界面处治方式对CC＋AC复合式路面界面层强度的影响

2014-09-28胡世敬王火明

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年8期

胡世敬，王火明，陈飞

（1.贵州交通职业技术学院建工系，贵州贵阳 550008；2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

目前，我国高等级公路路面仍以沥青路面为主，但是水泥路面因为修建成本低、养护费用少以及经久耐用，也占有一定的比例［1］。不过，在实际使用中发现，水泥路面刚度比较大，并且表面存在接缝，行车舒适性不够，所以原有的旧水泥路面大修时，大多采用了加铺沥青罩面的复合结构形式（CC＋AC）。这种结构形式与单纯的柔性路面相比节约了沥青，又弥补了刚性路面的不足，刚柔结合改善了路面的使用功能［1－3］。

对于刚柔复合式路面，研究和施工的重点和难点在于刚柔界面层的处理，包括水泥混凝土基层表面处理和层间防反措施。究其原因主要有：①水泥混凝土基层刚度大，刚柔层间相对容易出现滑移；② 刚柔2层模量比较大，加之在其表面一般会存在施工缝，所以存在反射裂缝频发的风险［4］。近年来，许多专家学者致力于研究刚柔层间的处理方式，包括混凝土表面喷砂、刻槽、铣刨以及采用土工布（玻纤格栅、聚酯玻纤布等）和应力吸收层防反等［5］，研究成果大多应用于实践，有效推动了复合式路面的发展［6］。

目前对于防反工艺的研究，主要集中在防反射裂缝的效果上，但根据对一些防反材料物理和化学特性的研究发现，其可能还会在改善层间黏结和抗剪强度方面发挥作用。本文依托某高速公路CC＋AC新建复合式路面项目，采用室内试验和现场检测相结合的研究方式，针对复合式路面界面特性对层间强度的影响进行研究，相关成果已在实际工程中应用。

1 评价指标及方法

1.1 评价指标

对于界面特性，主要研究混凝土基层表面的物理特性、刚柔层间的防水黏结层及防反处理措施形成的中间夹层。混凝土表面的物理特性＋防水黏结层＋防反措施形成一个相对复杂的界面，该界面在复合式路面结构中起到黏结混凝土基层和沥青面层的作用，并阻碍刚柔层间发生相对剪切滑移。

在CC＋AC复合式路面结构中，层间黏结性能主要依靠混凝土基层表面、防水黏结层、防反层以及与沥青层之间的黏结力来实现，而抗剪性能除了依靠黏结力以外，更大程度上依靠混凝土基层表面的物理特性（粗糙程度）提供的摩阻力。因此，本文采用层间黏结强度和抗剪强度综合评价复合式路面刚柔层间强度特性［3，7－8］。

1.2 评价方法

本文评价层间黏结和抗剪性能采用拉拔试验和剪切试验，剪切试验根据加载方式的不同分为直剪和斜剪试验，直剪试验只施加水平力，如图1a所示。该加载方式没有考虑竖向荷载的作用，试验结果将会比实际值稍微偏小［9］。斜剪试验施加向下的正应力，且滑动面与水平方向成一定的角度，如图1b所示。

图1 剪切试验

界面层受剪切力的破坏是在竖向荷载和水平荷载共同作用下产生的，当滑动面与水平方向成45°角时，斜剪试验能更好地模拟路面实际受荷载压力的情况，更适合于评价和测定界面层的实际抗剪切强度。本试验采用拉拔试验和45°斜剪试验评价复合式路面刚柔层间强度特性。

采用MTS试验系统，试验过程中，控制环境温度为25℃，测定黏结强度时拉伸速率为10mm／min，试件直径为97mm，按4P×103／（πD2）计算黏结强度，其中，P 为竖向拉拔力；D为试件直径；45°斜剪试验按照规定加载速度加载，且拉伸时无明显振动和偏心，最大荷载为0～100kN，加载速率为10mm／min，试验时，试件的着力面与加载方向成一定角度α，当对试件施加荷载P时，试件受剪切面上的切向力Q＝Psinα，剪切面上的抗剪强度τ＝（Pcosα）／A，本试验中加载装置的剪切角α取45°，试件剪切截面积为 94.09cm2，试件切割成规定尺寸为97mm×97mm。

