沥青面层层间滑移原因分析

牛小虎，王孝贤，陈忠达，张 雄，陈峙峰,5，吴永军

(1.许昌华杰公路勘察设计有限责任公司，河南 许昌 461000；2.渭南市公路工程建设处，陕西 渭南 714000；3.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 4.陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710075； 5.河南省周口市公路管理局，河南 周口 466000)

0 引 言

在行车荷载尤其是重载作用下，沥青面层层间成为路面结构中的薄弱部位，层间产生的剪切变形甚至滑移破坏现象屡见不鲜[1-2]。

目前国内对沥青面层层间滑移破坏的原因进行了一定的研究。文献[3]认为沥青面层U形滑移破坏与超载现象和黏层材料性能相关，尤其是与中上面层之间所用的黏层材料相关，但并未研究环境条件和施工质量的影响。文献[4]认为层间是否清洁是影响层间结合状态的重要因素，也是防止层间滑移破坏的重要环节，并指出在黏层上撒布碱性碎石将有利于保障层间黏结效果；但未能发现黏层材料洒布量、洒布均匀性的重要影响。文献[5]认为提高温度可以减小少许层间剪应力，但忽略了温度对黏层材料黏性以及层间抗剪强度的不利影响。文献[6]指出保障层间结合状态是路面结构协同受力、减少早期损坏的重要前提，但未说明如何保障层间结合状态。由此可知，国内对沥青面层层间滑移破坏的原因已经有了初步认识，但不够全面，尤其是缺乏对环境条件和施工质量等方面的分析。鉴于此，本文在分析沥青面层层间滑移特征的基础上，从行车荷载、黏层材料性能、环境条件和施工质量等方面系统分析沥青面层层间滑移的原因，同时基于中国各级公路广泛应用的半刚性基层沥青路面结构，对高黏沥青、SBS改性沥青和课题组开发的环氧乳化沥青等黏层材料进行层间抗剪性能的检验分析。

1 沥青面层层间滑移特征分析

图1为典型的直道处的沥青面层层间滑移破坏，表现为U型裂缝的形式，主要由两侧剪切撕裂状的斜裂缝以及斜裂缝顶部拉伸开裂状的横向裂缝组成。其中斜裂缝与行车方向大致成30°角，横向裂缝与两侧的斜裂缝贯通并形成U型裂缝，宽度可达2～3 cm。在U型裂缝两侧，还可以看到明显的由层间滑移引起的褶皱[7-9]。

图1 层间滑移引起的路表U形裂缝

在弯道处，更容易产生横向滑移现象，这主要与车辆转向时产生的水平向离心力有关[10-11]。由于沥青面层横向滑移导致其向路侧外扩，使路缘石因滑移而悬于边沟之上。路面横向滑移的另一标志是道路标志线发生严重变形，部分路段滑移量甚至能达到10 cm以上，严重影响路面横向平整度。

调查中还发现，重车行驶的一侧(即重车道)发生滑移破坏的现象较严重，而在另一侧(即轻车道)则滑移破坏不常发生，表明重载超载对沥青面层层间滑移也有很大的影响。

2 沥青面层层间滑移的原因

病害调查和理论分析表明，沥青面层滑移病害主要与行车荷载、黏层材料性能、施工质量控制、环境(温度)条件等因素有关。

2.1 行车荷载的影响

随着交通量的快速增长和轴载的显著增大，沥青路面各个层位产生很大的剪应力，给原本就较为薄弱的层间部位带来严峻考验。使其发生疲劳破坏甚至极限破坏。

为分析层间疲劳破坏的破坏模式，首先根据轴载等效换算理论建立以层间剪应力为指标的轴载换算公式，即

(1)

式中：fi为以层间剪应力为指标的等效轴载换算系数；Ni为换算轴载的作用次数；Ns为当量轴次；Ps为标准轴载，Ps=100 kN；Pi为换算轴载(kN)。

不同轴载情况下的层间剪应力等效轴载换算系数如表1所示。

表1 不同轴载的换算系数

从表1中可以发现，重载越大，轴载换算系数越大，对沥青路面疲劳损坏的影响越大。当轴载增加50%时，轴载换算系数增长近4倍；当轴载增加1倍时，轴载换算系数增长近14倍。也就是说，200 kN的轴载作用1次造成的层间疲劳损伤大约相当于100 kN的轴载作用15次造成的损伤。

