沥青路面开普封层结构病害成因分析

贺 峰 何子胤 黎 卿

(1.中交三航局江苏分公司，江苏 连云港 222042； 2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064； 3.珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000)



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沥青路面开普封层结构病害成因分析

贺 峰1何子胤2黎 卿3

(1.中交三航局江苏分公司，江苏 连云港 222042； 2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064； 3.珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000)

通过对开普封层路面病害的现场调查，分析了几种开普封层典型病害的类型及特点，并结合模拟试验再现开普封层结构破坏过程，针对开普封层结构现场调查的主要病害，分别对开普封层结构的层间粘结性能、低温抗裂性能和高温抗车辙性能进行了研究，为类似工程提供了理论依据。

开普封层，低温抗裂性能，车辙，沥青路面

0 引言

开普封层结构通常是指“碎石封层+稀浆封层”结构，受各地不同的条件限制，广义上开普封层结构应该从复合封层的定义来理解。应用范围也可以从路面层到大中修的加铺层和广义的路面结构层。20世纪50年代,南非Cape省在19 mm的封层上面撒布经过加热、预拌石粉和沥青混合料，故称其为开普封层(Cape Seal)[1]。经过60年的发展，研究者认为该路面结构因具有防潮、抗滑、维持现有路面结构强度等作用,因其建造成本低廉以及良好的使用性能等优势,该技术被欧、美等30多个国家广泛应用于低等级公路的养护和建设中[2,3]。为完善该技术的适用性，本文从开普封层典型病害的角度出发，对典型病害路段进行现场调查，分析病害的类型，并采用模拟试验来再现开普封层结构破坏过程，进一步总结造成开普封层出现病害现象的综合影响因素，也是为提出相应的开普封层典型路面结构方案提供理论依据。

1 病害调查

结合国内外开普封层典型病害的研究成果[4-7]，调查分析总结了几种常见的病害形式：

1)结构温缩裂缝，如图1所示，裂缝沿行车方向呈近似等间隔分布，并贯穿路面全幅，这是由于我国北方春秋昼夜温差大或冬季的低温寒冷气候所致；

2)路面泛油，如图2所示，由于北方地区气候寒冷在设计稀浆封层配合比时油石比较大，而级配偏细，进料控制有时不够精确，加上稀浆封层的车行驶速度过快，故而会造成部分路面泛油严重的情况；

3)封层结构滑移、脱层，如图3所示，这是由于开普封层结构与旧路面或基层之间的层间粘结能力不足以抵抗车载的剪切力而导致；

4)如图4所示，部分路面有细微网状裂缝和车辙出现。

2 试验方案

为分析开普封层结构病害产生原因，采用开普封层结构破坏过程模拟试验，试验方案主要基于开普封层结构的现场调查的主要病害，分别对于开普封层结构的层间粘结性能、低温抗裂性能和高温抗车辙性能进行试验分析。

试验均是采用开普封层基本型结构，即“碎石封层+稀浆封层”复合结构形式。试验材料中，沥青采用克拉玛依AH-90重交石油沥青，粗、细集料采用石灰岩，乳化剂采用SXK-Ⅲ慢裂快凝型，而改性剂为SBR胶乳。试验中，测定层间粘结性能、高温车辙性能和低温抗裂性能的试验设备为剪切试验仪、车辙试验仪及万能试验仪。操作严格按照JTJ 052—2000公路工程沥青与沥青混合料试验规程[8]的要求来执行。

3 病害成因试验分析

3.1 层间粘结性能分析

根据病害调查分析，滑移脱层是开普封层结构路面较为常见的病害。该病害一般发生于公路的爬坡路段，由车辆刹车或换挡引起，其实质是开普封层与基层之间的粘结强度不足，难以抵抗层间剪切破坏。

通过对开普封层结构与基层之间的粘结性能进行评价来分析该类病害，本试验采用专门设计的剪切仪，其剪切试验仪原理如图5所示。

3.1.1 温度对层间粘结性能的影响

温度对开普封层结构的层间粘结性能有着重要影响，本试验在不同温度条件下测定开普封层结构的层间粘结强度，对病害成因加以分析，试验结果如图6所示。试验结果显示：随着温度的升高，开普封层结构与基层之间的粘结强度出现明显下降；当试验温度为30 ℃～40 ℃时，粘结强度最小值约为0.37 MPa～0.42 MPa，而有关资料显示，在炎热季节，沥青路面温度可能达到60 ℃～70 ℃，因此该温度范围，路面剪应力大于开普封层结构与基层之间的粘结强度而使路面结构发生破坏。

3.1.2 层间处治措施对层间粘结性能的影响

为进一步明确路面推挤、滑移的病害成因，实验室通过对开普封层不同层间处治措施的粘结性能加以评价，试验过程中采用在基层上表面喷洒透层油、不喷洒透层油和层面污染3种条件制作试件，并在不同温度条件下分别测定各个模拟试件的层间粘结强度，试验结果如图7所示。

