基于层间剪切的沥青路面粘层力学性能研究＊

朱 俊 雷茂锦 张 航 朱耀庭

（江西省交通科学研究院1） 南昌 330038） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

0 引 言

沥青路面粘层与桥面防水材料粘层在作用原理及评价体系有相似之处，美国是最早开展桥面防水粘结层研究的国家之一，NCHRP在1976年发表的桥面防水报告中介绍了防水膜性能的室内评价方法［1］.在国外沥青路面设计规范中，对路面材料裂缝破坏现象的研究主要集中在层底拉应力的疲劳问题上，引入层间粘结疲劳的概念，以道路曲线段出现的自上而下的纵向裂缝（top－down cracking）为出发点，用三维有限元分析计算了重复水平荷载作用下路面层间结合疲劳性能，通过自行设计开发出层间结合双剪测试装置，进行了不同温度条件下的加速剪切加载试验，建立了剪切疲劳方程，评价了传统的层间结合类型的剪切疲劳特性，并进行路面分析和路面寿命评价［2－4］.

路面结构的层间状态对其使用性能有显著影响，层间状态光滑条件下的基层结构抗折强度、抗压强度、劈裂强度以及疲劳寿命都较层间连续状态下的要小，就受层间状态影响程度而言，早期抗压强度较后期强度更明显，而路面结构的抗折强度和疲劳寿命受路面层间状态的影响更为显著［5］.随着交通量和重型车辆的增加，由于层间损坏而发生的路面早期病害不仅妨碍了正常交通，影响路面美观，更易造成交通事故，也给维修、养护工作带来了很大的困难.因此，有必要对路面粘层开展剪切试验研究.

1 试验原理

沥青路面层间滑移、两层皮、坑槽和波浪拥包等病害是层间剪切强度不足造成的破坏，即因路面层间的抗剪切强度不足以抵抗剪切面上的剪应力，因而导致剪切变形急剧发展和累积而造成的破坏.这种路面层间抗剪切应力破坏的能力，称为路面层间抗剪强度.

在层间破坏的瞬间，层间接触面的剪应力数值等于层间界面的抗剪强度［6］，即

式中：τ为层间接触面的剪应力，MPa；τf为层间界面的抗剪强度，MPa；Pmax为最大水平剪切力，N；A为试样截面积，m2.式（1）就是层间应力状态达到极限应力状态，并据此来判断层间界面是否破坏.

已知一点的两个正交平面上的大、小主应力分别为σ1，σ3，则该点任意平面上法向压应力σ和剪应力τ可根据静立平衡条件求得：

直接剪切试验的原理是根据库伦定律，抗剪强度τf是剪切平面上法向应力σ的函数.试件的内摩擦力与剪切面上的法向应力成正比，将同一组试件分别在不同的法向应力作用下沿固定的剪切面直接施加水平剪切力直至试件破坏，得到剪坏时最大剪应力，即为抗剪强度，然后根据库伦定律确定试件层间材料参数c和φ值.工作原理见图1.

图1 剪切仪工作原理图

土体力学学者研究认为莫尔－库仑破坏理论解释土的破坏最成功［7］.对沥青路面各面层之间以及基层和面层间的剪切破坏，国内也有不少学者认为同样可以用莫尔－库仑破坏强度理论解释［8－10］，其表达式为：

式中：σ为剪切面的法向应力，MPa；φ为材料的内摩擦角，（°）；c为材料的粘聚力，MPa.

2 室内试验

2.1 试验方案

分别采用普通乳化沥青、SBS改性乳化沥青和掺加水泥的乳化沥青作为粘结层材料，层间结合料用量分别为0，0.2，0.4，0.6kg／m2旨在分析材料种类及用量对层间抗剪强度的影响规律.结合江西省湿热山区气候条件，夏季高温时，沥青混凝土路面的表面温度可以达到50℃，并且基本上可以保持2h以上，考虑高温对路面层间抗剪强度影响的最不利情况，取50℃作为路面表面的极端气温，同时结合瑞寻高速公路气候特点，本试验的试验温度设定为30，40和50℃.参照沥青混合料浸水马歇尔试验，将沥青混合料层间结合试件，在规定温度的恒温水槽中保温48h，然后测定其浸水剪切强度，以评定不同层间材料的水稳定性能.同时，为了模拟湿热地区的气候特性，将浸水温度选定为40和50℃.