2 室内试验结果及分析

2.1 界面处治方案

室内成型复合式试件尺寸为30cm×30cm×7cm混凝土板＋30cm×30cm×5cm GAC20PG82沥青层，实体工程结构为30cm混凝土板＋7cm GAC20PG82沥青层。本次室内试验采用的界面处理方式包括：① 对混凝土板表面进行不处理以及刻槽、拉毛、露石处理；② 防水黏结层采用PG82改性沥青碎石封层处理；③ 防反措施分别采用玻纤格栅、聚酯玻纤布以及经编复合聚酯玻纤布。

具体界面处治方案如下：方案1，混凝土表面不处理＋玻纤格栅＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案2，混凝土表面不处理＋聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案3，混凝土表面不处理＋经编复合聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案4，混凝土表面刻槽＋玻纤格栅＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案5，混凝土表面刻槽＋聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案6，混凝土表面刻槽＋经编复合聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案7，混凝土表面拉毛＋玻纤格栅＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案8，混凝土表面拉毛＋聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案9，混凝土表面拉毛＋经编复合聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案10，混凝土表面露石＋玻纤格栅＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案11，混凝土表面露石＋聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层；方案12，混凝土表面露石＋经编复合聚酯玻纤布＋PG82改性沥青碎石封层＋PG82沥青面层。

2.2 混凝土基层表面处理方式的影响

对上述12种界面处治方案进行室内拉拔试验和45°斜剪试验，每种方案采用3组试件进行平行试验，由于平行试验结果的标准差较小，取试验平均值作为试验结果代表值，不同方案黏结强度和抗剪强度结果见表1所列。

表1 不同界面处治方案的室内黏结与抗剪强度试验结果

从表1可看出，不同处治方案的复合式结构中，层间黏结强度或抗剪强度都有较大差异，其中强度最大的为方案12，最小的为方案1，两者黏结强度相差60.6%，抗剪强度相差62.9%，这说明层间处治对复合式路面结构层间强度有显著影响。单考虑混凝土基层表面处理工艺，对比不同处理工艺下的层间强度，结果如图2所示。

从图2可看出，4种方案中，表面不处理和拉毛层间黏结强度和抗剪强度较低，刻槽与露石层间强度较高，其中露石工艺最高。

图2 不同混凝土表面处理强度比较

试验结果表明，对于新建刚柔复合式路面，刚性基层表面浮浆和污染物的处理效果对于界面层强度有着至关重要的影响。如果对混凝土基层表面不进行处理，不能破除浮浆和形成一定的粗糙度，会使层间强度变弱；拉毛只是在混凝土表面形成微弱的纹理，该工艺可以在一定程度上破除浮浆并形成一定的粗糙界面，但从试验结果来看，其效果并不理想；相比于拉毛，刻槽的效果明显要好，其黏结强度和抗剪强度都有明显提升，但与露石相比，还有一定的差距，原因在于混凝土表面刻槽有一定的间距，对浮浆的处理或粗糙度的形成都带有局部性，而露石工艺则处理较为全面。经过露石处理的混凝土基层表面，完全破除了浮浆，并形成良好的粗糙构造，如图3所示，其层间黏结强度和抗剪强度均大大增加。

图3 露石处理效果

2.3 防反工艺的影响

防反作为刚柔式路面结构中比较重要的一道工艺，其作用主要是防治或延缓反射裂缝的发生和向上扩展。本研究发现，某些防反工艺除了防反作用外，还可以有效增加刚柔层间的黏结和抗剪强度，但不同防反材料的增强效果不同。上述试验结果表明，在混凝土基层表面处理方式中，不处理和拉毛处理刚柔层间强度较差，在施工中不建议采用，故本文只分析刻槽和露石处理2种界面方式。采用3种防反工艺时的刚柔层间强度变化如图4所示，图4中，防反工艺1代表玻纤格栅，2代表聚酯玻纤布，3代表经编复合聚酯玻纤布。

图4 3种防反工艺层间强度变化

由图4可知，对混凝土基层表面进行刻槽处理，采用3种防反工艺时，刚柔层间强度有差异，层间黏结强度和层间的大小排序为经编复合聚酯玻纤布＞聚酯玻纤布＞玻纤格栅；层间抗剪强度大小排序同样为经编复合聚酯玻纤布＞聚酯玻纤布＞玻纤格栅；对混凝土基层进行露石处理，3种防反工艺的刚柔层间黏结和抗剪强度变化规律相同，从大到小为：经编复合聚酯玻纤布＞聚酯玻纤布＞玻纤格栅。根据研究结果可知，从改善刚柔层间强度考虑，不建议使用玻纤格栅。