由图7显示：试验温度范围内喷洒粘层油试件的粘结强度处于数据带的顶部，层面污染和不喷洒粘层油试件，在试验温度范围内粘结强度没有明显差异。由于在制作手工摊铺开普封层的试件时，采用了较高的用水量来延缓乳化沥青的破乳时间，使得开普封层中的稀浆封层流动性过大，在没有粘层油的保护下造成大量的稀浆渗入下面层，而对于污染试件，层面上的泥土同样受到结构流动性的影响，会随着封层中的细集料一同渗入下面层。通过以上分析在基层与开普封层之间喷洒粘层油，能够提高结构的层间粘结性能，对路面滑移、脱层等病害起到一定预防作用。

3.2 高温车辙性能分析

为分析开普封层结构的高温病害，选择了三种常用的开普封层结构进行了三组高温车辙试验，试验结果显示：一组试件变形量为正常状态，其余两组试件在试验过程中均发生变形破坏。试验曲线如图8～图10所示。

试验曲线图显示：标准型开普封层试件没有产生明显破坏，随着加载时间变化结构的空隙被碾压密实，最后变形趋于稳定。结构产生这种变化是由于标准型开普封层结构的碎石封层粒径形式单一，集料骨架稳定，所以试件在轮载作用下几乎不变形，高温变形也很小。双层碎石开普封层试件与嵌入式碎石开普封层试件在一段试验时间后，结构出现滑移、向两边推挤的破坏现象。这是由于制作得到试件层间粘结性能不足，且试模底板与试件的摩擦力难以约束试件向两边运动的趋势，然而在两组试件产生破坏前变形量很小，仍旧表现出良好的高温变形特性，这也很好的证明了挤压脱层破坏的发生。而实际养护工程一般要对原路面进行清理，并喷洒粘层油，加强开普封层结果与基层的层间粘结性能，所以后两组破坏基本不会发生。

3.3 低温抗裂性能分析

基于开普封层结构温缩裂缝病害的调查结果，通过小梁弯曲试验分别对标准开普封层结构、AM-20及AM-13沥青碎石三组试件测定低温弯拉强度。开普封层结构的低温弯拉强度与AM沥青碎石的对比情况如图11所示。试验结果显示：两种沥青碎石的低温抗裂性能与开普封层结构的基本接近；开普封层结构试件的低温弯拉强度平均值仅为3.16 MPa，弯拉应变平均值约0.003 89。过往研究表明，沥青混凝土的低温弯拉强度平均值为8.50 MPa，其弯拉应变平均值约0.002 56。因此，开普封层结构低温抗裂性能基本与沥青碎石一致，但差于沥青混凝土。

4 结语

1)开普封层路面的主要病害表现为表面泛油推挤、滑移及温缩裂缝。

2)开普封层结构低温弯拉强度比沥青混凝土差，与沥青碎石相近；试验路调查结果也说明温缩裂缝是其主要病害之一。

3)开普封层结构高温抗车辙性能良好，相比于其他病害类型，其高温变形可忽略不计。

4)开普封层结构层间粘结性能受高温影响较大，且不同的层间处治措施也是导致路面滑移、推挤等病害的主要原因。

5)在温差较大的地区使用开普封层原型结构做面层病害较多，效果不佳，不适应温差较大的气候特点。需要对结构设计进行改进以提高使用性能。

[1] 王新增.Cape封层技术在国外的发展和应用[J].中外公路,2000,20(5):42-45.

[2] Shuler S.Chip seals for high traffic pavements[M].1990.

[3] Gransberg DD.Analysis of Emulsion and Hot Asphalt Cement Chip Seal Performance[J]. Journal of Transportation Engineering,2005,131(3):229-238.

[4] 王志强.沥青路面常见的病害产生原因及其预防措施[J].交通世界(建养·机械),2011(15):82-83.

[5] 张 俊，武泽峰.开普封层技术及国内外应用情况[J].中外公路,2010(5):16-18.

[6] 席迎波,张鹏鹏,秦 烨.浅析沥青混凝土路面常见病害及防治对策[J].交通科技,2010(S2):92-94.

[7] 王立勇,马震中,尚亚军.浅谈沥青混凝土路面常见病害成因分析及对策[J].华章,2011(4):223-225.

[8] JTJ 052—2000,公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S].

Analysis on Cape Seal structure diseases causes of asphalt pavement

He Feng1He Ziyin2Li Qing3

(1.ChinaCommunication3rdFlightBureauJiangsuBranchBureau,Lianyungang222042,China;2.CollegeofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 3.ZhuhaiAcademyofPlanning&Design,Zhuhai519000,China)

Through in-situ investigation of Cape Seal pavement diseases, the paper analyzes several Cape Seal diseases types and features, represents the Cape Seal structure damage process by combining with simulation test. In light of Cape Seal structure field investigating diseases, it respectively studies Cape Seal bonding performance, low-temperature crack-resisting performance and high-temperature anti-tracking performance, which has provided theoretical basis for similar engineering.

Cape Seal, low-temperature crack-resisting performance, track, asphalt pavement

1009-6825(2017)17-0119-03

2017-03-16

贺 峰(1982- )，男，高级工程师； 何子胤(1991- )，男; 黎 卿(1982- )，男，高级工程师

U416.217

A