾具中，準(zhǔn)備成型瀝青面層。按馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)方法在室內(nèi)制備瀝青混凝土試件，其用量應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場壓實(shí)度水平而定。瀝青混凝土試件厚度應(yīng)根據(jù)集料最大公稱粒徑確定，當(dāng)最大公稱粒徑≤19 mm時，成型的試件厚度宜為4～5 cm；反之，應(yīng)考慮適當(dāng)增加瀝青混凝土成型厚度。

3 層間結(jié)合措施的試驗(yàn)研究

3.1 界面干濕狀態(tài)對層間結(jié)合效果的影響

3.1.1 不同界面干濕狀態(tài)的影響

為研究界面干濕狀態(tài)對層間結(jié)合效果的影響，采用改性瀝青和乳化瀝青黏層材料，分別進(jìn)行不同界面干濕條件(干燥和飽水24 h)下的層間直剪試驗(yàn)[7]。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同界面干濕條件下直剪試驗(yàn)檢測結(jié)果表(MPa)

從表1可知，不論黏層材料采用改性瀝青或乳化瀝青，飽水后的層間抗剪切強(qiáng)度均明顯降低；與乳化瀝青粘層相比，飽水后的改性瀝青層間抗剪切強(qiáng)度衰減程度相對較大。

3.1.2 不同界面粗糙度的影響

為研究界面粗糙程度對層間結(jié)合效果的影響，采用改性瀝青黏層材料，分別進(jìn)行不同界面粗糙度和干濕條件下的層間直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的界面粗糙度狀態(tài)包括：(1)粗糙界面，用鐵刷將水泥混凝土試件表面的集料、浮漿清洗干凈，再均勻涂抹改性瀝青黏層材料；(2)光滑界面，保持水泥混凝土試件成型時的表面光滑狀態(tài)，直接均勻涂抹改性瀝青黏層材料。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同界面粗糙度與干濕條件下直剪試驗(yàn)檢測結(jié)果表(MPa)

從表2可知，不論何種界面粗糙程度，飽水后的層間抗剪切強(qiáng)度均有所降低，且光滑界面層間抗剪切強(qiáng)度衰減率相對較為明顯；不論何種干濕條件，粗糙界面的層間抗剪切強(qiáng)度均明顯大于光滑界面。試驗(yàn)說明：保持層間界面的粗糙性，即水泥混凝土表面浮漿清除干凈且骨料完全裸露時，可以顯著提高層間的結(jié)合效果。在水泥混凝土路面加鋪瀝青面層實(shí)體工程中，建議對舊水泥混凝土表面采取精銑刨、拋丸等處治措施，以增加層間界面的粗糙程度。

3.2 瀝青混凝土性質(zhì)對層間結(jié)合效果的影響

3.2.1 不同瀝青混凝土粒徑的影響

為研究不同瀝青混凝土粒徑對層間結(jié)合效果的影響，采用相同水泥混凝土試件、黏層材料和層間界面，分別進(jìn)行AC10、SAC10、SAC16和SAC20四種類型瀝青混凝土的層間直剪和斜剪試驗(yàn)。其中直剪切試驗(yàn)的溫度條件為25 ℃，斜剪試驗(yàn)的溫度條件為25 ℃和40 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青混凝土粒徑對層間剪切強(qiáng)度的影響柱形圖

從圖1可知，對于具有相似級配的SAC10、SAC16、SAC20瀝青混凝土，其層間剪切強(qiáng)度隨著混凝土粒徑的增大而增大；對于粒徑相同而級配類型不同的AC10與SAC10瀝青混凝土，其層間剪切強(qiáng)度隨著瀝青混凝土表面構(gòu)造深度的增大而減小，即AC10>SAC10。

由此說明層間剪切強(qiáng)度不完全受瀝青混凝土粒徑的影響，而與瀝青混凝土的級配類型或構(gòu)造深度密切相關(guān)。對于級配較細(xì)、構(gòu)造深度較小的瀝青混凝土，層間接觸面有所增加，有利于提高層間抗剪切能力；而對于級配相似的瀝青混凝土，瀝青混凝土粒徑越大，其抗剪切能力越好。

