瀝青路面橡膠瀝青碎石下封層層間連接性能研究

賈欣悅，張敏江

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽(yáng)市 110168)

0 引言

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層瀝青路面因其整體強(qiáng)度大、抗永久變形能力強(qiáng)、能適應(yīng)重交通，已成為干線公路路面結(jié)構(gòu)的主要形式，但由于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料基層和瀝青混合料面層的材料類型差異性較大，變形協(xié)調(diào)能力差，造成層間連接性能差，導(dǎo)致在使用過程中發(fā)生層間滑移，以及過早出現(xiàn)路面疲勞開裂現(xiàn)象[1-2]。為了解決這個(gè)問題，目前人們多在瀝青混合料面層與無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料基層之間實(shí)施橡膠瀝青碎石封層、乳化瀝青碎石封層等下封層技術(shù)，以此加強(qiáng)層間連接。并開展了各類下封層材料性能、材料配合比方面的研究，同時(shí)利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)，研究了不同下封層材料的抗剪切性能，但現(xiàn)有的研究還不能明確地給出各種下封層技術(shù)在實(shí)際工程的應(yīng)用效果。

為此，基于近年來(lái)遼寧省大修工程實(shí)施下封層技術(shù)的應(yīng)用情況，選擇典型路線開展實(shí)地調(diào)研，分析并提出了層間連接效果指數(shù)(Mcon)來(lái)比較橡膠瀝青碎石封層與其它層間處治技術(shù)在加強(qiáng)層間連接方面的實(shí)際應(yīng)用效果，開展室內(nèi)層間直接剪切試驗(yàn)研究，比較不同下封層技術(shù)的層間連接性能，綜合實(shí)地調(diào)研結(jié)果及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論明確橡膠瀝青碎石封層相比于其它層間處治技術(shù)在提高層間連接性能方面的優(yōu)勢(shì)。

1 橡膠瀝青碎石下封層及其它層間處治技術(shù)的層間連接性能調(diào)研及評(píng)價(jià)

1.1 實(shí)地調(diào)研路線的確定

為了使實(shí)地調(diào)研路線具有代表性，在全省范圍不同的瀝青路面使用性能分區(qū)內(nèi)選擇路線，最后選擇10條乳化瀝青碎石下封層，3條實(shí)施透層+粘層及5條實(shí)施橡膠瀝青碎石下封層的大修路線進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)研。調(diào)研路線具體信息見表1。

表1 實(shí)地調(diào)研路線的基本信息

1.2 層間連接性能技術(shù)指標(biāo)及分析

影響各種下封層技術(shù)的層間連接性能的因素眾多，必須綜合各種因素才能得到客觀的結(jié)論。這些因素可以劃分為四個(gè)方面：和層間連接性能相關(guān)的路面病害情況；調(diào)研路線已經(jīng)作用的交通量大小；現(xiàn)場(chǎng)路面鉆芯取樣面層和基層的連接狀況；調(diào)研路線路面結(jié)構(gòu)情況。

(1)路面病害技術(shù)指標(biāo)

研究表明，和層間連接性能相關(guān)的路面病害有疲勞開裂和推移，為此定義如下技術(shù)指標(biāo)：

①百米疲勞開裂率(Lf)

百米疲勞開裂率反映結(jié)構(gòu)性病害面積與統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)總面積的百分比，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中，Lf—百米疲勞開裂率(%)；

A1、k1—百米路面內(nèi)單條縱向裂縫折算的開裂面積(m2)和折減系數(shù)；

A2、k2—百米路面內(nèi)網(wǎng)裂面積(m2)和折減系數(shù)；

A3、k3—百米路面內(nèi)龜裂面積(m2)和折減系數(shù)；

k1、k2、k3的取值按照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H20-2007)中確定的取值方法確定；

A—百米內(nèi)路面的總面積(m2)。

②百米推移率(Re)：反映層間連接效果，為百米路面范圍內(nèi)的推移面積與路面面積的百分比，如式(2)所示。

(2)

式中，Ae—百米推移面積(m2)；

A—百米路面面積(m2)。

(2)交通量(Ne)

評(píng)價(jià)路段設(shè)計(jì)車道已經(jīng)作用過的大型客車和貨車數(shù)量，單位106輛。

(3)芯樣連接狀況評(píng)分(Gs)

鉆芯取樣，觀測(cè)層間連接狀態(tài)，對(duì)芯樣連接狀況進(jìn)行的評(píng)分。

(4)路面結(jié)構(gòu)狀況

研究表明，面層厚度的大小和路面病害的狀況關(guān)系密切，所以將調(diào)研路段的面層厚度作為調(diào)研的技術(shù)指標(biāo)。

1.3 調(diào)研結(jié)果

根據(jù)以上反映層間連接性能的指標(biāo)分析，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研得到遼寧省干線公路大修工程中重點(diǎn)路線調(diào)研指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表2。

