沥青碎石封层抗剪性能影响因素研究

王 雷

(衡水市公路勘测设计所)

沥青碎石封层抗剪性能影响因素研究

王 雷

(衡水市公路勘测设计所)

沥青公路碎石封层病害防护是公路养护中重点关注的内容，病害产生的原因及其影响因素的研究就显得尤为重要。通过实验室对碎石封层抗剪性能的影响因素研究，分析了沥青类型、碎石粒径、构造深度及试验温度对抗剪性能的影响;实验表明在影响碎石封层抗剪性能的因素中，温度的变化和下卧层界面构造类型的不同对碎石封层抗剪性能的影响最大。

公路工程;沥青路面;碎石封层;抗剪性能

1 试验设计

为了深入研究分析碎石封层的抗剪能力，本设计考虑了AH－70基质沥青、SBS改性沥青及Sasobit温拌沥青三种沥青类型;试验温度选择为0℃，20℃，25℃，40℃，60℃;碎石粒径选择为4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 两种。

抗剪试验采用便携式剪切仪，试件为圆柱形，下卧层的试件为AC－13试件，拉拔试件为同一直径的水泥混凝土试件。试验时在AC－13试件上铺洒沥青和碎石，待碎石封层与下卧层完全结合后，在碎石封层上涂抹一层环氧树脂养护成型，而后与水泥试件粘结，测试其抗剪性能。

本次试验所采用的沥青、集料及水泥均满足现行规范的技术指标要求。

2 试验结果

2.1 碎石粒径对碎石封层抗剪强度的影响

已有研究表明，在桥面铺装中，粘层材料的强度是由材料用量决定的，而碎石封层与桥面铺装的粘层材料在抗剪机理上有一定的相似性，也有很多桥面防水粘结层直接采用碎石封层的例子。

本试验中控制实验温度为25℃，选择了三种沥青类型，集料的粒径在4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 变化，在对应的洒布量下成型试件，进行抗剪试验。

试验时，针对不同的沥青类型和粒径规格共进行了6组试验，结果发现，对于三种沥青类型，虽然其抗剪强度不同，但其呈现出现相似的规律，即6.3～9.5 mm粒径碎石料的最大抗剪强度要明显大于碎石粒径为4.75～9.5 mm料的碎石封层。碎石粒径的不同，其相应的沥青用量也不同相同，碎石粒径大沥青用量对应随之变大，碎石封层的厚度也随着碎石粒径的增大而增大。碎石封层的整体抗剪能力也会随着提高，这样的碎石封层剪切变形较为困难。

2.2 构造深度对碎石封层界面抗剪强度的影响

碎石封层的抗剪能力与封层及下部的粘结性能有很大的关系，下部的摩擦性能越好，与封层的粘结能力越好，对应的抗剪性能也越好。本次试验为了模拟下部的粗糙度，对下卧层试件经过表面拉毛处理后，人工模拟不同的构造深度。试验时碎石封层采用6.3～9.5 mm粒径碎石，对应的沥青撒布量和碎石撒布量分别为8.56 ml，101.63 g。试验结果如图1所示。

从图1的结果可以看出，对于三种沥青类，当构造深度增大时，其对应的剪切强度也相应增大，表明当构造深度较好时，其抗剪性能的变化是非常明显的。按照剪切强度的摩尔库仑定律:tanα，碎石封层的抗剪强度与材料的粘结力、内摩阻角有直接的关系，下部构造深度的增大会使得碎石与下部接触时的内摩擦角增大，根据摩尔库仑定律，碎石封层的抗剪性能也会增大。

图1 构造深度对碎石封层抗剪性能影响

进一步分析构造深度对碎石封层抗剪性能的影响，可采用半对数方程τ=Kln(TD)+L来表征，方程如图中所示。式中系数值K可以反映碎石封层的抗剪性能。根据试验结果资料，对三种沥青碎石封层的抗剪性能与构造深度的关系进行了半对数方程的拟合，从其系数值K可知，SBS改性沥青的K最小，AH－70沥青的K最大，Sasobit改性沥青的系数K居于中值。这表明虽然沥青的种类对碎石封层的抗剪性能影响较大，但这种影响程度远不如构造深度的影响明显，改性沥青对抗剪性能的影响随着构造深度的增大越来越小。

