高速公路瀝青路面結構層層間粘接穩定性狀態研究*

黃 娟

(陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院,陜西西安 710018)

路面的層間粘接穩定性會直接影響到路面結構的計算結果,無論是何種類型的瀝青路面,結構層層間粘接狀態都會關聯到瀝青路面的使用年限。在進行高速公路瀝青路面設計時,會將瀝青路面的各結構層看作是連續的、均勻的,但是受實際施工技術和其他外部因素的影響,會出現各結構層不連續的問題,各層間粘接穩定性較差,在實際使用過程中,高速公路瀝青路面會出現龜裂、車轍等病害。針對此種情況,本文對高速公路瀝青路面結構層層間粘接穩定性進行了深入研究,旨在提升路面結構的穩定性和使用年限。

1 高速公路瀝青路面結構類型

1.1 全厚式瀝青路面

將顆粒集料、礦粉、瀝青按照比例進行調和,并將其加熱到既定溫度,將加熱后的材料拌和、攤鋪最后進行壓實,就可以得到全厚式瀝青路面[1]。此種瀝青路面的優點是路用性能相對穩定,但是應用熱拌熱鋪法制成的瀝青路面各層間處于完全粘接的狀態,因此對原料品質和制備方法都有著較高的要求。

1.2 組合式基層瀝青路面

此種瀝青路面的面層可分為三部分,分別為瀝青混凝土制成的面層、瀝青穩定碎石制成的基層和無機結合材料制成的底基層。為了提升穩定性,可以在半剛性基層上加鋪以鋪級配碎石為原料的過渡層[2]。該瀝青路面在剛投入使用時各層間是完全粘接的狀態,但是當半剛性層產生損傷時,各層間的粘接狀態也會隨之消失。

1.3 柔性基層瀝青路面

柔性基層瀝青路面由面層和基層兩部分構成,鑒于此種瀝青路面的材料是由顆粒狀材料集配而成,因此排水效果較差,容易因路面積水而造成損傷。但是擁有著更好的耐疲勞性,在使用過程中不易收縮、開裂。

1.4 半剛性基層瀝青路面

由于該路面的基層材料選用的是土類材料或是無機結合料,擁有良好的抗彎強度。因此半剛性基層瀝青路面不僅具備投入成本低、板體性好等優點,路面的整體穩定性、耐久性也值得信賴[3]。正式由于這些優點,我國在最初鋪設高速公路時,選用的都是這種瀝青路面,但是在實際使用過程中,此種瀝青路面的缺點也逐漸暴露出來,其半剛性基層的水滲透性能力較差,直接影響了基層和瀝青層之間的粘接效果。

為了更加直觀地展示不同類型的瀝青路面結構層層間粘接情況,整理了表1 以供參考。

表1 不同類型瀝青路面結構層之間的粘接狀況Table 1 Bonding conditions between structural layers of different types of asphalt pavement

2 不同類型的瀝青路面結構層層間粘接穩定性分析

在以往設計瀝青路面時,無論何種瀝青路面我們都將其結構層間的粘接狀況設定為完全粘接,但是這種設定顯然是不符合實際情況的,基于此種情況設計出的高速公路瀝青路面在實際使用過程中也無法打造預期的效果[4]。以下對不同類型的瀝青路面結構層層間粘接穩定性和強度進行具體分析。

2.1 半剛性層與半剛性層

通常情況下,水泥實際使用量、施工條件等外部因素都會對等溫壓縮系數造成影響,使其產生偏差,因此半剛性層的上、下結構層之間難以實現完全粘接。因此,為了確保層間粘接穩定性,兩個半剛性層應當同時施工,確保二者具備相同強度。但是在實際施工過程中,由于在鋪攤厚水泥穩定碎石時,要利用重力振動壓土機,因此要想完成同步施工難度是相對較大的。當半剛性層的強度超出7～8MPa 時,若剛度繼續變大,則瀝青路面的抗變形能力和層間粘接穩定性都會隨之降低。

2.2 級配碎石層和半剛性基層

2.2.1 上層為半剛性層,下層為級配碎石層

土基在完成施工后,會出現一定幅度的沉降,由于級配碎石層擁有良好的抗變形能力,因此內部的碎石材料會根據沉降狀況調整排列情況。原本經過夯實的碎石材料會出現松散的情況,緊密度有所下降。在施工過程中,也只能通過加強施工壓實度來改善因沉降造成的碎石排布松散的問題。基于此種情況,提出了下調級配碎石層的承載力的想法,但是應用此種方法后,兩結構層之間仍具備一定的粘接。

2.2.2 上層為級配碎石層,下層為半剛性層

半剛性層無論是強度或剛度都比級配碎石層要好,因此其塑性變形也極小,與此同時,位于上層的級配碎石層也具備更良好的適應力,此種路面可以更好地應對路基沉降問題。當半剛性基層為受到損傷時,級配碎石層擁有良好的排水效果,無論是路面積水或下滲雨水都能快速排出,層間的粘接穩定性也不受影響,此時可以將粘接狀態看作完全粘接[5]。