兩組急性闌尾炎合并糖尿病患者的性別、年齡等方面相比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），表示兩組間能夠?qū)Ρ取?/p>

表2 大修工程中重點(diǎn)路線層間處治技術(shù)調(diào)研指標(biāo)匯總表

1.4 橡膠瀝青碎石下封層技術(shù)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

1.4.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的提出

為了對(duì)遼寧省干線公路瀝青路面下封層技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)路線調(diào)研的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，定量評(píng)價(jià)下封層技術(shù)應(yīng)用的層間連接作用效果，提出瀝青路面下封層技術(shù)層間連接效果指數(shù)Mcon及其確定方法，見式(3)。

Mcon=ηneηth(λtuiStui+λpiSpi+λxinSxin)

(3)

式中，ηne—交通量影響系數(shù)，該參數(shù)根據(jù)所調(diào)查路線交通量與所有調(diào)查路線交通量最大值的比值而定；

ηth—面層厚度影響系數(shù)，按式(4)計(jì)算。

(4)

式中，hmin—調(diào)研路線中面層(或加鋪層)厚度的最小值(cm)；

h—評(píng)價(jià)路段面層(或加鋪層)的厚度。

式(3)中，Stui—下封層技術(shù)在抑制推移病害發(fā)生方面的效果評(píng)分，采用百分制。從遼寧省干線公路瀝青路面下封層技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)路線調(diào)研的結(jié)果來(lái)看，重點(diǎn)調(diào)研路線的百米推移率(Re)在0～14.3%之間，故當(dāng)Re為0%時(shí)，令Stui為100；當(dāng)Re為14.3%時(shí)，令Stui為0，當(dāng)Re介于0～14.3%之間時(shí)，按線性插值計(jì)算Stui；

Spi—抑制疲勞開裂方面的效果評(píng)分，根據(jù)評(píng)價(jià)路線的百米疲勞開裂率(Lf)來(lái)確定，進(jìn)行歸一化處理，采用百分制。由調(diào)研結(jié)果來(lái)看，對(duì)于全部實(shí)地調(diào)研路線，Lf在0～2.6之間，當(dāng)Lf為0時(shí)，令Spi為100；當(dāng)Lf為2.6時(shí)，令Spi為0；當(dāng)Lf介于0～2.6之間時(shí)，按線性插值計(jì)算Spi；

Sxin—現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研鉆芯取樣時(shí)確定的芯樣層間連接效果評(píng)分，采用百分制，其值等于芯樣層間連接狀況評(píng)分(Gs)；

λtui，λpi，λxin分別表示抑制推移病害發(fā)生效果、抑制縱向疲勞開裂效果、芯樣層間連接效果的評(píng)分系數(shù)。經(jīng)專家問卷討論，分別取0.2、0.3、0.5。

1.4.2結(jié)果和分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)研資料，按照式(3)得到三種層間處治技術(shù)(橡膠瀝青碎石下封層、乳化瀝青碎石封層及透層+粘層)的連接效果指數(shù)Mcon，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可知：橡膠瀝青碎石下封層的層間連接效果指數(shù)Mcon的平均值為49.96；乳化瀝青碎石封層的層間連接效果指數(shù)Mcon的平均值為35.91；透層+粘層的層間連接效果指數(shù)Mcon的平均值為33.44。乳化瀝青碎石封層及透層+粘層的層間連接效果指數(shù)的平均值分別為橡膠瀝青碎石封層層間連接效果指數(shù)的71.88%及66.93%，顯然橡膠瀝青碎石封層相比于乳化瀝青碎石封層以及透層+粘層，在提升層間連接性能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

表3 三種層間處治技術(shù)連接效果指數(shù)匯總表

2 橡膠瀝青碎石下封層及其它層間處治技術(shù)的層間連接性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理和方法

層間連接性能試驗(yàn)利用J100-1型巖石直剪儀進(jìn)行，試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)模型見圖1、圖2所示。

圖1 設(shè)橡膠瀝青碎石下封層的結(jié)構(gòu)模型

圖2 設(shè)透層+粘層的結(jié)構(gòu)模型

試驗(yàn)過程中首先需要對(duì)試件依次施加5組不同的豎向荷載(控制直剪儀豎向油壓表的讀數(shù)分別為0MPa、4MPa、8MPa、12MPa、16MPa)，然后逐漸增大水平荷載。加載速率的選用與瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)的相同，即50mm/min。隨著水平荷載的增加，當(dāng)剪切面達(dá)到最大剪切強(qiáng)度時(shí)，試件會(huì)沿著剪切面發(fā)生剪切破壞。