2.2 试件成型

1）利用马歇尔击实成型高度为（50±0.5）mm的下层试件.

2）试件冷却后撒上规定用量的粘结层材料，让其在自然环境条件下破乳固结.待完全固化后，用塑料薄膜封闭养护以待备用.

3）事先加工好与马歇尔试筒相匹配的上层试筒，将拌和好的上层沥青混合料倒入加工好的试筒内，放置马歇尔击实机上进行击实成型面层，成型的上层试件高度仍为（50±0.5）mm.待上层沥青混合料温度降至室温时脱模.脱模时应注意轻拿轻放，不要扰动层间粘结状态.试件制作及成型见图2.

图2 试件成型

3 试验数据与分析

3.1 不加竖向力的剪切试验

采用自主开发的剪切仪对室内制作成型的试件进行了不加竖向力的水平剪切试验，得到了各个试件在不同试验温度和浸水条件下的层间抗剪强度，其结果如表1所列.

由表1可以看出，以普通乳化沥青和SBS改性乳化沥青作为粘层的抗剪强度大多随层间结合料用量的增加先增加而后减小.相比而言，以SBS改性沥青作为粘层时，其抗剪强度最大.沥青受温度影响很大，随着试验温度的增加，粘层的抗剪强度大大降低.在高温试验条件下，相同撒布量的SBS改性乳化沥青的性能好于普通沥青.因此，从经济性、高温和常温条件下相同撒布量的抗剪强度来看，SBS改性乳化沥青性能优于普通乳化沥青，且用量为0.4kg／m2时最佳.浸水抗剪强度有所降低，水份的介入弱化了层间抗剪能力，而加入水泥后的粘层材料浸水强度提高近20%，可见，水泥稳定后的沥青路面层间粘结材料抗水稳定性有了较大提升.

表1 层间剪切试验结果（不加竖向力）

3.2 加竖向力的剪切试验

为了更好地阐述沥青路面层间材料的性能，借鉴莫尔－库伦破坏理论，对剪切破坏行为进行描述，对不同竖向压力作用下的剪切强度拟合曲线如图3和4所示，各条件下抗剪试验结果见表2，强度参数见表3.

表2 层间剪切试验结果（加竖向力）

表3 抗剪强度莫尔－库伦理论参数结果

综合分析加竖向力的试验结果可以看出，相同材料用量条件下，SBS改性沥青作为粘层时，其抗剪强度更大.普通乳化沥青用量0.6kg／m2时抗剪强度最大，SBS改性乳化沥青用量0.4kg／m2时抗剪强度最大.

图3 50℃普通乳化沥青抗剪强度莫尔－库伦理论拟合图

图4 50℃SBS改性乳化沥青抗剪强度莫尔－库伦理论拟合图

在50℃条件，不加竖向力的各种材料层间抗剪强度较小，它主要由材料的粘聚力决定；而施加竖向力之后的层间抗剪强度明显增大，其层间抗剪强度主要由层间界面摩擦力大小、表面粗糙率以及材料的粘聚力大小等决定，且抗剪强度与竖向应力大小成正比例关系.

4 实体工程研究

4.1 试验路概况

本项目为济南至广州高速公路在江西境内的最后一段，即瑞金至寻乌段（赣粤界），全长123.956km.路线地处赣南，为南岭山脉、武夷山脉与罗霄山脉的交汇地带，属于亚热带南缘，呈典型亚热带的丘陵山区的湿润季风气候.四季分明，光热充足，冷暖显著，降水丰沛而分配不均，全年大风日较少，平均风速为1.8m／s.年平均的气温19.3℃，区域1月平均气温最低，为8.2℃，7月平均气温最高，达28.6℃，极端最高气温38℃以上，极端最低气温可达－5℃以下.年平均降水量1 647.3mm，12月降水最少为49.1mm，5月降水最多，为266.7mm，年平均降水日数161.7d，年平均大风日3.7d，年平均霜期78d.

