水泥路面與瀝青加鋪層界面粘結性能影響因素研究

王濤 黃富斌 陳東

作者簡介：王?濤（1987—），高級工程師，主要從事道路工程設計工作。

文章選用了4種常用的界面粘結材料，在復合試件上同時施加法向應力和剪切應力，并分析法向應力和溫度耦合作用對粘結效果的影響，以探究界面粘結效果的主要影響因素。結果表明：溫度對粘結層的附著力有顯著影響，并在失效模式中起主導作用；乳化瀝青由于施工方法簡單且粘結效果好，被認為是最佳的界面粘結材料；損壞的界面仍然可以提供相當大的結合強度；交通荷載產生的法向應力有利于界面粘結強度的形成，尤其是在較低溫度下。研究成果可為“白改黑”路面結構設計提供參考。

水泥路面；瀝青加鋪層；白改黑；界面；粘結性能

U416.22A110395

0?引言

水泥路面是我國曾經主要的路面結構形式，目前仍存在較大體量，在經濟發展過程中發揮了不可替代的作用。但隨著交通量不斷提高，路面所承受的交通荷載急劇增加，水泥路面逐漸出現裂縫、破碎板、錯臺、脫空等病害，嚴重影響行車舒適性和安全，所以水泥路面的養護維修是一項亟須進行的工作。

眾所周知，瀝青路面具有表面平整無接縫、行車振動小、開放交通快、后期維修方便等優點。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017）的相關規定，當水泥混凝土路面損傷為良及以上時，可經簡單局部處理后直接加鋪瀝青面層，充分利用舊水泥面板的殘余強度，提升舊水泥路面的使用性能［1］。然而這種在高模量水泥路面上直接加鋪低模量瀝青面層的方式會形成較大的模量差異，這就會造成加鋪后的復合路面出現車轍、推移、擁包、層間破壞等問題［2］。

目前國內外對于直接加鋪瀝青層進行“白改黑”的研究大多集中在防止反射裂縫和復合結構數值模擬分析方面，在界面粘結的影響因素和相關試驗方法方面的研究很少［3］。2008年LENG等進行了一系列正交試驗，通過對比得出SS-1hP瀝青乳液的界面粘結效果優于RC-70稀釋瀝青，較低的溫度有利于界面粘結強度的形成等［4］；2012年張太忠等［5］研究顯示加鋪層厚度是影響界面間剪應力的最大因素，增大加鋪層厚度可顯著提升抗剪強度，若出現嚴重超載現象，則剪應力可達到加鋪層的極限抗剪強度，同時指出溶劑型防水涂料的界面粘結能力較強；2013年原寶盛等［6］采用Ansys軟件建立了復合路面的三維有限元模型，通過模型得出降低加鋪層底的最大主應力σ1、最大剪應力τmax、等效應力σe等力學指標可通過增加加鋪層厚度的方式進行，對比選擇7 cm AM-20瀝青碎石+2.5 cm應力吸收層為最佳的防反射裂縫措施；2015年呂松濤等［7］基于彈性層狀體系計算得到最大剪應力位于瀝青加鋪層內，進一步基于摩爾-庫[HJ1.45mm]

倫定律發現在對數坐標中最大剪應力與加鋪層厚度和等效模量間呈線性相關，以等效結構下的最大剪應力為設計指標是一種步驟簡單且精度高的設計方法；2016年馬強［8］采用復合試件模擬測定實際“白改黑”復合路面的抗剪切性能，試驗結果表明層間抗剪強度與水泥板表面粗糙程度相關，推薦毛面時粘層油的最佳灑布量為1.0 kg/m2，環氧改性陽離子乳化瀝青的粘結對水穩定性的改善效果最好；2017年楊芳［9］在水泥路面“白改黑”設計時提出了一層冷拌聯結層加瀝青面層的創新設計理念，并在省道改造時以試驗段的形式進行性能驗證，經過長期觀測和性能檢測證明該設計思路高效可行；2020年馬凌等［10］發明了基于拉剪復合作用的復合梁抗疲勞試驗和復合板抗反射裂縫試驗，并在反復試驗中發現抗裂貼+橡膠瀝青碎石封層的界面組合材料在各性能方面表現優異。

本研究在復合試件上同時施加法向應力和剪切應力，分析法向應力和溫度耦合作用對水泥路面直接加鋪瀝青面層界面粘結效果的影響，探究界面粘結效果的主要影響因素。

1?原材料及試件制備

1.1?原材料

本研究選用4種類型的界面粘結材料進行試驗研究，各粘結材料或蒸發殘留物的常規性能和最佳灑布量見下頁表1。其中最佳灑布量根據施工現場和室內試驗綜合確定。

1.2?試件制備

為模擬舊水泥路面直接加鋪瀝青面層的實際受力情況，本研究制備一種圓柱形復合試件用于室內試驗。在20 cm厚舊水泥路面上鉆取圓柱形芯樣，根據截面面積和最佳灑布量進行界面粘結材料的灑布，然后在旋轉壓實儀上將設計好的熱拌瀝青混合料壓實在圓柱形水泥芯樣上，瀝青層厚度為4 cm。