进一步计算可以得到不同轴载下的黏层使用寿命，如表2所示。

表2 超载率与黏层使用寿命的关系

由表2可知，标准轴载条件下，黏层使用寿命随着超载率的增加而缩短。当交通量增长率为5%、超载率为10%时，黏层使用寿命只有11.40年，约为设计年限的76%；当超载率为50%时，则黏层使用寿命仅为4.11年，约为设计年限的27%。由此可知，超载对黏层使用寿命的影响是很大的。

重载、超载不仅会引起层间疲劳破坏，甚至可能在一次极限荷载作用下就发生层间滑移，从而产生层间极限破坏，在高温下这种现象尤其显著[12]。表3为ANSYS有限元程序计算的不同环境温度和不同轴载作用下的高速公路沥青上中面层层间剪应力。

表3 沥青上中面层层间剪应力 kPa

由表3可知，沥青上中面层层间剪应力随轴载的增大基本呈线性增大的趋势。60 ℃下，当轴载从100 kN增加到200 kN时，层间剪应力从270.2 kPa增加到414.6 kPa，增加了53.4%；虽仍未超过黏结层的抗剪强度，但若叠加水平荷载的影响(例如在车辆的启动、制动处或大纵坡路段等)，则有可能产生层间极限破坏。即使不考虑水平荷载的影响，夏季的高温也将导致黏层软化，使得抗剪强度降低至剪应力以下。

此外，路面的结构类型对层间剪应力也有影响。中国高等级公路一般采用半刚性基层沥青路面结构，并广泛采用4～5 cm厚的沥青上面层。理论分析表明，最大剪应力一般出现在路表向下4～5 cm深度附近，这恰好是国内上中面层的分层位置。国内沥青面层之所以容易出现层间滑移破坏，很可能与此有关。

2.2 黏层材料的影响

为防止层间滑移破坏，黏层材料不仅应具有较好的黏附性，同时还应具备较高的黏结性。目前黏层材料主要采用热沥青、乳化沥青等，高速公路大多采用SBS改性热沥青和SBR改性乳化沥青，近年来也开发了高黏沥青等黏层材料。但总体来说，这些黏层材料的黏附性能不是很好，抗剪强度偏低[13]。SBR乳化改性沥青和SBS改性热沥青的黏附性能和抗剪性能虽有了一定的提高，但相比车辆荷载的大幅提高，其性能仍不能满足沥青路面的使用要求。相对而言，高黏沥青具有较好的黏附性和较高的抗剪强度[14]。

表4为SBS改性热沥青、高黏沥青和环氧乳化沥青黏层的剪切试验和拉拔试验结果。

表4 不同黏层材料60 ℃时的抗剪强度

由表4可知：高黏沥青的抗剪强度与环氧乳化沥青基本相当，但抗拔强度要低40%左右；SBS改性热沥青的抗剪强度较环氧乳化沥青低10%～23%，抗拔强度仅为后者的33%左右。总体来说，目前应用的黏层材料的黏附性能较差，往往不能满足使用要求。

2.3 环境条件的影响

沥青的性能受温度影响很大，在夏季高温季节，路面温度时常达到50 ℃以上，导致以沥青为主要原材料的黏层材料软化，成为整个路面结构中的薄弱面，很容易在行车荷载的作用下产生疲劳破坏甚至极限破坏。本文对不同温度条件下的层间抗剪强度和抗拔强度进行定量分析，结果如表5所示。

表5 不同温度条件下的环氧乳化沥青的抗剪强度和抗拔强度

由表5可知：环氧乳化沥青黏层的抗剪强度和抗拔强度随试验温度的升高而大幅降低，当温度由20 ℃增加到40 ℃、60 ℃时，抗剪强度由1.302 MPa降低到0.921 MPa、0.672 MPa，分别降低了29.3%、48.4%；抗拔强度的降低幅度更大，由0.768 MPa降低到0.494 MPa、0.277 MPa，分别降低了35.7%、63.9%。由此说明，环境温度对沥青面层层间抗剪能力及相应的滑移破坏有很大的影响。

2.4 施工质量的影响

施工质量也会对层间黏结性能产生影响，其中包括黏层材料洒布量控制、洒布均匀性、下承层界面清洁程度以及层间污染问题等。

2.4.1 黏层材料洒布量控制

调查发现，国内的沥青洒布车虽然可以设定所需的洒布量，但受洒布车的喷嘴和洒布车行驶速度等因素的影响，黏层材料的洒布量很难得到严格控制。加上一些施工单位为了降低成本故意偷工减料，往往会出现黏层材料实际洒布量比设计洒布量小的情况。

