旧水泥路面沥青加铺层间水稳定性分析＊

袁玉卿 王选仓

（河南大学土木建筑学院1） 开封 475004） （长安大学公路学院2） 西安 710064）

旧水泥路面沥青加铺是一种常用的路面大修方式，但是新加铺的沥青面层很容易产生裂缝、剥落等破坏现象.为此，国内外的专家从旧板处治、层间材料、面层材料、层间力学等角度进行了研究和实践［1－3］，但是，到目前为止仍然没有很好的解决罩面层脱落起皮等问题.孙立军教授对沥青路面层间水损进行了研究，认为沥青层间结合面的软弱夹层成为了最好的蓄水层，损坏往往首先从这些薄弱带发生并扩展［4］.如果路面结构防排水不力，水就会渗入到路面裂缝中，在车载作用下形成动水压力；在季冻性地区的冬季，渗到裂缝中的水结冰膨胀形成较强的冻胀力.这2种力主要取决于水的量，当水的量达到一定程度时，其破坏速度惊人［5］.在理论分析的基础上，进行层间水损坏实验研究，探索层间水稳定性问题.

1 层间动水力的影响分析

1.1 动水作用模型建立

建立路表水－车轮－路面系统，见图1.

如果以轮胎为静止参照系，则路面和水膜以相对速度高速前进，如图2所示，方向与轮胎前进的方向相反.水膜变成楔子状，进入胎面内［6－7］.轮胎微面为平板状，倾角非常小，从前方进入的水被路面和胎面的后端挡住.

图1 路表水－轮胎－路面系统

图2 动水压力形成机理模型

这时水的流线如图3所示，在水流的停滞点处产生的动水压力pd，根据伯努利方程可得出水的动压pd为

式中：pd为动水压强，Pa；ρ为水的密度，kg／m3；v为车辆的行驶速度，m／s.

图3 高压水流线及停滞点

1.2 动水压强分析

雨中行车的水漂（滑水）现象使车速受到限制，因此应首先研究滑水时的极限速度.轮胎面的接地压强在中心部位最高，设此压强为pc，而且等于内压pn的1.55倍，即

若路面水的动压强pd比轮胎接地中心部位的压强pc还要高，那么轮胎就会完全浮起来.因此，发生完全滑水现象的条件为

由式（1）及式（2）得

考虑量纲关系，可得改进的Horne公式

式中：vp为最小极限滑水速度，km／h；p为轮胎内气压，MPa.

根据式（5）及当今的轮胎内压调查［8］绘制成图4.

图4 最小极限滑水速度与轮胎压强的关系

由图4可见，轮胎的压强越低越容易发生滑水现象，而随轮胎压强的增加，最小极限滑水速度也不断增加.目前道路上的大胎压车辆比较多，在路况较好的情况下，车辆在雨中可以快速行驶，这就为动力水的破坏提供了更多的机会.

取水的密度为ρ＝1 000kg／m3，变换式（1）中的单位可得：

式中：pd为动水压，MPa；v为车辆的行驶速度，km／h.

根据式（6）可得到动水压的理论计算值，绘制如图5.

图5 动水压的理论计算值

路表面水在停滞点的动水压pd随车速v的增大而二次方增大，由图5可知，当行车速度分别为80，100，120km／h时动水压分别为0.246，0.385，0.554MPa.

1.3 动水层间作用分析

如图6，假定水流停滞点水压为pA，数值上等于动水压pd与大气压之和，而此点水的流速vA＝0.若加铺层厚度为h，假设层间内部没有破坏仅有路表面处开口，因此层间内某点B处水的流速vB＝0，水的压强为pB.以层间所在的水平面为基准面，由伯努利方程可得

由式（8）知，当加铺层厚度h＝10cm，行车速度分别为80，100，120km／h时层间动水压pB分别为0.348，0.487，0.656MPa.当加铺层厚度h＝20cm，行车速度分别为80，100，120km／h时层间动水压pB分别为0.349，0.488，0.657MPa.

图6 动水层间作用分析

层间水和路表面水通过裂缝或大的空隙相连，路表面水的动水力通过裂缝作用于层间.低等级道路行车速度不高，在路表面所造成的动水压不大，但是在高等级公路上车速可以达到120km／h以上，所产生的动水压力可以达到低等级道路的几倍，在夏天高温多雨的条件下动水力对路面的破坏尤其显著.