2?試驗方法及評價指標

2.1?試驗方法

考慮到法向應力對界面粘結的影響，特選用萬能試驗機MTS通過液壓制動器在水平方向上施加法向應力。試驗時采用位移控制模式，以2.5 mm/min的恒定剪切速率在加載板上施加剪切力。環境箱能夠準確提供試驗所需溫度條件，試驗溫度分別為0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃，法向應力為0 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa，復合試件加載示意圖見圖1。

2.2?評價指標

2.2.1?抗剪強度

根據已有研究成果可知，直接剪切試驗有兩條典型的剪切應力-位移曲線，分別代表脆性破壞和塑性破壞，如圖2所示。對于脆性破壞，其剪切應力峰值對應剪切強度，而塑性破壞剪切應力始終沒有明顯的下降趨勢，未表現出明顯的峰值。進一步分析后，使用剪切位移為5 mm時的剪切應力作為塑性破壞的剪切強度，界面粘結材料的剪切強度見式（1）。

2.2.2?界面粘結系數

界面粘結系數K是表征界面粘結抗剪切能力的重要參數，可根據式（2）計算得到：K值越大則界面粘結越傾向于脆性破壞，K值越小表明界面粘結越容易發生塑性破壞。

2.2.3?殘余抗剪強度和殘余強度比

本研究定義殘余強度為剪切試驗位移為10 mm時的剪切應力，殘余強度與抗剪強度的比值為殘余強度比R，如式（3）所示。在大多數情況下，脆性破壞的R均＜1，但塑性破壞的R也可以＞1。

3?試驗結果與討論

3.1?確定最佳界面粘結材料

由圖3和圖4變化趨勢可知，界面粘結失效與試驗溫度密切相關。低溫易導致脆性破壞和產生較高的剪切強度，而高溫時正好相反。對于煤油稀釋瀝青，無論是15 ℃還是45 ℃，界面粘結都表現出塑性破壞。這是因為煤油稀釋瀝青的附著力較弱，塑性變形較好，界面粘結很可能形成滾動摩擦。另外，在15 ℃時粘結層抗剪強度由高到低排序為陰離子乳化瀝青＞橡膠瀝青＞基質瀝青＞煤油稀釋瀝青，煤油稀釋瀝青的抗剪強度明顯低于其他瀝青；在45 ℃時大小排序為基質瀝青＞煤油稀釋瀝青＞橡膠瀝青＞陰離子乳化瀝青，這與15 ℃時的結果明顯不一致。

圖5～8分別為抗剪強度τmax、界面粘結系數K、殘余抗剪強度τR、殘余強度比R的試驗結果。

由圖5可知，陰離子乳化瀝青在低溫（15 ℃）下表現出最高的抗剪強度，其次是橡膠瀝青，然后是基質瀝青，最后是煤油稀釋瀝青。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的抗剪強度在高溫（45 ℃）下變小，而基質瀝青和煤油稀釋瀝青的抗剪性能更好。這表明溫度對粘結層的粘結性能起著重要作用，在低溫下抗剪性能較好的粘結材料在高溫下可能無法提供類似的粘結性能。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的粘結性能對溫度變化更為敏感。

由圖6可知，低溫時陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質瀝青的K值較高，高溫時所有粘結材料K值會顯著降低，進一步分析得出脆性破壞試樣的K值均高于塑性破壞試樣，塑性破壞K值可能小于某一閾值。

殘余抗剪強度τR和殘余強度比R用于表征粘結界面受損后是否仍能提供一定抗剪強度。由圖7可知，剪切強度較高的粘結材料可能具有較高的殘余強度，同時具有較高的殘余強度比，圖8殘余強度比試驗數據正好驗證上述推斷。15 ℃和45 ℃的最小殘留強度比分別為52.6%和85%，瀝青層和舊水泥板界面粘結失效后（產生較大的相對位移）仍可提供良好的粘結能力。所以溫度是影響粘結材料界面粘結的重要因素之一，并且界面粘結失效后仍可提供相當大的粘結強度，陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質瀝青是三種合適的界面粘結材料，進一步考慮施工便捷性，推薦乳化瀝青為最佳的粘結材料。

