沥青路面层间剪切强度主要影响因素研究

吴 波

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410075)

沥青路面层间剪切强度主要影响因素研究

吴 波

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410075)

保证沥青层层间具有足够的剪切强度是保证沥青路面具有良好整体性的根本措施。基于3种粘层油(SS — 1h，CRS — 1，Trackless)，拟定3种粘层油用量、2种路表清洁状态和2个正压力水平，阐述了采用旋转压实仪成型两层(下层AC — 16、上层AC — 13)试件的方法。采用MTS万能材料试验机检测试件的层间剪切强度，试验温度25 ℃。结果表明：压力为0时，路表污染时层间剪切强度均小于路表清洁状态；正压力为0.14 MPa时，相反。随着正压力的增大，沥青层间剪切强度增大，且在路表受污染状态时正压力对沥青层间剪切强度的影响较路表清洁状态更为显著。在0.15～0.70 L/m2粘层油用量范围，随着粘层油用量的增加沥青层层间剪切强度单调递增，且粘层油洒布量为0.70 L/m2时沥青层层间剪切强度在统计学意义上显著大于0.15 L/m2。不同粘层油种类层间剪切强度大小顺序为Trackless>SS — 1h>CRS — 1，且Trackless粘层油沥青层层间剪切强度在统计学意义上显著大于CRS — 1。

沥青路面；层间剪切强度；粘层油类型；粘层油用量；清洁度

0 引言

沥青路面在车辆转向、起步和制动等过程均会在沥青层间产生一定的剪切作用[1]，尤其是在坡道路段车辆剪切作用力增大，因而保证沥青层间有足够的剪切强度，足够的粘结力，使得多层沥青层成为一个整体(完全连续层状)至关重要，也符合我国沥青路面结构验算理论(多层连续层状体系)[2]。新建沥青路面施工过程、水泥混凝土路面提质改造或沥青路面预防性养护加铺罩面之前，需喷洒粘层油，以保证上、下层间粘附完好[3]。但关于粘层油沥青种类、沥青用量、质量评估等较完备的指导性或规范性文件较少，导致目前粘层油的设计、施工则主要依据经验、参考现有工程实例或专家推荐等方式。大多数施工规范和指南仅推荐一个适用范围[4]，需要施工单位自己去确定一个具体目标值。甚至没有用于施工阶段检测粘层油质量的标准试验，从而导致粘层油路用性能较差，加速路面早期破坏，形势严峻。

加之影响沥青层间剪切强度的因素较多[5-8]，故明确主要因素对其影响状态至关重要，如路表污染状态、路表干燥或浸水、粘层油种类及粘层油洒布量等因素。选取3种粘层油(SS — 1h，CRS — 1，Trackless)，拟定3种粘层油用量、2种路表清洁状态和2个正压力水平，采用旋转压实仪成型两层(下层AC — 16、上层AC — 13)试件。在25 ℃试验温度下，采用MTS万能材料试验机和自制的夹具对试件的层间剪切强度进行检测。确定各因素对粘层油质量的影响情况，为类似研究提供参考。

1 试验方案

1.1 试验参数

选择3种粘层油， SS — 1h为慢凝型阴离子乳化沥青(1表示粘度低，h表示沥青较稠)；CRS — 1为快凝型改性阳离子乳化沥青，蒸发残留物比例为51.3%；Trackless是基于硬质沥青生产的改性乳化沥青，破乳速度11 min，在小于60 ℃温度条件下，改性剂与沥青形成网格结构，吸附并封锁沥青中轻质组分，降低高温敏感性，降低沥青与轮胎的粘附性，不粘车轮；在大于120 ℃温度条件下，改性剂被上层热沥青混合料高温软化，恢复沥青的粘结性，温度降低至常温后，改性剂重新形成网格结构，有效提高沥青的粘结强度。

粘层油正压力是为了模拟层间界面摩擦力的作用，设定0和0.14 MPa 2个正应力水平。测量温度25 ℃，试验前，试件及夹具在试验温度下恒温不低于5 h。每组平行3次试验，具体试验参数设计见表1。

表1 试验参数设计影响因素设计

1.2 试件成型

试件的成型过程为下层试件的制备；试件的切割及干燥；路表清洁度条件模拟；粘层油的撒布+上层沥青压实过程。

下层试件制备：基于AC — 16SBS改性沥青混合料，采用马歇尔试验确定的最佳油石比(4.1%)，利用旋转压实仪(SGC)成型150 mm×150 mm的柱型试件。用切割机将试件一切为二(2个75 mm×150 mm的柱型试件)。

试件的切割及干燥：用切割机将试件一切为二，分为2个75 mm×150 mm的柱型试件。因切割过程需要洒水，所有沥青混凝土切割后置于风扇前风干24 h以上。

表面受污染条件模拟：采用粉质粘土均匀撒于试件未切割端表面，用于模拟沥青路面受尘土污染状况，粉质粘土满布率90%左右。

粘层油的撒布+上层沥青压实过程：按照设计粘层油用量，将粘层油均匀喷洒到试件的未切端。上层沥青层均采用AC — 13SBS改性沥青混合料，混合料最佳油石比4.4%，将喷洒粘层油后的试件置于25 ℃环境箱4 h，以模拟施工现场粘层油撒布后的待铺过程，放入SGC试筒，撒布粘层油面朝上，称量一定量(压实后上下两层总厚度150 mm)的AC — 13混合料倒入压实筒中，AC — 13沥青混合料温度为165～170 ℃旋转压实50次。待温度降至室温后脱模，即制得层间剪切强度检测试件。