2 层间静水稳定性试验

2.1 复合试件设计

试件采用水泥混凝土与沥青混凝土的复合体.水泥混凝土试件直径D＝101.6mm、高度100mm，振动法成型，标准养生28d.沥青混凝土马歇尔试件，高度（63.5±1.3）mm，轻型击实.然后采用SBS改性沥青、玻纤格栅将水泥混凝土试件和沥青马歇尔试件粘结在一起形成复合试件.采用JHY－A结构材料剪切仪进行试验.

2.2 浸水直剪试验

为了研究旧水泥路面沥青加铺结构在水的作用下，层间粘结强度发生的变化，采用浸水与非浸水复合试件进行对比试验［9－10］.浸水试件在60℃水中分别保持24h和48h，并在25℃水浴中保温2h.然后在25℃室温下，以30mm／min速率进行直接剪切试验，结果见图7.

图7 浸水试件直剪试验曲线

由图7可见，首先层间位移与剪力共同增大，达到剪力的极大值时层间开始发生滑移破坏，然后剪力减小、位移继续增大，直至剪切设备难以加上荷载、位移达到最大值，则说明结构破坏.浸水48h试件首先发生破坏，然后是浸水24h试件破坏，最后是未浸水试件.

由图7可见，层间发生滑移破坏时，浸水24h复合试件的层间剪力和位移分别是未浸水试件的51.4%，85.2%；浸水48h复合试件的层间剪力和位移分别是未浸水试件的35.6%，47.7%；浸水48h复合试件的层间剪力和位移分别是浸水24h试件的69.2%，56%.层间变形终止时，24h浸水、48h浸水试件分别比未浸水试件剪力降低了39.3%，66.3%；48h浸水试件比24h浸水试件剪力降低了44.6%.计算可知未浸水、24h浸水、48h浸水试件的层间抗剪强度分别为0.34，0.17及0.12MPa；24h浸水、48h浸水试件分别比未浸水试件的强度降低了50%，64.6%；48h浸水试件比24h浸水试件降低了29.4%.

试验表明：由于浸水作用，层间材料的性能发生了变化，层间结合能力被削弱，最终导致层间抗剪强度降低，浸水时间越长层间结构越容易发生破坏.

2.3 冻融直剪试验

为了研究旧水泥路面沥青加铺层间结构在冻融作用下，层间粘结强度发生的变化，采用冻融与未冻融复合试件进行对比试验.复合试件在－18℃保持16h，然后60℃水浴24h，最后25℃保温2h.剪切时温度为25℃，速率为30mm／min，结果见图8.

图8 冻融试件直剪试验曲线

由图8可见，首先层间位移与剪力共同增大，达到剪力的极大值时层间开始发生滑移破坏，然后剪力减小、位移继续增大，直至剪切设备难以加上荷载、位移达到最大值，则说明结构破坏.冻融试件首先发生破坏，然后是未冻融试件.达到位移的最大值时，二者所能承担的层间力由大到小依次为未冻融试件、冻融试件.

由图8可见，层间发生滑移破坏时，冻融复合试件的层间剪力和位移分别是未冻融试件的41.0%，54.5%；剪力和位移分别降低了59.0%，45.5%.层间变形终止时，冻融试件是未冻融试件剪力值的38.8%，降低了61.2%.计算可知未冻融及冻融试件的层间抗剪强度分别为0.34，0.14 MPa，冻融后的强度是未冻融试件的41.2%，降低了58.8%.

试验说明：由于冻融作用，层间材料被部分破坏，层间结合能力被削弱，最终导致层间抗剪强度降低.

3 结 论

1）路表动水压强随着行车速度的增加而增大，与车速2次方成正比，当行车速度分别为80，100，120km／h时动水压分别为0.246，0.385，0.554MPa.

2）层间动水压强主要由路表水流停滞点的动水压强决定，当加铺层厚度h＝10cm，行车速度为80，120km／h时层间动水压分别为0.348，0.487，0.656MPa.

3）水的浸浴作用可导致层间结构强度降低，浸水时间越长层间结构越容易发生破坏.计算可知：24h浸水、48h浸水试件分别比未浸水试件的强度降低了50%，64.6%，48h浸水试件比24h浸水试件降低了29.4%.

4）冻融作用可导致层间材料部分破坏，层间结合能力削弱，层间结构强度降低，冻融后的强度降低了58.8%，层间破坏时所能承受的剪力值降低了59.0%.

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