長壽命路面結構層間處治方案及黏結性能

石長洪，鄭 俞，嚴二虎，楊 毅，劉軍海

(1. 中交第二公路工程局有限公司, 陜西 西安 710061；2. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；3. 合肥明巢高速公路有限公司，安徽 合肥 231699)

0 引言

我國已建成世界上最大的高速公路網和世界第2大的公路網，其中瀝青路面為主要的路面結構形式。我國的高速公路瀝青路面設計壽命普遍為15 a，大部分舊瀝青路面已經進入大中修期，產生了大量的擴容改建工程，且隨著現代化建設進程的不斷深入，高速公路網密度還在不斷加大。因此，發展長壽命路面結構可以有效緩解這一問題，進而減緩道路進入大中修期，提升道路服役壽命[1-2]。此外，瀝青路面的建設和養護需要消耗大量資源，且造成環境污染。長壽命路面結構通過延長道路使用年限減少資源利用，降低二氧化碳等物質的排放，符合“碳達峰、碳中和”理念，有效助力“雙碳”目標的實現[3]。

國內外眾多學者[4-5]針對長壽命路面結構進行了研究，主要集中在路面結構設計理論與方法、路面材料耐久性、長壽命路面的養護與管理等方面。隨著長壽命路面結構的研究不斷深入，材料與結構設計方法趨于成熟，然而長壽命路面結構層間黏結問題卻研究較少。瀝青路面設計采用雙圓均布荷載作用下的多層彈性連續體系理論，然而實際路面結構中層間接觸為不完全連續狀態。由于不同層位間材料特性及黏結狀態的差異，路面在服役過程中，層間易發生黏結失效，進而導致反射裂縫等病害的產生，降低路面使用壽命[6]。因此，為了保證層間的良好黏結狀態，緩解不同層位間模量的突變，瀝青路面層間往往會鋪灑黏層油，但是仍存在大量因為黏層材料黏結性能差而導致的病害[7- 8]。

目前，關于瀝青路面層間黏結的研究主要針對普通瀝青路面，集中在黏層油材料設計、層間黏結性能測試以及層間力學狀態分析等方面[9-10]。黏層油材料設計方面，劉麗[11]采用3種黏層油材料，分別為普通熱瀝青、乳化瀝青和改性乳化瀝青，進而針對黏層油種類、用量、溫度、浸水、凍融等因素展開了研究，研究結果指出溫度顯著影響不同黏層油的最佳用量。孫妮[12]通過制備SBS與SBR改性乳化瀝青黏層油，分析層間黏結技術指標，研究指出SBS改性乳化瀝青具有更好的黏結性能。黏結性能測試方面，Metcalf等[13]采用直剪試驗測試了不同溫度、加載形式下層間剪切模量、剪應力、摩擦系數的變化。Yetkin等[14]同樣利用直剪試驗測試了不同黏層油噴灑量對層間黏結性能的影響，并得到了最佳的黏層油用量。俄廣迅等[15]利用UTM-100對不同黏層油用量的試件進行了直剪試驗，并研究了水、溫度等因素對層間抗剪強度的影響。此外，斜剪試驗也被眾多學者用于層間黏結性能的測試[16]。層間力學狀態分析方面，眾多研究基于彈性層狀體系理論，建立考慮層間不連續接觸條件的路面力學模型，進而求解路面受力狀態。艾長發等[17]采用有限元分析軟件建立考慮層間接觸狀態的路面數值模型，并分析不同溫度場及荷載作用下的層間接觸狀態，結果表示高溫環境下層間力學指標響應更大。嚴二虎等[18]通過數值分析的方法研究了不同層間界面下瀝青面層受力狀態的變化，研究結果表明瀝青路面不同層位間的層間剪應力、拉應力分布情況存在明顯差異。

綜上所述，瀝青路面層間黏結性能逐漸被國內外學者關注，然而針對長壽命路面結構的層間性能研究相對較少，且多數研究采用室內試驗或數值模擬等方法與真實路面狀態存在較大差異，黏層材料以乳化瀝青為主，層間黏結性能評價方法以直剪試驗為主。本研究考慮實際工程中長壽命路面結構設計，利用乳化瀝青、橡膠瀝青、玻璃纖維、級配碎石等材料，分別對上面層與中面層和中面層與下面層層間選取不同的層間處治方案，鋪筑試驗路段，進而通過鉆芯取樣獲得不同方案的層間黏結試件；設計了直剪試驗和應力消散試驗方法及指標，通過對不同層間處治方案的直剪試驗及應力消散試驗結果進行分析，研究性能最優的長壽命路面層間處治方案，并分析碎石粒徑、碎石用量、溫度以及特殊施工環境對層間黏結性能的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 層間黏結處治方案

