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

(沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168)

0 引言

無機結合料穩定類基層瀝青路面因其整體強度大、抗永久變形能力強、能適應重交通，已成為干線公路路面結構的主要形式，但由于無機結合料穩定材料基層和瀝青混合料面層的材料類型差異性較大，變形協調能力差，造成層間連接性能差，導致在使用過程中發生層間滑移，以及過早出現路面疲勞開裂現象[1-2]。為了解決這個問題，目前人們多在瀝青混合料面層與無機結合料穩定材料基層之間實施橡膠瀝青碎石封層、乳化瀝青碎石封層等下封層技術，以此加強層間連接。并開展了各類下封層材料性能、材料配合比方面的研究，同時利用室內剪切試驗，研究了不同下封層材料的抗剪切性能，但現有的研究還不能明確地給出各種下封層技術在實際工程的應用效果。

為此，基于近年來遼寧省大修工程實施下封層技術的應用情況，選擇典型路線開展實地調研，分析并提出了層間連接效果指數(Mcon)來比較橡膠瀝青碎石封層與其它層間處治技術在加強層間連接方面的實際應用效果，開展室內層間直接剪切試驗研究，比較不同下封層技術的層間連接性能，綜合實地調研結果及室內試驗結論明確橡膠瀝青碎石封層相比于其它層間處治技術在提高層間連接性能方面的優勢。

1 橡膠瀝青碎石下封層及其它層間處治技術的層間連接性能調研及評價

1.1 實地調研路線的確定

為了使實地調研路線具有代表性，在全省范圍不同的瀝青路面使用性能分區內選擇路線，最后選擇10條乳化瀝青碎石下封層，3條實施透層+粘層及5條實施橡膠瀝青碎石下封層的大修路線進行重點調研。調研路線具體信息見表1。

表1 實地調研路線的基本信息

1.2 層間連接性能技術指標及分析

影響各種下封層技術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論。這些因素可以劃分為四個方面：和層間連接性能相關的路面病害情況；調研路線已經作用的交通量大小；現場路面鉆芯取樣面層和基層的連接狀況；調研路線路面結構情況。

(1)路面病害技術指標

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

①百米疲勞開裂率(Lf)

百米疲勞開裂率反映結構性病害面積與統計范圍內總面積的百分比，計算公式見式(1)。

(1)

式中，Lf—百米疲勞開裂率(%)；

A1、k1—百米路面內單條縱向裂縫折算的開裂面積(m2)和折減系數；

A2、k2—百米路面內網裂面積(m2)和折減系數；

A3、k3—百米路面內龜裂面積(m2)和折減系數；

k1、k2、k3的取值按照《公路技術狀況評定標準》(JTG H20-2007)中確定的取值方法確定；

A—百米內路面的總面積(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)

評價路段設計車道已經作用過的大型客車和貨車數量，單位106輛。

(3)芯樣連接狀況評分(Gs)

鉆芯取樣，觀測層間連接狀態，對芯樣連接狀況進行的評分。

(4)路面結構狀況

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

1.3 調研結果

根據以上反映層間連接性能的指標分析，經過現場實地調研得到遼寧省干線公路大修工程中重點路線調研指標計算結果見表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，差異無統計學意義（P＞0.05），表示兩組間能夠對比。

表2 大修工程中重點路線層間處治技術調研指標匯總表

1.4 橡膠瀝青碎石下封層技術應用效果評價

1.4.1評價指標的提出

為了對遼寧省干線公路瀝青路面下封層技術應用重點路線調研的結果進行評估，定量評價下封層技術應用的層間連接作用效果，提出瀝青路面下封層技術層間連接效果指數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，該參數根據所調查路線交通量與所有調查路線交通量最大值的比值而定；

ηth—面層厚度影響系數，按式(4)計算。

(4)

式中，hmin—調研路線中面層(或加鋪層)厚度的最小值(cm)；

h—評價路段面層(或加鋪層)的厚度。

式(3)中，Stui—下封層技術在抑制推移病害發生方面的效果評分，采用百分制。從遼寧省干線公路瀝青路面下封層技術應用重點路線調研的結果來看，重點調研路線的百米推移率(Re)在0～14.3%之間，故當Re為0%時，令Stui為100；當Re為14.3%時，令Stui為0，當Re介于0～14.3%之間時，按線性插值計算Stui；