研究表明，黏层材料的用量对于层间黏结强度有显著的影响。黏层只是一个薄层，倘若用量少于设计值，很难使沥青面层的各个结构层黏结成为一个整体，更无法达到完全连续的理想接触状态。黏层材料用量过多时，层间的抗剪强度虽有增大，但是过多的黏层材料易在层间形成富油层，导致路面结构出现薄弱夹层；且黏层材料过多对集料位移也会起到润滑的作用，从而降低层间摩阻力，使层间抗剪强度主要由黏结力提供，导致高温层间滑移和塑性变形，这时层间接触状态已不是理想的完全连续状态。另外，用量过多还会导致乳化沥青破乳时间和水分蒸发时间成倍增长，倘若在乳化沥青内的水分尚有大量存留时就加铺沥青层，势必带来更大的层间滑移隐患和水毁隐患。

因此，黏层材料存在一最佳用量，在此用量下黏层能提供较大的黏结能力，对于环氧乳化沥青而言，最佳用量一般为0.8 kg·m-2左右。

2.4.2 黏层材料洒布的均匀性

黏层材料洒布不够均匀，也是引起层间滑移的主要原因之一。洒布不均匀的表现包括洒花漏空、堆积于一处、成缕的条状等，这些都将导致层间黏结性能和抗剪强度下降。因此，为使黏层材料能在路面全宽度范围内形成均匀薄层，必须以均匀雾状的方式洒布黏层材料，并严格审查局部漏洒和缺失的地方，按设计洒布量进行补洒直至满足要求。

2.4.3 下承层界面的清理

为了使黏层材料表现出其应有的黏结性能和抗剪强度，需在施工过程中保持下承层表面的洁净和干燥。为达到这样的目的，可以在下承层施工完毕后立即洒布黏层材料，若不能实现则应在洒布之前进行清理。如果下承层不慎沾染了灰尘或其他脏物，洒布的黏层材料就会被其吸收，不能有效作用于下承层，从而破坏层间的黏结性能和抗剪强度。所以，在洒布黏层材料之前，应对下承层表面进行彻底的清洁。

2.4.4 层间污染

层间污染对黏层黏结效果的影响较大。对于已经洒布黏层材料的路段，施工车辆进入会使轮胎粘上黏层材料，这不仅破坏已形成的黏层，而且会造成层间污染，进而影响层间的有效结合。因此，施工过程中需要合理制定施工进度计划，待洒布的黏层材料干燥后紧跟着加铺上承沥青面层，同时有必要实施严格的交通管制，从而避免或减少层间污染的发生。

2.5 黏层性能评价体系的影响

虽然国内外对层间处治技术展开了较为广泛的研究，但对黏层的性能和材料参数的测定、评价研究尚少，缺乏相应的检测方式及评价标准，仅凭经验来设计黏层材料具有很大的主观性和盲目性。

黏层性能评价体系的缺失带来的技术问题主要体现在以下几方面。

(1)在选择和设计材料时，由于没有相应的评价指标，一般不对材料性能进行检测，仅通过剪切试验和拉拔试验检测其抗剪强度和抗拔强度。因此，在材料选择上存在很大的随意性。

(2)在路面结构设计中，同样因没有评价指标和评价标准以及检测方法，不能对层间黏结性能进行检验，也无法考虑黏层的疲劳性能。

(3)在黏层施工过程中，因无评价指标，缺乏有效的检测手段，使施工质量无法得到控制和保证。

3 沥青面层层间抗剪性能检验

基于中国各级公路广泛应用的半刚性基层沥青路面，对SBS改性沥青、高黏沥青和环氧乳化沥青黏层的性能进行检验。要求沥青面层层间最大剪应力τmax不大于黏层的疲劳抗剪强度(容许剪应力)τR，即

τmax≤τR

(2)

选用5种较为典型的路面结构，其基本计算参数如表6所示。

表6 路面结构及计算参数

检验以60 ℃和100 kN作为基准温度和基准荷载，车辆按均匀行驶状态来考虑，从偏安全角度出发，路面摩擦系数f取0.1。ANSYS有限元计算结果如表7所示。

表7 层间最大剪应力和相应的正应力

3种黏层材料的抗剪指标如表8所示，抗剪强度按式(3)计算。

τf=c+σtanφ

(3)

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角。

根据各级公路适应的交通等级确定累计当量轴次和60 ℃时的累计当量轴次Nf，进而按式(4)计算抗剪强度结构系数KT，并按式(5)计算τR。

表8 层间抗剪性能检验结果

注：Nf表示累计当量轴次；Ac表示结构类型系数；KT表示抗剪强度结构系数；τf表示抗剪强度。

(4)