从碎石封层的抗剪强度也可看出，当构造深度较小时，三种沥青碎石封层的抗剪强度差别较大，基质沥青碎石封层的抗剪强度最小，SBS改性沥青的碎石封层抗剪强度最大;但当构造深度持续增加时，三种沥青抗剪强度的差距越来越小，特别是SBS改性沥青和Sasobit沥青的抗剪强度已经趋于一致。

2.3 温度对碎石封层抗剪强度的影响

考虑了温度条件不同时碎石封层的剪切性能变化。试验时下卧层的平均构造深度为 TD=0.61，碎石粒径为6.3～9.5 mm，成型试件后，考察温度条件为 0 ℃，20 ℃，25℃，40℃，60℃时的抗剪强度变化，试验结果如图2所示。

图2 试验温度对碎石封层抗剪性能影响

试验结果表明了三种沥青类型的碎石封层在温度不同时呈现出相似的变化规律。在试验温度较低时，碎石封层的抗剪强度最大;但当温度继续升高时，碎石封层的抗剪强度衰减明显，在温度超过40℃时，抗剪强度最小。

碎石封层的抗剪强度和温度的关系可采用指数方程来表征。从曲线变化趋势可发现，不同沥青种类拟合方程后的a值是不同的，可看出基质沥青的a值最小，SBS改性沥青的a值最大，对应的是基质沥青的抗剪强度最小，而SBS改性沥青的抗剪强度最大。

温度的持续升高对碎石封层的抗剪性能影响明显，当从0℃升高到60℃时，三种沥青的碎石封层抗剪性能急剧衰减，表明温度的作用是影响碎石封层抗剪性能的重要因素。虽然三种沥青的碎石封层抗剪性能存在着不同，SBS改性沥青碎石封层的抗剪强度要好，在高温作用下，沥青种类对碎石封层的影响非常小。

通过本次试验可以得出，对于碎石封层的使用应该充分考虑工程地区的高温因素及其交通荷载特征，在持续高温及重载作用下，沥青逐渐趋于软化状态，对集料的粘附性不足，容易出现车辙推移等剪切病害。

3 结论

通过室内剪切实验对沥青碎石封层的抗剪性能进行研究。试验采取了不同的沥青类型、碎石粒径及下部构造深度及剪切温度，以碎石封层的最大抗剪强度为评价指标，对碎石封层的抗剪性能进行了试验，主要得出以下结论。

(1)碎石粒径的大小对碎石封层抗剪性能的影响比较显著，粒径越大碎石封层的最大抗剪强度也越大。

(2)构造深度对碎石封层抗剪性能也有一定的影响，随着构造深度的增大，碎石封层与试件的层间粘结程度增大，且可以提高剪切破坏面的内摩阻角。

(3)剪切时的温度对碎石封层的抗剪性能影响最为明显，当温度逐渐升高时，碎石封层的抗剪性能随之大幅度的降低，虽然采用SBS改性沥青可以在一定的程度上减缓这种衰减趋势，但当温度升高到40℃时，改性沥青碎石封层的抗剪性能也衰减到与基质沥青碎石封层类似。这就要求在碎石封层使用时，需要重点关注高温作用下的碎石封层抗剪性能变化。

［1］张宗辉.同步碎石封层技术在道路养护和建设中的应用前景［J］.施工技术，2004，(3):51－56.

［2］闰修海，于金成，王建国等.纤维封层技术的引进与应用［J］.北方交通，2008，(8):50 －54.

［3］顾海荣.碎石封层中沥青和碎石用量的计算方法［J］.公路，2008，(4):156 －159.

U416.217

C

1008－3383(2014)04－0004－01

2013－10－30

王雷 (1984－)，男 ，河北衡水人，助理工程师，研究方向:道桥工程及道桥设计。