為了滿足長壽命路面設計需求，獲得性能更優的層間黏結狀態，針對不同面層層間受力狀態和性能需求的差異，在本研究中，上面層與中面層層間選用30%摻量的橡膠改性瀝青、玻璃纖維、碎石制備纖維抗裂型橡膠改性瀝青防水黏結層，中面層與下面層層間選用不黏輪乳化瀝青制備不黏輪乳化瀝青黏層。選取的橡膠瀝青性能指標如表1所示，不黏輪乳化瀝青性能指標如表2所示，層間黏結處治方案如表3所示，其中冷白在常溫下鋪灑碎石，熱白表示將碎石加熱至105 ℃后鋪灑。由于實際工程中層間往往會鋪灑一定量的級配碎石保證層間的強度，因此本研究設計了不同碎石粒徑的層間處治方案，研究碎石粒徑對層間黏結性能的影響。此外，部分方案通過加水、砂和泥模擬下雨等特殊條件下的施工，研究惡劣環境對層間黏結性能的影響。

表1 橡膠瀝青性能指標

表2 不黏輪乳化瀝青性能指標

表3 層間處治方案

續表3

1.2 長壽命路面結構試驗路

本研究設計了1種典型的長壽命路面結構，如圖1所示。上面層采用4 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-13)，中面層采用8 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-20)，下面層采用12 cm橡膠改性瀝青混凝土(ARHM-25)，且均為高摻量橡膠粉改性瀝青，從上面層到下面層的橡膠粉摻量分別為30%，40%和50%。此外，將試驗路段劃分為不同區域，施工過程中對不同區域的面層層間鋪灑了不同方案的黏層材料。進行鉆芯取樣獲得不同黏層處治方案的試件，路面芯樣應具有完整的路面結構，各層材料不脫落，芯樣切縫光滑連續，通過切割制備直剪試驗及應力消散試驗試件。

圖1 長壽命路面結構示意圖

1.2.1 直剪試驗

本研究設計并開發了1種層間黏結強度試驗方法，通過對馬歇爾強度試驗儀進行改裝，使其能夠對路面鉆芯試件進行直剪試驗，測試層間黏結強度。首先對路面芯樣進行切割，分為上-中面層和中-下面層試件，在溫度為25 ℃的烘箱內保溫4 h，保溫結束后取出試件進行直剪試驗，加載速率為50 mm/min。當試驗荷載達到最大值的瞬間，試驗停止，記錄最大荷載，測量試件截面尺寸并記錄，最終計算層間黏結強度，如式(1)所示。每種黏層處治方案進行3組平行試驗，求其平均值作為最終的黏結強度指標數值。為探究不同溫度對黏結強度的影響，本研究選取其中部分方案進行了45 ℃和60 ℃ 的直剪試驗。

Dz=Fz/Sz，

(1)

式中，Dz為直剪試驗黏結強度；Fz為直剪試驗最大荷載；Sz為試件截面積。

1.2.2 應力消散試驗

本研究設計并開發了層間應力消散試驗方法及設備，應力消散試驗的試件是通過路面芯樣切割獲得的，試件切割流程及尺寸如圖2所示。首先將路面芯樣從中面層切開，分為上面層與中面層層間試件、中面層與下面層層間試件；進而切除圓弧部分材料，保留立方體部分材料；最后在試件下部分鉆孔，孔徑為5 mm，孔邊緣距層間1 cm，用于試驗夾具的放置，并在兩孔中間位置切縫，通過預制裂縫，研究層間應力消散性能。該試驗通過將加載模具放入鉆孔之中，分別對試件的左、右部分施加向左和向右的橫向力，測試試件層間抵抗變形的能力，試驗溫度為25 ℃，加載速率為0.017 mm/s，最終獲得試驗過程中的荷載及試件的變形量。應力消散試驗典型試驗結果如圖3所示，試驗初期，隨著試件變形量的不斷增加，荷載逐漸增大，而當荷載增大到某一極值后逐漸減小，峰值荷載的出現說明試件已經發生了破壞，試件的應力消散能指標可以通過曲線的面積和試件截面面積計算，如式(2)所示。

圖2 應力消散試驗試件制備

J=SAREA/(h·l)，

(2)