Spi—抑制疲勞開裂方面的效果評分，根據評價路線的百米疲勞開裂率(Lf)來確定，進行歸一化處理，采用百分制。由調研結果來看，對于全部實地調研路線，Lf在0～2.6之間，當Lf為0時，令Spi為100；當Lf為2.6時，令Spi為0；當Lf介于0～2.6之間時，按線性插值計算Spi；

Sxin—現場調研鉆芯取樣時確定的芯樣層間連接效果評分，采用百分制，其值等于芯樣層間連接狀況評分(Gs)；

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

1.4.2結果和分析

根據實地調研資料，按照式(3)得到三種層間處治技術(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Mcon，計算結果見表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Mcon的平均值為35.91；透層+粘層的層間連接效果指數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的平均值分別為橡膠瀝青碎石封層層間連接效果指數的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勢。

表3 三種層間處治技術連接效果指數匯總表

2 橡膠瀝青碎石下封層及其它層間處治技術的層間連接性能試驗研究

2.1 試驗原理和方法

層間連接性能試驗利用J100-1型巖石直剪儀進行，試驗路面結構模型見圖1、圖2所示。

圖1 設橡膠瀝青碎石下封層的結構模型

圖2 設透層+粘層的結構模型

試驗過程中首先需要對試件依次施加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定度試驗及劈裂試驗的相同，即50mm/min。隨著水平荷載的增加，當剪切面達到最大剪切強度時，試件會沿著剪切面發生剪切破壞。

2.2 試驗材料

室內層間直接剪切試驗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)。具體試驗原材料及試件的材料組成設計均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)、《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)中的技術要求[3-4]。

2.3 試驗結果

根據試件破壞時直接剪切儀的垂直壓力表讀數和水平壓力表讀數畫出剪應力(τ)和正應力(σ)的關系曲線，并用最小二乘法進行直線擬合，計算出剪切強度(τ)與正應力(σ)的關系式和材料的摩擦系數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關系曲線。

圖3 橡膠瀝青碎石封層下的σ-τ關系曲線

圖4 透層+粘層下的σ-τ關系曲線

圖5 乳化瀝青碎石封層下的σ-τ關系曲線

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

表4 基面層間不同層間處治技術的摩擦系數(φ)

根據三種層間處治技術下的σ-τ曲線的擬合結果，可得當三種層間處治技術應用在基面層間時，正常荷載作用下的層間抗剪強度，如表5所示。

表5 基面層間不同層間處治技術的層間抗剪強度

由表4和表5可知：

(1)當采用橡膠瀝青碎石封層時，層間摩擦系數最大，當層間采用乳化瀝青碎石封層、透層+粘層時，結構的層間摩擦系數分別是層間采用橡膠瀝青碎石封層時的92.7%和85.2%。

(2)當層間應用橡膠瀝青碎石封層時，標準荷載作用下層間抗剪強度最大。當層間采用乳化瀝青碎石封層或透層+粘層時，標準荷載下層間抗剪強度分別是層間采用橡膠瀝青碎石封層情況的91%及84%。

對比現場橡膠瀝青碎石下封層等三種層間處治技術的層間連接性能評價的結論和室內模型試驗結論可知，應用橡膠瀝青碎石下封層技術，用于加強基層和面層的連接好于乳化瀝青碎石下封層技術，更優于只做透層和粘層的處治方法。

3 結束語

(1)經過對遼寧省干線公路瀝青路面大修工程中實施橡膠瀝青碎石封層及透層進行層間連接效果調研及后評估表明，大修工程實施橡膠瀝青碎石封層的層間連接效果的整體情況優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研究表明，橡膠瀝青碎石封層的摩擦系數最大，層間抗剪強度最大，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，摩擦系數分別下降了7%和15%，層間抗剪強度分別下降了9%和16%。

(3)遼寧省干線公路瀝青路面大修工程中多實施透層來使瀝青面層和非瀝青材料基層相結合，通過實地調研、室內試驗可知橡膠瀝青碎石下封層提高層間結合的能力明顯優于其他層間處治技術，所以根據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用具有實際的工程價值。