与基层表面刻槽处理相比，露石处理后，3种防反工艺的层间强度整体偏大，从玻纤格栅到聚酯玻纤布，再到经编复合聚酯玻纤布的层间强度增幅明显，说明混凝土基层表面处理效果越好，防反材料所起的作用越大。

从表1也可以看出，当混凝土基层表面不处理或采用拉毛处理时，采用3种防反工艺，其刚柔层间强度的变化规律类似，这说明层间强度的增加是由于防反材料本身的特性引起的。

聚酯玻纤布和经编复合聚酯玻纤布之所以能增加层间的黏结和抗剪强度，是因为聚酯玻纤布具有玻璃纤维的高强度和聚酯纤维的柔韧性，当热沥青渗透到其中时，能使其与混凝土板和封层形成一种吸附性的黏贴状态，这种状态的黏贴效果远远好于封层直接与混凝土板接触，从而增加了层间的强度。而经编复合聚酯玻纤布除了聚酯玻纤布的优点外，还兼具玻纤格栅加筋的作用，将其黏贴在刚性基层上，在其上铺筑热沥青同步碎石封层，通过加筋作用使经编复合聚酯玻纤布与封层和混凝土板更好地结合，增大了其黏结力，形成的界面层因为加筋的缘故，在抗剪切滑移性能上也有大幅提升，因此经编复合聚酯玻纤布优于聚酯玻纤布。根据玻纤格栅的物理特性和试验结果，认为其在改善层间强度方面不发挥作用。

3 施工现场检测结果及评价

室内试验结果表明，混凝土基层表面不处理和拉毛处理时，层间黏结强度和抗剪强度较差，当刚柔层间采用玻纤格栅防反时，对层间强度的改善非常有限，所以结合工程实际，摒弃了效果较差的方案，具体试验采用方案5、方案6、方案11和方案12。

在检测方法上，室外测试层间黏结强度采用拉拔仪，其拉伸速率、测试温度、试件直径以及计算方法与室内试验相近；测试层间抗剪强度时，考虑到操作的可行性以及对路面的破坏程度，则采用直剪仪，与室内的斜剪试验相比，直剪试验虽然只施加了水平的力，但也能较好地检测层间抗剪切状态。

已有研究表明，现场检测的数据变异性比较大［9］，又因为沥青的黏弹塑性，不同温度测试的结果换算成等温度时误差较大，为了准确检验现场层间性能实际状态，本试验在现场检测时加大了检测频率，并结合环境情况使每次的检测温度接近25℃。对每种方案的检测结果求平均值，见表2所列，现场检测结果与室内试验结果对比如图5所示。

表2 现场黏结与抗剪强度试验结果

图5 室内外层间黏结强度和抗剪强度对比

由表2可知，混凝土基层表面经过露石处理的方案11和方案12层间强度要好于经过刻槽处理的方案5与方案6；在露石与刻槽处理方式中，采用经编复合聚酯玻纤布防反工艺的方案12与方案6的层间强度要分别好于采用聚酯玻纤布的方案11与方案5，该结果与室内研究结果一致。因此，为了保证层间黏结和抗剪强度，在实际施工中推荐采用露石技术处理混凝土表面，采用经编复合聚酯玻纤布作为防反工艺。

由图5可知，黏结强度和抗剪强度的现场检测结果与室内试验结果相比稍微偏低。造成这一现象可能与现场的施工质量和试验条件有关。复合式路面的刚柔层间状态由混凝土基层表面处理效果、防反工艺及热沥青同步碎石封层共同决定，现场施工时碎石的洁净程度与试验室相比可能要差一些，从而造成封层与沥青面层以及防反层的结合效果不及室内复合试件，容易造成在层间形成一个相对较为薄弱的夹层，从而影响到层间的黏结和抗剪强度［10］。另外，现场抗剪强度检测时，采用直剪试验只施加了水平的力，可能与路面实际受力状态有一定的差异，造成抗剪强度测试结果稍微偏低。