式中，J為應力消散能；SAREA為應力消散試驗中荷載變形曲線與坐標軸的面積，如圖3所示；h，l為試件尺寸，如圖2所示。

圖3 應力消散試驗荷載與變形曲線

2 層間黏結性能分析

2.1 層間處治方案的選取

按照前述試驗方法進行各層間處治方案25 ℃下的直剪試驗，試驗得到的最大荷載及計算得到的剪切強度值如圖4所示。從圖中可以看出，對于上面層與中面層層間，方案16與28的試件在直剪試驗過程中最大荷載顯著高于其他方案，而方案28的黏結強度值卻相對較低，這是由于鉆芯取樣過程中的誤差導致方案28試件的截面積大于其他方案試件，所以其直剪試驗的荷載較大而計算得到的黏結強度較低。方案16的最大荷載和黏結強度均顯著大于其他方案，該方案材料為橡膠瀝青、玻璃纖維以及9.5 mm 的碎石，通過預拌和材料，冷卻后常溫撒布在中面層上。

圖4 上面層與中面層層間剪切試驗結果

分析圖5可知，對于中面層與下面層層間，方案1的層間黏結性能顯著高于其他方案，該方案是直接鋪灑不黏輪乳化瀝青，說明了該瀝青對于層間強度具有顯著的提升效果。其余方案中，方案16和24具有較優的層間黏結強度，材料均為橡膠瀝青加碎石，說明了除了不黏輪乳化瀝青外，橡膠瀝青與碎石的方案同樣可以使得路面層間具有較優的黏結強度。

圖5 中面層與下面層層間剪切試驗結果

本研究得出了上面層與中面層、中面層與下面層不同的層間最優方案，這是由于瀝青路面上、中、下面層層厚不同導致不同的層間受力狀態不同，中面層與下面層層間易受到下面層反射裂縫的影響，而上面層與中面層層間易受到上面層由于車輛荷載導致的車轍與剪切破壞影響；此外，因上、中、下面層由于混合料級配的不同導致層間材料與面層材料界面特性存在差異，進而產生不同的層間黏結性能[18]。

2.2 碎石粒徑及用量對層間黏結性能的影響

為了分析對比碎石粒徑對層間黏結性能的影響，選取方案16，19，20和21 進行分析，如圖6(a)所示，隨著碎石粒徑的增加，層間黏結強度呈先增大后減小的趨勢，最優的粒徑為9.5 mm。造成該現象的原因可能是，當碎石粒徑較小時，石料之間的嵌擠作用較弱，而當碎石粒徑過大時，石料過于松散，難以形成強度。因此，在對層間進行碎石撒布處理時，應選擇適中的碎石粒徑，過大或過小均不利于層間黏結強度的形成。

選取方案2，3，4和5的直剪試驗結果分析對比碎石用量對層間黏結強度的影響。如圖6(b)所示，在橡膠瀝青用量不變的情況下，隨著碎石用量的增加，直剪試驗最大荷載與層間黏結強度值均呈先增大后降低的趨勢，且30.4 kg與20.3 kg的碎石用量試驗結果差異較小。此分析結果同樣說明了碎石的用量應在合理范圍之內，不宜過大或過小，碎石含量過大會導致橡膠瀝青無法完全包裹所有石料，進而導致黏結性能較差，而碎石含量過小會導致橡膠瀝青的含量相對增加，碎石間瀝青膜厚度過大，強度較低。

圖6 不同碎石粒徑及用量的層間方案試驗結果

2.3 溫度對層間黏結性能的影響

瀝青材料是一種典型的黏彈性材料，溫度對瀝青材料的特性產生重要影響。當溫度較高時，瀝青趨于黏性；而當溫度較低時，瀝青趨于彈性。本研究所選的層間黏結材料同樣是瀝青基材料，橡膠瀝青起主要是黏結作用，因此溫度會影響層間黏結性能。選取具有代表性的方案1，16，21，23，25和27的試件分別進行25，45 ℃和60 ℃的直剪試驗，試驗結果如圖7所示。分析該圖可知，隨著溫度的升高，所有方案的上面層與中面層層間和中面層與下面層層間黏結強度均下降，說明了溫度的升高導致層間瀝青變軟，黏結性能變差，碎石易松散，抗剪性能不足。此外，對于上面層與中面層層間而言，3個溫度下方案16的黏結強度均高于其他方案，而對于中面層與下面層層間而言，3個溫度下方案1的層間黏結強度均高于其他方案。通常夏季氣溫普遍在30 ℃以上，而路面內部溫度可能會達到60 ℃以上，此時路面層間黏結性能不足，易發生層間黏結失效，因此，夏季是層間黏結破壞的高發期。

