瀝青路面增強型基-面層層間黏結組合材料優選試驗研究

邸洪江，何宏智，尹顯輝，任東亞，艾長發

(1.河北雄安榮烏高速公路有限公司，河北 保定 071700；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；3.西南交通大學 道路工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是中國廣泛采用的典型路面結構，但其基-面層作為一種上下異質性結構組合，其層間黏結往往十分薄弱，常因此而誘發諸多病害[1-2]。為改善上下結構層因模量、變形能力和應力傳遞等方面的差異，需要高度重視其層間黏結[3]。而現有路面施工中，基-面層層間處置時較為粗糙，大多只有透層或封層等單一黏結材料[4-5]。面對日益增加的交通量，這種層間處置方式顯然難以滿足對路面結構整體性和長久性的要求，迫切需要對層間黏結進行加強。周澤洪[6-7]等通過室內試驗發現采用透層和防水黏結層相組合的層間黏結可以有效防止層間損壞，并在此基礎上探究了這種組合式層間黏結中不同粘層油和碎石粒徑及各自用量等對基-面層間抗剪強度的影響規律，同時，在考慮高溫損壞的條件下推薦了合理試驗溫度為60 ℃。

透層油作為基-面層層間的重要黏結材料，既可以加強基-面層層間結合，又可以固結保護基層表面以實現基層的封閉養生[8]。研發或選擇優質透層油非常重要，為此，DU[9]等研制了高滲透乳化瀝青作為加強基-面層層間黏結材料；張秋瑞[10]、杜本發[11]等研制了高黏乳化瀝青作為層間黏結的透層油材料；Mohan[12]為給施工中透層油類型的選擇提供依據，對6種透層油進行了強度和滲透性能的測試；武建民[13]根據“選擇性滲透”理念，通過加入各種外摻劑制備了更加有利于基-面層層間黏結的透層油產品。

為減少基層受水沖刷而產生唧漿病害，層間防水是層間的另一重要功能需求。為實現基-面層層間同時滿足黏結和防水兩個功能，國內外學者對路面層間防水黏結層進行了深入研究[5,14-20]。其中，張鋒[14]、Hicks[15]等針對橋面復合防水黏結層的性能進行了系列試驗研究；錢振東[16]對REAS防水黏結層進行了斜剪試驗，并基于能量分析法證明了其抗剪強度在凍融循環作用下呈拋物線型衰減；Kodippily[17]研究了碎石封層試件在側向循環荷載作用下的變形規律，確定碎石封層試件中氣孔分布的變化，并研究了封層中的黏結劑體積對其變形模式和沖刷行為的影響；張敏江[5]、張麗萍[18]等研究發現橡膠瀝青(碎石)封層具有優良的層間防水黏結效果；宋亮[19]、Li[20]等研究發現在封層中加入纖維進一步提高了層間拉拔和抗剪強度。

基于透層和防水黏結層各自的優點，綜合采用透層+防水黏結層的增強型層間黏結組合方案(下文簡稱透黏組合)，以同時實現基-面層層間的牢固黏結和優異防水功能。為此，許多學者從層間材料及用量、環境條件和施工工藝等方面開展了大量研究工作[6,21-25]，但已有研究重點關注層間材料變化、環境差異和施工方式不同而導致層間黏結性能的變化等方面，而對在不同環境條件下如何基于層間黏結性能進行層間黏結材料組合形式優選研究得不夠。

為此，本研究針對半剛性基層瀝青路面這一異質性結構，提出了采用“透黏組合式”黏結材料作為其層間黏結層，并通過低溫、常溫和高溫等不同環境溫度下的直接剪切和拉拔試驗，分析不同用量的透黏組合材料對基-面層層間力學性能的影響，以及溫度因素對層間黏結效應的影響，尋求不同區域環境下的增強型基-面層層間黏結適宜材料組合，以為基于區域環境溫度下的瀝青路面增強型基-面層層間黏結材料優化設計提供試驗支撐。

1 試驗材料及試件制備

1.1 試驗材料

研究中半剛性基層為水泥穩定碎石，水泥用量5.5%，瀝青面層為橡膠改性瀝青混合料ARHM-25，半剛性基層及面層所用礦質混合料級配如表1所示。基層和面層層間黏結材料選用透黏組合材料，其中，選用PC-2型乳化瀝青透層油作為透層材料，以纖維加強型橡膠改性瀝青碎石封層作為防水黏結層，黏層變量為橡膠改性瀝青，纖維為玻璃纖維。本次試驗中纖維用量參照文獻[26]，取為100 g/m2；碎石選用5～10 mm的單一粒徑石料，其灑布面積占總面積的55%～60%。