3.2.2 不同瀝青混凝土壓實(shí)度的影響

合格的壓實(shí)度水平對瀝青路面的使用品質(zhì)起到重要作用。為分析瀝青混凝土壓實(shí)度水平對層間結(jié)合效果的影響，采用相同的水泥混凝土試件和黏層材料，分別進(jìn)行不同瀝青混凝土壓實(shí)度條件下的層間直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用的壓實(shí)度分別為94%、96%、98%、100%和102%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青混凝土壓實(shí)度對剪切強(qiáng)度的影響曲線圖

從試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著瀝青混凝土壓實(shí)度水平的增加，層間破壞位移逐漸減小，層間剪切強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)壓實(shí)度水平較低時，壓實(shí)度的變化對剪切強(qiáng)度的提高較為明顯；反之則提高緩慢。說明瀝青混凝土壓實(shí)度的好壞對層間抗剪切能力的影響非常明顯，因此在實(shí)體工程施工過程中應(yīng)保證瀝青混凝土具有足夠的壓實(shí)度水平。

3.3 黏層材料對層間結(jié)合效果的影響

為分析黏層材料對層間粘結(jié)效果的影響，在試驗(yàn)中采用不同黏度的橡膠瀝青，按照不同劑量涂抹到水泥混凝土試件的表面進(jìn)行斜剪試驗(yàn)。試驗(yàn)以AH-90石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，采用40目橡膠粉摻配六種不同黏度橡膠瀝青，摻配比例依次為0%、5%、10%、15%、20%、25%。層間橡膠瀝青涂抹量依次為0.5 kg/m2、1.0 kg/m2、1.5 kg/m2、2.0 kg/m2、2.5 kg/m2、3.0 kg/m2。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同黏度和材料用量下層間剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律示意圖

從圖3試驗(yàn)結(jié)果可知：(1)在相同黏層涂抹量條件下，當(dāng)橡膠粉摻配比例(即橡膠瀝青黏度)增加時，層面剪切強(qiáng)度的基本變化規(guī)律為先增加后降低，此規(guī)律與路面實(shí)際情況基本相符；但是當(dāng)橡膠粉摻配比例為5%時，層間剪切強(qiáng)度可以達(dá)到最高峰值點(diǎn)，這一現(xiàn)象與路面實(shí)際完全不符。(2)當(dāng)橡膠瀝青黏層材料采用相同摻配比例時，隨著黏層涂抹量的增加，層間剪切強(qiáng)度變化規(guī)律較為離散，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際變化情況。

在水泥混凝土路面加鋪瀝青面層實(shí)體工程中，熱瀝青黏層灑布量一般為1.5～2.0 kg/m2，橡膠瀝青黏層灑布量一般為2.0～3.0 kg/m2，而上述試驗(yàn)研究卻與實(shí)際路面情況相差甚遠(yuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果不具有代表性。綜上所述，本項(xiàng)研究得到的結(jié)論是，實(shí)際工況中水泥混凝土與瀝青混凝土間的層間粘結(jié)作用復(fù)雜多變，綜合影響因素較多。而僅以室內(nèi)模擬試驗(yàn)的單一因素作為研究，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際工程情況，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4 結(jié)語

通過舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層層間結(jié)合措施的試驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下：

(1)保持水泥混凝土路面與瀝青面層的界面干燥程度，通過銑刨、拋丸等表面處治工藝提高舊水泥混凝土路面的粗糙程度，均可顯著增強(qiáng)水泥混凝土路面與瀝青面層的層間結(jié)合效果。

(2)對于級配較細(xì)、構(gòu)造深度較小的瀝青混凝土，層間接觸面有所增加，有利于提高層間抗剪切能力；而對于級配相似的瀝青混凝土，瀝青混凝土粒徑越大越可以更好地提升其抗剪切能力。

(3)在水泥混凝土路面加鋪瀝青路面實(shí)體工程施工過程中，若瀝青路面具有足夠的壓實(shí)度水平，可顯著提高水泥混凝土與瀝青混凝土層間的抗剪切能力。

(4)通過不同黏度的黏層材料剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若僅以單一因素進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際工程中水泥混凝土與瀝青混凝土間的層間粘結(jié)效果，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。