2 层间剪切强度试验方法及试验结果

2.1 试验方法

层间剪切强度测定仪器为MTS试验仪，夹具为自制夹具，能够保证试件剪切过程无转动滑移。由环境箱取出试件后及时进行试验，整个试验过程不超过3 min。沿试件竖直方向施加正应力P，沿水平方向施加水平荷载F，剪切速率为50 mm/ min[9,10]，直到达到最大水平荷载Fmax。采用式(1)计算层间剪切强度PS。

(1)

式中:PS为层间剪切强度，MPa；Fmax为施加的最大荷载，N；d为柱形试件直径， mm。

2.2 试验结果

基于新建沥青路面，选用SS — 1h、CRS — 1、Trackless粘层油，分别进行正压力为0和0.14 MPa的层间剪切强度试验，试验温度25 ℃。层间剪切强度试验结果如表2所示。

表2 路表清洁度与层间剪切强度

3 试验结果分析

3.1 路表清洁度的影响

以路表清洁层间剪切强度为横坐标，以路表受污染层间剪切强度为纵坐标，分别绘制正压力为0和正压力为0.14 MPa时沥青层层间剪切强度散点图，如图1、图2。图中的斜线为45°控制线，散点在控制线上方，表明路表受污染层间剪切强度大于路表清洁状态；反之，则路表清洁层间剪切强度大于路表受污染。

图1 路表污染与清洁状态沥青层层间剪切强度(正压力为0)

图2 路表污染与清洁状态沥青层层间剪切强度(正压力为0.14 MPa)

由图1知，压力为0时，3种粘层油不同用量的9组层间剪切强度数据点均在45°控制线下方，表明路表污染时沥青层层间剪切强度均小于路表清洁状态。由图2知，正压力为0.14 MPa时，3种粘层油表面污染时沥青层层间剪切强度均大于表面清洁状态。原因可能是因为污染物(粉质粘土)充当了部分填料的功能，污染物(粉质粘土)与粘层油共混后能够形成粘度较高的沥青玛蹄脂，提高粘层油的粘度，使得沥青层层间抗滑移能力增强，层间剪切强度增大。

图1和图2知，随着沥青层层间剪切强度的增大，图中点位偏离45°控制线越远。表明路表清洁状态随着层间剪切强度的增大，对层间剪切强度的影响越显著。这种趋势在正压力为0.14 MPa时更为明显。

3.2 正压力的影响

以正压力为0层间剪切强度为横坐标，以正压力为0.14 MPa层间剪切强度为纵坐标，分别绘制路表清洁和受污染状态时沥青层层间剪切强度散点图，如图3、图4。

图3 正压力为0与0.14 MPa层间剪切强度(路表清洁)

图4 正压力为0与0.14 MPa层间剪切强度(路表受污染)

图3、图4中的斜线为45°控制线，若散点在控制线上方，表明正压力为0.14 MPa层间剪切强度大于正压力为0的；反之，则正压力为0层间剪切强度大于正压力为0.14 MPa的。

图3、图4中层间剪切强度点位均在45°控制线上方，表明相对比路表清洁状态，正压力对沥青层间剪切强度的影响处于主导地位，路表清洁和路表受污染状态下，正压力为0.14 MPa的层间剪切强度均大于正压力为0的。正压力由0增加至0.14 MPa，路表清洁状态时沥青层间剪切强度增大30.1%，路表受污染状态时沥青层间剪切强度增大126.2%。表明随着正压力的增大，沥青层间剪切强度增大，且在路表受污染状态时正压力对沥青层间剪切强度的影响较路表清洁状态更为显著。

随着沥青层层间剪切强度越大，图3和图4中剪切强度点位偏离45°控制线越远。表明正压力的大小随着层间剪切强度的增大，对层间剪切强度的影响越显著，且在路表受污染状态时该趋势更为显著。

3.3 粘层油洒布量的影响

将表2中层间剪切强度试验结果绘制柱形图，以直观地对比层间剪切强度的大小，见图5、图6。

图5 正压力为0时路表清洁度与层间剪切强度

图6 正压力为0.14 MPa时路表清洁度与层间剪切强度

图5、图6知，正压力为0和正压力为0.14 MPa时，随着粘层油洒布量的增大，沥青层层间剪切强度均呈单调增大趋势。对了对比沥青层层间剪切强度随粘层油洒布量增加的增长速率，特将剪切强度增长率定义为粘层油洒布量每增加1 L/m2，沥青层层间剪切强度增量。按式(2)计算。计算结果见表3。

(2)