表1 基層和面層礦質混合料級配Tab.1 Gradation of mineral aggregate in base course and surface course

1.2 試件制備

利用上述材料制作由ARHM-25面層和水泥穩定碎石基層組成的復合試件樣本。制備復合試件時，采用碾壓法進行試件成型。首先，制作水泥穩定碎石基層，待基層養護好后，使用鋼刷和高壓水槍對基層表面進行清理，保證表面的潔凈；其次，在處理好的基層表面先灑布PC-2型乳化瀝青透層油，破乳后再灑布纖維加強型橡膠改性瀝青碎石封層；然后，待層間黏結層處理完畢，再倒入瀝青混合料ARHM-25成型上部面層結構；最后，采用直徑100 mm 的鉆芯機對整個模具中的復合試件進行試樣的鉆取，獲取試驗所用的圓柱體試件。復合試件的成型及鉆取過程如圖1所示。

圖1 試件成型示意圖Fig.1 Schematic diagram of molding of specimen

2 試驗方法及試驗方案

2.1 試驗方法

試驗采用直剪試驗與拉拔試驗，試驗中所用夾具均為團隊自行研制加工，以萬能試驗機作為動力設備，試驗示意圖如圖2所示。

圖2 直剪試驗和拉拔試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct shear test and pull-out test

試驗時，首先將鉆取的芯樣分批次置于溫控箱內保溫4 h；而后將控溫好的復合試件快速安裝到剪切或拉拔裝置上；最后利用萬能試驗機提供受力，以測試各組試件在不同溫度下的層間抗剪強度與拉拔強度。在測定復合試件層間抗剪強度時，其剪切速率取為50 mm/min；測定拉拔強度時，其拉拔速率取為10 mm/min。整個試件測試過程不超過2 min，保證試件在合格條件下完成測試。其中，各試驗條件下的平行試件數量為3個，且以3個平行試件測試結果的平均值作為試驗結果。

2.2 試驗方案

(1)不同層間組合方案

結合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[27]，試驗中以層間僅灑布透層油為對照組，其灑布量為1.1 L/m2。當采用透黏雙層組合時，PC-2型透層油取0.4，0.6和0.8 L/m2這3種用量，防水黏結層中橡膠改性瀝青取0，0.9和1.8 kg/m2這3種用量。依據上述兩種材料、3種用量情況，其層間透黏組合共設計了9種組合形式(見表2)，組合10為對照組。

表2 層間材料組合形式Tab.2 Combination forms of interlayer materials

(2)試驗溫度方案

溫度作為路面層間結構最關鍵的影響因素不容忽視[28]。為研究溫度對層間黏結性能的影響，本研究考慮低溫、常溫和高溫3種情況，試驗溫度取值范圍為-10～50 ℃，對應低溫、常溫和高溫3種典型溫度。分別對-10 ℃，25 ℃和50 ℃下的復合試件進行層間直剪和拉拔試驗，以探究不同溫度下的層間黏結強度變化規律。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

對表2中各層間組合在不同溫度下的層間抗剪和拉拔強度進行測試，結果如表3所示。

表3 各組合方案下的層間強度測試結果Tab.3 Test result of interlayer strength under each combination scheme

3.2 單一透層油對層間黏結性能的影響

為探明透層油對基-面層層間黏結性能的影響，對層間僅灑布PC-2透層油時的層間黏結強度進行測試，即表2中的組合1，4，7及10，對應的透層油灑布量為0.4，0.6，0.8和1.1 L/m2。在低溫、常溫和高溫下的層間抗剪和拉拔強度測試結果分別見圖3和圖4。