3.2?法向應力和溫度對界面粘結的耦合效應

3.2.1?法向應力的影響

表2為乳化瀝青不同法向應力和溫度耦合下的剪切試驗結果。由于0 ℃和1.5 MPa法向應力耦合作用下剪切強度太高，超出試驗設備量程，所以未列出相關結果。綜合數據可知，0 ℃時的剪切強度隨法向應力的增加而增加，這時界面粘結非常牢固，因此在大多數情況下都能滿足粘合要求。15 ℃時法向應力對粘結強度的影響更為顯著，當其從0.5 MPa升至1.0 MPa時，剪切強度增加了49.3%，從1.0 MPa升至1.5 MPa時，抗剪強度提高46.2%，然而法向應力對界面粘結增強作用隨溫度的升高而減弱。當法向應力＜0.5 MPa時，其對剪切強度的影響非常有限。

圖9～11為其他參數隨法向應力的變化趨勢。以30 ℃溫度為例，剪切強度和殘余剪切強度均與法向應力呈正比例關系。當法向應力從0 MPa增加到1.5 MPa時，剪切強度從0.26增加到1.17 MPa，殘余強度從0.13 MPa增加到1.03 MPa，而界面粘結系數K隨法向應力先減小后增加再減小。殘余強度比同樣與法向應力呈正相關，當法向應力從0 MPa增加到0.5 MPa時，殘余強度比從50%迅速增加到81.08%。

總之，法向應力有利于界面粘結強度的形成，尤其在較低溫度下。較高法向應力可以增加殘余強度和殘余強度比，但通常對界面粘結失效模式的影響較有限。

3.2.2?溫度的影響

根據不同試驗條件下的剪切強度-位移曲線可知，隨著溫度升高，曲線的峰逐漸消失，這說明溫度與界面粘結的破壞模式有關，低溫容易導致脆性破壞，高溫只會發生塑性破壞。此外，無論法向應力如何變化，高溫都會顯著降低抗剪強度。

以1.0 MPa法向應力為例，抗剪強度和界面粘結系數指標均隨溫度的升高而降低，而殘余剪切強度在整個溫度范圍內基本無變化，這表明溫度可能不會影響殘余強度。殘余強度比隨溫度的升高而增大，這是因為在高溫下更容易發生塑性破壞，導致較高的殘余強度比。

總之，較高的溫度會降低剪切強度和界面粘結系數，其在界面粘結失效模式中起主導作用，高溫下更容易發生塑性破壞，但在低溫下更傾向于發生脆性破壞。

4?結語

（1）溫度對界面粘結材料的粘結能力有顯著影響。低溫下具有較高剪切強度的粘結層在高溫下可能不會提供接近的界面粘結強度，乳化瀝青由于其施工方便而被推薦為最佳的界面粘結材料。

（2）界面粘結在失效后仍能夠提供相當大的結合強度，這表明受損的界面仍可發揮一定作用，界面粘結系數可作為區分界面粘結失效模式的指標。

（3）在較低溫度下，法向應力有利于界面粘結強度的形成。較高的法向應力可以增加殘余剪切強度和殘余強度比，但對界面粘結破壞模式的影響非常有限。同樣，在一定法向應力下，溫度對界面粘結有顯著影響，并在界面粘結失效模式中起主導作用。高溫下更易發生塑性破壞，而在低溫下更傾向于發生脆性破壞。

參考文獻

［1］HAN B，LING J，SHU X，et al. Quantifying the effects of geogrid reinforcement in unbound granular base ［J］. Geotextiles and Geomembrane，2019（47）：369-376.

［2］LING J，WEI F，ZHAO H，et al. Analysis of airfield composite pavement responses using fullscale accelerated pavement testing and finite elementmethod［J］. Construction and Building Materials，2019（212）：596-606.

［3］CHUN S，KIM K，GREENE J，et al. Evaluation of interlayer bonding condition on structural response characteristics of asphalt pavement using finite element analysis and full-scale field tests［J］. Construction and Building Materials，2015（96）：307-318.

［4］LENG Z，OZER H. Interface bonding between hot-mix asphalt and various Portland cement concrete surfaces［J］. Journal of the Transportation Research Board，2008（1）：46-53.

［5］張太忠.瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應力分析［J］.公路，2012，10（10）：41-43.

［6］原寶盛，彭余華，高明明.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層荷載應力分析［J］.中外公路，2013，33（2）：55-59.

［7］呂松濤，樊國鵬，楊?勇，等.基于等效彈性半空間的舊水泥路面瀝青加鋪層設計簡化方法［J］.長沙理工大學學報（自然科學版），2015，12（4）：1-6.

［8］馬?強.“白改黑”路面層間抗剪切性能影響因素試驗研究［J］.中外公路，2016，36（4）：86-90.

［9］楊?芳.水泥路面“白改黑”高性能乳化瀝青冷拌聯結層技術應用［J］.福建交通科技（道路工程），2017（2）：36-39.

［10］馬?凌，蔣朝旭.農村公路水泥板塊“白改黑”界面材料性能研究［J］.中國公路，2020，20（34）：106-107.