(5)

由于沥青面层剪切推移破坏多发生在高温季节，所以应将不同温度条件下的当量轴次转化为60 ℃时的当量轴次。由课题组前期关于温度对沥青面层黏层疲劳寿命的影响分析可知，温度对剪切性能的影响很大，50 ℃下100 kN轴载作用1次，相当于60 ℃下100 kN轴载作用0.1次。因此为方便起见，仅考虑60 ℃时的轴载作用，不计其他温度条件下的轴载作用。

由表7、8可知，5种结构的高黏沥青和环氧乳化沥青黏层的容许抗剪强度均大于层间最大剪应力，满足抗剪强度控制标准，不会产生层间滑移破坏；对于SBS改性沥青黏层，结构A、B的层间最大剪应力均小于其容许剪应力，结构C、D、E的层间最大剪应力均大于其容许剪应力，不满足抗剪强度控制标准。也就是说，对于结构C、D、E而言，如果上中沥青面层层间采用SBS改性沥青作黏层，则极易产生层间滑移破坏。

4 结 语

(1)直道处的沥青面层层间滑移破坏表现为U型裂缝，主要由两侧剪切撕裂状的斜裂缝以及斜裂缝顶部拉伸开裂状的横向裂缝组成。其中斜裂缝与行车方向大致成30°角，横向裂缝与两侧的斜裂缝贯通并形成U型裂缝，宽度可达2～3 cm。在U型裂缝两侧，还可以看到明显的由层间滑移引起的褶皱。

(2)系统分析了沥青面层层间滑移的原因，认为沥青面层层间滑移受行车荷载、黏层材料性能、环境条件和施工质量等因素的影响，而且黏层施工过程中存在洒布量控制不严、洒布不均匀、下承层界面清理不干净和层间污染等问题，这些对黏层的性能会产生很大影响。

(3)对中国各级公路广泛应用的半刚性基层沥青路面的层层间抗剪性能进行了检验。结果表明，无论是环氧乳化沥青、高黏沥青还是SBS改性沥青，都能满足二级公路抗剪强度标准，环氧乳化沥青和高黏沥青基本能满足高速公路和一级公路抗剪强度标准，但SBS改性沥青不能满足高速公路和一级公路抗剪强度标准，极易产生层间滑移破坏。

[1] 李秋实,何东坡,丁海波.黏层对不同类型路面组合界面力学特性的影响[J].中国公路学报,2015,28(8):22-30.

[2] 王繁兴,姜世波,鲁圣弟,等.省道肥梁线沥青路面病害调查分析研究[J].山东建筑大学学报,2016，31(5):477-482.

[3] 刘 丽,郝培文,徐金枝.半刚性基层沥青路面U形开裂影响因素分析[J].公路交通科技,2011,28(3):36-41.

[4] 汪水银.半刚性基层与沥青面层粘结性能影响因素[J].交通运输工程学报,2010，10(2):12-19.

[5] 黄 优,刘朝晖,李 盛,等.不同层间结合状态下刚柔复合式路面的剪应力分析[J].公路交通科技,2015,32(6):32-38.

[6] 彭妙娟,赵文宣.层间接触对沥青路面抗车辙性能的影响[J].公路交通科技,2016,33(7):1-6.

[7] 刘小云,邵雨虹,靳晓娟.沥青路面层间剪切强度的概率分布及可靠性设计[J].郑州大学学报:工学版,2015,36(5):78-83.

[8] 王向恒.沥青路面层间剪切破坏和层间功能层研究[D].西安:长安大学,2009.

[9] 阮鹿鸣,邹晓翎,柴明明,等.高温地区沥青路面结构抗车辙性能分析[J].武汉理工大学学报,2015,37(11):43-47.

[10] 许金良,鲁 娥,王 恒,等.高速公路弯坡组合路段载重汽车侧滑仿真[J].公路交通科技,2015,32(5):147-151.

[11] 何满坤.二级公路沥青混凝土路面陡坡弯道路段剪切滑移破坏机理与处治研究[D].昆明：云南大学,2015.

[12] 钟志明,王庆珍,赵桂香.重庆市国省干线公路重载状况及影响分析[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(5):43-46.

[13] 焦生杰,顾海荣.沥青洒布车及其控制技术现状[J].筑路机械与施工机械化,2007,24(1):1-4.

[14] 邱丽鹏.沥青双层摊铺设备及施工特点[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(11):103-107.