2.3 配礫石和級配礫石

級配礫石,是指將不同大小的碎石集料和石屑按照特定的比例進行混合、攪拌,同時要確保顆粒構成符合要求。在實際生產過程中,可以從多種渠道獲取碎石原料,就地取材就是一種常用的方式,加工好的混合料直接由機械進行推鋪,操作方法簡單。且由級配礫石打造的層面擁有良好的透水性和擴散應力,所以級配礫石和級配礫石間也可以看做是完全粘接的狀態。

2.4 瀝青穩定碎石層和半剛性層

當前常用的瀝青穩定碎石分為兩種,分別是ATB 密級和AM 半開級。ATB 密級,在性能上和半剛性基層類似,當出現路面積水或滲水情況時,水分需要很長時間才能進入結構層層間。造成這種情況的原因是因為此基層的瀝青層較厚,且位置相對較低,層間的剪應力略顯不足。單是二者的粘接狀態可以看作是完全粘接,制成的瀝青路面也更加耐用。若以AM 半開級為基層,則不會出現層間不連續的情況,排水性能得到顯著提升,粘接狀態也可以看作是完全粘接。

2.5 瀝青穩定碎石層和級配碎石層

利用瀝青的膠黏性來穩定碎石,這種基面礦粉少、強度低,碎石之間的孔隙率也較大。前文中已經提到,級配碎石層擁有良好的排水力,若加以透層和封層,其滲透力也會得到明顯提升。此外,瀝青穩定碎石和級配碎石都具備良好的變形力,受外界因素影響時適應力較強,所以層間狀態也可以當做完全粘接[6]。

2.6 瀝青面層和半剛性基層

通過實際應用效果來看,瀝青層面和干剛性基層之間的粘接效果較差,這也是阻礙其無法大規模鋪設的主要原因。當瀝青路面使用半剛性基層時,其自身具備緊密性好、強度高等特點,會導致下滲的積水無法通過,從而造成基層表面積水的情況。在行車荷載的作用下,基層表面會慢慢形成“灰漿”,瀝青面層和半剛性基層之間也不再粘接,若問題得不到解決,嚴重時還會出現“脫空”、“唧漿”等情況。

2.7 半剛性底基層和土基

在路基填土時,由于無法保證土質、土壤含水量的一致性,因此在填土工作完成后,會出現差異沉降量。其次,半剛性底層的抗變形能力較差,隨著高速公路的投入使用,差異沉降現象也會越來越嚴重,在半剛性底基層和土基之間會產生脫空區域。隨著技術的進步,土基的鋪就方法也得到了相應的改善。因為飽和軟土層處于地下水位的下方,在鋪就完成的初期,軟土層自身所帶的水分會承擔外部因素產生的附加應力,慢慢的壓力消散的時間也會隨之減少,有效應力的增長速度變快,沉降速度變低,半剛性底基層和土層之間的粘接也更加穩定。

2.8 級配礫石和土基

級配礫石基本都是由散體材料組成的,由于散體材料之間的孔隙較大,因此當土基發生沉降后,其結構也會隨之變的松散,但是這種差異沉降可以通過增加施工壓實度進行適當的緩解。當路基趨于穩定之后,受差異沉降消失的壓實度也會慢慢恢復,地基反應模量與設計之初的設定相符[7]。隨著使用年限的增長,級配礫石墊層的壓實度會逐年上升,相應的承載力也會有所提升,級配礫石和土基之間的粘接穩定性也更好。

2.9 瀝青層和瀝青層

瀝青層之間主要通過粘層油進行連接,且噴灑的粘層油具有較強的粘性和穩定性,如果不遭受嚴重的污染和破壞,其粘性可以維持很長一段時間,瀝青層之間的粘接狀態也可以看作為完全粘接。

為了更加直觀地了解各路面結構層的粘接情況,將其進行了總結,結果見表2。

表2 瀝青路面各結構層粘接情況總結表Table 2 Summary table of bonding situation of each structural layer of asphalt pavement

3 不同層間結合條件對瀝青路面層間粘接穩定性的影響

為了深入研究不同層間粘接狀態對高速公路瀝青路面產生的影響,設定了5 種結構類型進行對比,具體設定見表3。

表3 不同類型的瀝青路面結構組合表Table 3 Structure combination table of different types of asphalt pavement

完成結構組合后,將土基模量取值設定為35MPa,土基泊松比數值設定為0.35。半剛性層泊松比數值設定為0.35,土基泊松比數值設定為0.25。柔性結構層泊松比數值設定為0.3[8]。具體計算結果見表4。

表4 力學參數計算結果表Table 4 Calculation results of mechanical parameters

從表4 結果來看,當考慮不同粘接條件后,半剛性基層瀝青路面的粘接穩定性所受影響最大,混合式基層瀝青路面結構影響適中,對純柔性路面的層間粘接穩定性幾乎不產生影響。

4 結束語

瀝青路面結構層層間粘接穩定性是在進行結構設計時參考的重要因素,因此本文通過深度分析不同類型的瀝青路面各結構層層間的粘接狀態,計算出了更為合理的路面結構設計方法。通過實際分析,也使我們意識到在進行瀝青路面結構設計時應將各種外界影響因素考慮進去,提出最優設計方案,以此來確保各層間的穩定性。