圖7 不同溫度的直剪試驗結果

2.4 惡劣施工環境對層間黏結性能的影響

瀝青路面在施工過程中難免受到環境的影響，雨天或降雨后施工可能會導致層間存在水分的積聚，而水會導致瀝青與石料發生剝落，從而降低層間的黏結性能。此外，野外施工過程中，雨水往往會使得周圍環境中的泥土流入路面結構中，從而損害路面結構。黏層油的施工通常是灑布車在路面進行均勻鋪灑，而灑布車的車輪往往會帶有周圍環境的泥、砂，當這些雜質進入層間后，也會對層間性能造成影響。因此，本研究設計了含有水、泥、砂雜質的層間處治方案，用于模擬惡劣的施工環境，研究雜質對于層間黏結性能的影響，為提升施工環境、保障施工質量提供理論依據。方案1為對照組，不摻加任何雜質，方案5，6和7為試驗組，分別摻加砂、泥、水。圖8匯總了對照組和試驗組的直剪試驗結果，從圖中可以看出，摻入砂、泥、水的方案直剪試驗最大荷載和層間黏結強度均低于方案1，黏結強度相對于方案1分別下降了11%，14%和24%，說明了惡劣的施工環境會降低路面層間的黏結性能，因此在施工過程中因注意控制施工條件，盡量避免在特殊天氣下施工。進一步對比方案5，6和7可以發現，砂對于層間黏結性能的影響最小，而水的影響最大，說明了水是降低層間黏結性能的關鍵因素，因此在施工過程中要嚴格避免水分進入路面結構，雨天后的施工要對路面進行干燥處理，降低水分殘留的影響。

圖8 模擬惡劣環境下層間直剪試驗結果

3 應力消散試驗結果分析

選取方案1，7，16，17，23，24和25的路面芯樣試件進行切割制備上面層和中面層層間及中面層和下面層層間應力消散試件，在試驗溫度為25 ℃下分別進行應力消散試驗，試驗過程中變形荷載曲線如圖9所示，可以看出所有層間試件荷載均隨變形的增加呈先增加后降低的趨勢。通過式(2)計算得到各方案的應力消散能指標，結果如圖10所示。分析各方案應力消散能計算結果可以看出，對于上面層與中面層層間，方案16具有最高的應力消散能值，這與直剪試驗結果一致，說明了在實際路面結構中，方案16的層間可以更好地抵抗路面下部產生的應力，防止應力傳導至上面層而產生裂縫。方案7和方案17分別是在方案1和方案16的基礎上添加了一定量水，模擬惡劣的施工條件，可以看出，水的加入使得層間的應力消散性能大幅度降低，該結果同樣與直剪試驗結果一致。對于中面層和下面層層間，鋪灑不黏輪乳化瀝青的方案1具有最優的應力消散性能，方案24的層間應力消散性能同樣也優于剩余方案。通過對各方案應力消散能指標結果的分析可以看出，應力消散試驗得出的結論與直剪試驗較為一致，因此，本研究進一步分析應力消散能指標和黏結強度指標的相關性，如圖11所示。上面層和中面層層間及中面層和下面層層間應力消散能指標與黏結強度指標均呈現了一定的相關性，相關性R2分別為0.7和0.9，說明了應力消散試驗同樣可以反映層間的黏結性能，得到了與直剪試驗規律相同的結果。

圖9 應力消散試驗變形荷載曲線

圖10 應力消散試驗結果

圖11 應力消散能與黏結強度的相關性

4 結論

結合實際工程中長壽命路面結構和材料設計，本研究考慮不同面層受力狀態和材料性能需求的差異，分別針對上面層與中面層及中面層與下面層層間設計了30種層間處治方案，通過鋪筑試驗路，鉆芯取樣獲得不同方案的層間試件。基于本研究開發直剪試驗和應力消散試驗方法及指標對不同方案的層間黏結性能及應力消散性能進行分析，研究了碎石粒徑、用量、溫度、施工環境對層間黏結性能的影響，得出如下結論：

(1)對于上面層與中面層層間而言，使用橡膠瀝青、玻璃纖維和9.5 mm碎石的方案16具有最優的層間黏結強度和應力消散性能；對于中面層與下面層層間而言，使用不黏輪乳化瀝青的方案1具有最優的層間黏結強度和應力消散性能。

(2)碎石粒徑及用量對層間黏結性能產生影響，且存在最優的粒徑及用量范圍，過大和過小均降低層間性能；溫度的升高顯著降低層間黏結性能，說明了夏季層間易發生黏結失效；惡劣的施工環境也會降低層間黏結性能，其中水的影響最大，因此應盡量避免雨天施工或采取干燥措施。

(3)應力消散試驗計算得到的應力消散能指標與直剪試驗的黏結強度指標具有較高的相關性，說明了應力消散試驗可以作為層間黏結性能測試的一種試驗方法。