式中，PZ为沥青层层间剪切强度增长率， MPa/(L·m-2)；Lmax为较大的粘层油洒布量，L/m2；Lmin为较小的粘层油洒布量，L/m2；Pmax为粘层油用量Lmax对应的沥青层层间剪切强度， MPa；Pmin为粘层油用量Lmin对应的沥青层层间剪切强度， MPa。

由表3知，3种粘层油在2个正压力水平，随着粘层油洒布量的增大，路表清洁状态的层间剪切强度增长速率均大于路表受污染状态。粘层油洒布量由0.15 L/m2增至0.30 L/m2时，剪切强度增长速率Trackless>CRS — 1>SS — 1h；粘层油洒布量由0.30 L/m2增至0.70 L/m2时，剪切强度增长速率SS — 1h> Trackless>CRS — 1。表明在不同的粘层油洒布量范围，采用不同种类粘层油的沥青层层间剪切强度对洒布量的敏感性不同。但我国工程粘层油用量一般大于0.30 L/m2，如文献[11]为0.4～0.45 kg/m2，文献[12]为0.3～0.6 L/m2等。故针对0.30～0.70 L/m2粘层油洒布量范围，SS — 1h剪切强度增长速率最大，洒布量增加能够较大幅度提高层间剪切强度，在条件允许的情况下可以适量多撒；但CRS — 1在此用量范围剪切强度增长速率小，多撒对层间剪切强度影响小，其洒布量以满足层间设计剪切强度为宜。

表3 沥青层层间剪切强度增长率 %

由表2及图5、图6知，随着粘层油用量的增加沥青层层间剪切强度呈单调递增趋势，但增加的幅度却大小不一，该趋势也可从表3中发现。故为能够检测在本文所涉及的3各粘层油用量水平中，粘层油用量变化是否会造成沥青层层间剪切强度的在统计学意义线显著增大，特采用单因素方差分析Tukey (HSD)方法[13]，检验水平α= 0.05。检验结果见表4。

由表4可知，不同粘层油用量水平下层间剪切强度均值大小顺序为0.70 L/m2>0.30 L/m2>0.15 L/m2，该趋势同图5和图6的趋势一致，但3个粘层油用量水平层间剪切强度的标准差大小顺序同均值大小顺序一致，标准差大表明易出现质量薄弱区。同类子集分组表明0.15 L/m2和0.30 L/m2为A组，0.30 L/m2和0.70 L/m2为B组，同组的显著性P均大于0.05，表明同组内层间剪切强度在统计学上不存在显著差异。故0.15 L/m2和0.30 L/m2，0.30 L/m2和0.70 L/m2之间不存在显著差异；但是0.15 L/m2和0.70 L/m2未划分到同组表明其存在显著差异，0.7 L/m2时的均值为37.89 MPa，其值显著大于0.15 L/m2的层间剪切强度。

3.4 粘层油种类的影响

由图5、图6柱形图可知，从柱形的高低可以认为层间剪切强度大小顺序大概为Trackless>SS — 1h>CRS — 1。但同时发现采用不同粘层油的沥青层层间剪切强度存在波动，故为了较系统的探讨不同类型的粘层油是否会导致沥青层层间剪切强度在统计学上存在显著差异，特采用单因素方差分析Tukey(HSD)方法，检验水平α= 0.05。检验结果见表5。

表5 不同类型的粘层油层间剪切强度Tukey分析

由表5知，层间剪切强度均值大小顺序为Trackless>SS — 1h>CRS — 1，该趋势同图5和图6的趋势一致，但3类粘层油的标准差大小顺序却同样为Trackless>SS — 1h>CRS — 1。同类子集分组表明CRS — 1和SS — 1h为A组，SS — 1h和Trackless为B组。故Trackless和SS — 1h，CRS — 1和SS — 1h之间不存在显著差异；但是Trackless和CRS — 1未划分到同组表明其存在显著差异，Trackless时的均值为45.06 MPa，CRS — 1时的均值为14.84 MPa，采用Trackless粘层油沥青层层间剪切强度显著大于CRS — 1。

4 结论

1) 压力为0时，路表污染时层间剪切强度均小于路表清洁状态；正压力为0.14 MPa时，表面污染时层间剪切强度大都大于表面清洁状态，原因可能是因为污染物(粉质粘土)与粘层油共混后能够形成粘度较高的沥青玛蹄脂，提高沥青层层间剪切强度。

2) 在0～0.14 MPa正压力范围，随着正压力的增大，沥青层间剪切强度增大，且在路表受污染状态时正压力对沥青层间剪切强度的影响较路表清洁状态更为显著。

3) 在0.15～0.70 L/m2粘层油用量范围，随着粘层油用量的增加沥青层层间剪切强度呈单调递增趋势，且粘层油洒布量为0.70 L/m2时沥青层层间剪切强度在统计学意义上显著大于0.15 L/m2。

4) 不同粘层油种类层间剪切强度大小顺序为Trackless>SS — 1h>CRS — 1，且Trackless粘层油沥青层层间剪切强度在统计学意义上显著大于CRS — 1。

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1008-844X(2017)02-0034-05

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