路面采用沥青混凝土路面，设计使用年限15a，设计标准轴载BZZ－100kN.综合调查交通量和远景预测交通量的同时考虑车辆超载的因素，设计年限内弯沉设计与沥青层弯拉设计累计标准轴次为1 725.19万次、半刚性基层弯拉设计累计标准轴次为3 186.16万次.

结合室内试验成果和项目实体工程需求，试验路段层间粘层材料采用了SBS改性乳化沥青和掺3%水泥的SBS改性乳化沥青两种方案，用量均为0.4kg／m2.以此对比分析两种方案的粘结效果，并验证室内试验成果.

4.2 芯样检测及效果评价

对芯样进行了切割加工和室内剪切试验（试验温度为室温27℃）.以此来验证层间处治方法和材料的合理性，为沥青路面层间粘结层的设计施工提供参考依据.芯样的检测结果见表4.

表4 芯样室内剪切试验结果

分析表4可以看出：2种粘层类型的芯样剪切强度（除芯样层间有裂缝外）均大于1.0MPa，同样粘层材料用量0.4kg／m2条件下，加3%水泥SBS改性乳化沥青芯样的剪切强度较SBS改性乳化沥青芯样的剪切强度增大了34.3%.层间接触状态（裂缝）对层间抗剪切强度影响很大.正常芯样的剪切破坏面呈现了一定程度的不规则，这说明增加粘层材料后，使的层间抗剪强度得到了加强，其抗剪强度大于沥青混合料的抗剪强度.

此外，将芯样剪切结果与室内制作试件的剪切结果对比，发现芯样的剪切强度要大很多.这是因为室内制作试件是采用马歇尔击实成型的，而实际路面施工采用轮胎压路机碾压施工，两者层间界面粗糙度、沥青混合料的密实度和空隙率都有差异.

5 结 论

1）相对30℃条件下，50℃条件下的层间抗剪强度损失了70%.浸水导致层间剪切强度降低，通过在SBS改性乳化沥青种掺水泥，使层间浸水抗剪强度提高近20%.

2）50℃条件下，对试件进行加竖向压力的层间剪切试验，得到了两类粘结层材料的层间抗剪强度参数c，φ值，SBS改性乳化沥青的抗剪强度比普通乳化沥青的抗剪强度大.

3）对沥青路面层间抗剪强度影响最敏感的因素首先是温度，其次是粘层材料用量，再次是粘层材料类型和雨水的浸入.SBS改性乳化沥青抗剪性能优于普通乳化沥青，且最佳用量为0.4 kg／m2.

4）对试验路现场取芯并进行室内剪切试验，掺3%水泥SBS改性乳化沥青的层间抗剪切强度为1.508 5MPa；SBS改性乳化沥青的层间抗剪切强度为1.122 8MPa.

在湿热环境，重载交通和高温作用下，沥青路面层间处治材料抗剪强度的不足，会导致路面结构处于不利的受力状态甚至受到严重破坏.基于层间抗剪强度而言，SBS改性乳化沥青优于普通乳化沥青，湿热地区公路沥青路面应该优先选择聚合物改性乳化沥青作为粘层材料.在SBS改性乳化沥青中掺入一定量的水泥，可以提高高温湿热环镜下粘层的抗剪强度，掺量一般为3%～5%.沥青路面设计和施工时应该合理选择粘层材料类型及其用量，以满足沥青路面的层间抗剪强度要求，避免早期损坏，保证服役性能稳定，延长使用寿命.

［1］郭寅川.重交通高等级公路沥青路面层间处治技术研究［D］.西安：长安大学，2009.

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