圖3 不同溫度條件下的層間抗剪強度Fig.3 Interlayer shear strength at each temperature

圖4 不同溫度條件下的層間拉拔強度Fig.4 Interlayer tensile strength at each temperature

由圖3、圖4可知：

(1)低溫、常溫條件下，復合試件的層間強度隨透層油用量的增加而呈現整體增長趨勢，且具有兩階段特征。對于層間抗剪強度，當透層油用量由0.4 L/m2增加至0.6 L/m2時，-10 ℃的強度增長緩慢，而25 ℃的增長迅速；當透層油用量由0.6 L/m2增加至1.1 L/m2時，-10 ℃及25 ℃的強度近乎呈相同趨勢線性增長。對于層間拉拔強度，其隨透層油用量的增加而增長的趨勢與層間抗剪強度有差異，當透層油用量由0.4 L/m2增加至0.6 L/m2時，-10 ℃ 及25 ℃的強度均增長迅速，而當透層油用量由0.6 L/m2增加至1.1 L/m2時，-10 ℃及25 ℃的增長緩慢。以上結果表明在低溫和常溫條件下，透層油用量的增加對復合試件的層間強度有提高作用，且以用量為0.6 L/m2為分界點形成強度增長兩階段特征。

(2)高溫條件下，復合試件的層間強度明顯低于低溫及常溫的，且隨透層油用量的增加呈先增后減趨勢，并存在以用量約為0.6 L/m2的特征分界點。當透層油用量小于0.6 L/m2時，層間抗剪強度緩慢增長，大于0.6 L/m2時，則呈下降趨勢；而對于層間拉拔強度，當透層油用量小于0.6 L/m2時，強度緩慢增長；透層油用量在0.6～0.8 L/m2時，強度幾乎沒有增長；當透層油用量大于0.8 L/m2時，強度呈下降趨勢。由此可見，在高溫條件下，透層油用量的持續增加對復合試件的層間抗剪及拉拔強度具有抑制作用。

綜上分析，溫度是影響層間透層油用量的關鍵因素，而高溫是影響層間黏結性能的決定性因素。為使高溫時的層間抗剪及拉拔強度更有保障，推薦基-面層層間PC-2型乳化瀝青單層透層油的適宜灑布量為0.6 L/m2。

3.3 “透黏組合”材料對層間黏結性能的影響

各“透黏組合”材料下的層間抗剪和拉拔強度測試結果分別如圖5、圖6所示。其中，組合1，4，7為單一透層油下的情況，其余各組為“透層+封層”的透黏組合下的情況。

圖5 各組合下的層間抗剪強度Fig.5 Interlayer shear strength under each combination

圖6 各組合下的層間拉拔強度Fig.6 Interlayer tensile strength under each combination

由圖5和圖6可知：

(1)當層間黏結材料由單一透層油變成“透層+封層”的透黏組合材料時，復合試件的層間抗剪和拉拔強度均大幅度提高，證明透黏組合材料明顯有利于增強基-面層層間黏結，進而提升基-面層層間黏結效果。

(2)將組合2和3、組合5和6及組合8和9分成3組進行對比，發現采用組合5和組合6時，各溫度條件下的層間抗剪強度和拉拔強度均大于其他兩組，說明當透層油用量為0.6 L/m2時再灑布橡膠改性瀝青碎石封層更有利于增強基-面層層間黏結。

(3)在上述(2)的基礎上，將組合5和組合6進行對比，即透層油用量固定為0.6 L/m2，橡膠改性瀝青碎石封層中的瀝青用量由0.9 kg/m2增至1.8 kg/m2時，低溫、常溫情況下的層間抗剪強度和拉拔強度均呈增長趨勢，而高溫情況下則呈下降趨勢。這說明即使基-面層層間黏結采用增強型的透黏組合材料，其材料用量在具體工程實踐中也應依據工程區域環境溫度特征而定。

3.4 層間適宜的透黏組合材料用量確定

綜合上述3.2節、3.3節的分析結果可知，溫度、層間材料及其用量對層間強度影響顯著，不同區域環境溫度下適宜的層間透黏組合材料用量不同。為保證基-面層層間有效黏結，在夏季無高溫地區，推薦適宜的層間黏結材料采用組合6，即采取層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為1.8 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強型層間黏結措施；在夏季炎熱高溫地區，推薦適宜的層間黏結材料采用組合5，即采取層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為0.9 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強型層間黏結措施。

3.5 層間材料對層間強度的溫度敏感性分析

為明晰層間材料對層間強度的具體影響程度，對層間組合材料進行不同溫度下的主效應分析，結果如表4所示。

表4 層間組合材料在不同溫度下對層間強度影響的顯著性Tab.4 Significance of influence degree of interlayer composite material on interlayer strength at each temperature

由表4可以看出：

(1)各情況下的P值均呈現出0.01水平的顯著性，說明透層油用量、封層瀝青用量以及兩者的交互作用均對不同溫度下的層間抗剪、拉拔強度有顯著性影響，也反映出層間材料的灑布量是影響基-面層層間黏結效果的重要因素。