2.2 試驗(yàn)材料

室內(nèi)層間直接剪切試驗(yàn)的模型試件所需的材料類型有普通中粒式瀝青混凝土AC-16、水泥穩(wěn)定碎石、橡膠瀝青碎石封層材料及透層油(乳化瀝青PC-2)。具體試驗(yàn)原材料及試件的材料組成設(shè)計(jì)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)、《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)中的技術(shù)要求[3-4]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試件破壞時(shí)直接剪切儀的垂直壓力表讀數(shù)和水平壓力表讀數(shù)畫出剪應(yīng)力(τ)和正應(yīng)力(σ)的關(guān)系曲線，并用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，計(jì)算出剪切強(qiáng)度(τ)與正應(yīng)力(σ)的關(guān)系式和材料的摩擦系數(shù)φ。φ值越大，層間連接狀況越好。圖3、圖4和圖5分別為橡膠瀝青碎石下封層、乳化瀝青碎石封層及透層+粘層下σ-τ關(guān)系曲線。

圖3 橡膠瀝青碎石封層下的σ-τ關(guān)系曲線

圖4 透層+粘層下的σ-τ關(guān)系曲線

圖5 乳化瀝青碎石封層下的σ-τ關(guān)系曲線

由圖3、圖4、圖5可知，隨著正應(yīng)力的增加，層間抗剪強(qiáng)度不斷增大，三種層間處治技術(shù)下的σ-τ關(guān)系成正比例函數(shù)，計(jì)算出直線斜率，即橡膠瀝青碎石封層、乳化瀝青碎石封層和透層+粘層技術(shù)的摩擦系數(shù)(φ)，見表4。

表4 基面層間不同層間處治技術(shù)的摩擦系數(shù)(φ)

根據(jù)三種層間處治技術(shù)下的σ-τ曲線的擬合結(jié)果，可得當(dāng)三種層間處治技術(shù)應(yīng)用在基面層間時(shí)，正常荷載作用下的層間抗剪強(qiáng)度，如表5所示。

表5 基面層間不同層間處治技術(shù)的層間抗剪強(qiáng)度

由表4和表5可知：

(1)當(dāng)采用橡膠瀝青碎石封層時(shí)，層間摩擦系數(shù)最大，當(dāng)層間采用乳化瀝青碎石封層、透層+粘層時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間摩擦系數(shù)分別是層間采用橡膠瀝青碎石封層時(shí)的92.7%和85.2%。

(2)當(dāng)層間應(yīng)用橡膠瀝青碎石封層時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下層間抗剪強(qiáng)度最大。當(dāng)層間采用乳化瀝青碎石封層或透層+粘層時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)荷載下層間抗剪強(qiáng)度分別是層間采用橡膠瀝青碎石封層情況的91%及84%。

對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)橡膠瀝青碎石下封層等三種層間處治技術(shù)的層間連接性能評(píng)價(jià)的結(jié)論和室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)論可知，應(yīng)用橡膠瀝青碎石下封層技術(shù)，用于加強(qiáng)基層和面層的連接好于乳化瀝青碎石下封層技術(shù)，更優(yōu)于只做透層和粘層的處治方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)經(jīng)過對(duì)遼寧省干線公路瀝青路面大修工程中實(shí)施橡膠瀝青碎石封層及透層進(jìn)行層間連接效果調(diào)研及后評(píng)估表明，大修工程實(shí)施橡膠瀝青碎石封層的層間連接效果的整體情況優(yōu)于乳化瀝青碎石封層及透層+粘層。

(2)封層的層間連接性能試驗(yàn)研究表明，橡膠瀝青碎石封層的摩擦系數(shù)最大，層間抗剪強(qiáng)度最大，層間連接狀況最好；乳化瀝青碎石封層及透層+粘層與橡膠瀝青碎石封層相比，摩擦系數(shù)分別下降了7%和15%，層間抗剪強(qiáng)度分別下降了9%和16%。

(3)遼寧省干線公路瀝青路面大修工程中多實(shí)施透層來(lái)使瀝青面層和非瀝青材料基層相結(jié)合，通過實(shí)地調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)可知橡膠瀝青碎石下封層提高層間結(jié)合的能力明顯優(yōu)于其他層間處治技術(shù)，所以根據(jù)研究成果說明推廣橡膠瀝青碎石下封層在大修工程中的應(yīng)用具有實(shí)際的工程價(jià)值。