(2)進一步通過F值可以判斷出各因素對層間強度的具體影響大小。在低溫情況下，封層瀝青用量對層間抗剪強度影響最大，透層油用量對層間拉拔強度影響最大；而在常溫、高溫情況下，封層瀝青用量對層間抗剪、拉拔強度影響均為最大。由于層間抗剪強度更加接近路面層間的真實受力，因此，在低溫和常溫情況下應更多考慮封層瀝青用量，在高溫下則要兼顧透層油及封層瀝青用量。

3.6 各方案下經濟效益分析

在前述研究中已經明確基-面層層間處置時透層油PC-2型乳化瀝青的最佳用量為0.6 L/m2，而防水黏結層中橡膠改性瀝青的最佳用量則存在夏季炎熱高溫地區(0.9 kg/m2)和夏季無高溫地區(1.8 kg/m2)兩種情況，為了進一步明確各“透黏組合式”層間黏結方案對建成后路面基-面層結構經濟效益的影響，分別對組合4，5和6各層間材料組合方案進行比較。

首先，對各方案下的單位成本進行統計，如表5所示(數據均由課題組所承接項目方提供)；其次，采用費用現值法(PC)[29]進行效益評價，計算公式如式(1)所示；最后，利用PC法中的壽命期最小公倍數法對各方案的可行性進行評價[30]。本研究中，方案組合4中沒有防水黏結層，假定其大修期為5 a，而對于含有防水黏結層的方案組合5和6，假定其大修期為8 a，則3種方案的大修期壽命最小公倍數為5×8=40 a，設基準收益率為12%，分別計算3種方案的費用現值，以最小值為原則，評價方案的優劣。3種方案組合下的現金流量如圖7所示，各組合方案下的費用現值計算結果如表6所示。

表5 各組合方案下的單位造價統計Tab.5 Statistics of unit cost under each combination scheme

表6 各組合方案下的費用現值計算Tab.6 Calculated cost under each combination scheme

圖7 三種方案組合下的現金流量圖Fig.7 Cash flows under 3 combination schemes

(1)

式中，COt為第t年的現金流出量；t為年份；n為項目壽命期或計算期；ic為基準收益率。

由表5、6和圖7可知：

(1)從經濟指標角度看，方案組合4～6的造價逐步提高，相比于無防水黏結層的組合4，有防水黏結層的組合5和6的造價成本分別提高約4.3%和7.2%，且加入防水黏結層后，結構的層間性能大幅上升。因此，防水黏結層的加入是必要的，且在無環境限制的條件下，方案組合5優于6。

(2)從效益指標角度看，PCA5

4 結論

(1)層間強度變化以透層油用量0.6 L/m2為特征分界點。低溫、常溫條件下，基-面層層間強度隨透層油用量的增加而增長，僅是特征分界點前后增長趨勢有差異；而高溫條件下，基-面層層間強度在特征分界點前隨透層油用量的增加而增長，在特征分界點之后則隨透層油用量的增長而下降。

(2)采用透黏組合材料明顯有利于增強基-面層層間黏結，提高基-面層層間黏結性能，且當透層油用量為0.6 L/m2時再灑布橡膠改性瀝青碎石封層更有利于增強基-面層層間黏結。

(3)為加強基-面層層間黏結，推薦采用增強型的透黏組合材料作為層間黏結材料，但具體用量應依據工程區域環境溫度特征而定；在低溫、常溫情況下應更多考慮封層瀝青用量，在高溫下則要兼顧透層油及封層瀝青用量。同時，推薦了基于區域環境溫度下的半剛性瀝青路面基-面層層間適宜黏結措施，在夏季無高溫地區，宜選用組合6，即：層間灑布用量為0.6 L/m2的PC-2型乳化瀝青透層油+瀝青用量為1.8 kg/m2的摻纖維橡膠改性瀝青碎石封層的增強型層間黏結措施；在夏季炎熱高溫地區，宜選用組合5，即：將組合6中的橡膠改性瀝青用量調整為0.9 kg/m2。

(4)對方案組合4，5和6進行經濟效益分析，組合5和6的造價及效益指標差異不大，且顯著優于組合4，在不考慮環境條件限制時，組合5的經濟效益最好，其次是組合6，最差是組合4。考慮環境因素如溫度時，組合6可以代替組合5。