同步碎石下封层层间粘结性能影响因素研究

2018-06-14李博

西部交通科技 2018年2期

李博

(广西正和高速公路有限公司，广西南宁 530022)

0 引言

半刚性路面是我国高速公路中最常用的路面结构形式，其由具有强度大和板

体性好等特点的水泥稳定碎石基层与具有行车舒适性好和养护维修简便等特点的沥青混凝土面层组合而成。但研究发现，此种结构类型容易产生反射裂缝、层间滑移及基层表面水损害等病害，严重影响沥青路面使用寿命[1-7]。而上述现象基本都与沥青面层与水泥稳定碎石基层层间粘结性能有关，因此如何提高层间粘结性能一直是学者们研究的热点。

同步碎石封层因具有优良的抗渗及防滑等性能，早期在路面表面层预防性养护技术中得到广泛应用，而近年来研究发现将其应用于沥青路面和半刚性基层之间(即下封层)能有效延缓反射裂缝，并能防止水分侵入基层表面[8-9]。因此研究掌握同步碎石下封层层间粘结性能影响因素，以寻求合理的改善措施，对提高沥青路面使用寿命有重要意义。为此，本文基于斜剪试验得出的抗剪强度，分析各因素对同步碎石封层粘结性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

1.1.1 沥青

沥青选用AH-70和SBS(I-D)，两者主要技术指标如表1所示。

表1 AH-70和SBS(I-D)主要技术指标对比表

1.1.2 集料及级配

试验用石灰岩集料，矿粉由石灰岩磨细而得，基层为水泥稳定碎石，水泥剂量6%，最佳含水量5.2%，最大干密度2.305 g/cm3，下面层为ATB-25，采用AH-70沥青，油石比3.6%，两者级配如表2所示。

表2 水泥稳定碎石基层和ATB-25下面层集料级配表

1.2 试验方法

1.2.1 试样制备

使用振动法成型300 mm×300 mm×50 mm水泥稳定碎石试件，室温养护2 d脱模后洒布乳化沥青透层，用量1.0 kg/m2，然后移入标准养护室养护7 d。将制备的水泥稳定碎石移入300 mm×300 mm×100 mm试模，加热AH-70沥青至140 ℃或SBS(I-D)沥青至170 ℃涂抹于透层表面，并随即撒布干燥洁净的单一粒径碎石，然后在其上使用轮碾法加铺50 mm厚ATB-25，脱模后钻芯取得直径98 mm×高100 mm试样。

1.2.2 层间抗剪强度测定

使用斜剪法测定层间抗剪强度，如图1所示。其中剪切夹具斜角为45°，试验过程中采用马歇尔稳定仪以50 mm/min速率加载，可将正压力F分解为与剪切面垂直的正应力和水平的剪应力τ，其中τ计算方法如下页公式1所示。

图1 斜剪法示意图

(1)

式中：τ——水平剪应力(MPa)；F——破坏荷载(kN)；S——试件剪切面积(cm2)；α——45°。

2 试验温度对层间粘结性能影响

为研究试验温度对同步碎石下封层层间粘结性能的影响，使用AH-70和SBS(I-D)两种类型沥青作封层油，用量1.8 kg/m2，碎石粒径则为9.5 mm(表示9.5～13.2 mm)，撒布面积70%，制作试件分别置于25 ℃、45 ℃和60 ℃的烘箱中保温后进行抗剪强度测定，结果如表3所示。由此可得出如下结论：

表3 不同试验温度下层间抗剪强度试验结果表

(1)复合试件层间粘结性能随温度的升高逐渐下降，尤其低于45 ℃时表现明显。温度由25 ℃增加至45 ℃时，采用基质沥青和SBS改性沥青制作的同步碎石封层层间抗剪强度分别下降52.0%和55.9%，而温度由45 ℃增加至60 ℃时两者仅分别下降18.6%和20.0%。

(2)同步碎石封层使用SBS改性沥青时成型的复合试件层间粘结性能明显优于70号基质沥青，但温度提高时两者相差幅度减小。各个试验温度下SBS改性沥青制作的试件抗剪强度值均高于基质沥青，其中温度为25 ℃时较其高出17.7%，而温度上升到60 ℃时仅高出8.9%。分析原因为将SBS加入沥青后，其吸收轻质组分溶胀，沥青粘稠度增加，同时SBS在沥青中形成相互交联的空间网状结构，因而进行剪切试验时沥青相和SBS相共同受力，故抗剪强度高于基质沥青[10]，但SBS也增加了沥青黏度对温度的敏感性，故试验温度提高时其效应与基质沥青逐渐接近。

3 材料组成对层间粘结性能影响

为研究沥青用量、集料粒径和集料撒布率对同步碎石下封层层间粘结性能的影响，选择1.4 kg/m2、1.6 kg/m2和1.8 kg/m2三个用量的SBS(I-D)改性沥青，4.75 mm、9.5 mm和13.2 mm三种集料粒径，60%、70%和80%三个集料撒布率，制作17种不同类型复合试件进行抗剪强度试验，结果如表4所示。

表4 不同材料组成下层间抗剪强度试验结果表

3.1 沥青用量影响

将编号为1、6、13，2、7、14和3、8、15复合试件的层间抗剪强度试验结果绘制于图2。由此可得出如下结论：

图2 沥青用量对层间抗剪强度影响曲线图

(1)复合试件同步碎石层间粘结性能随沥青用量的增加先增强后减弱，用量为1.6 kg/m2时效果最好，分析原因为沥青在层间同时起到粘附和润滑的作用，用量过少时主要起粘附作用，此时集料容易脱落，而用量过多时沥青主要起润滑作用，不利于粘结。

(2)集料撒布率不同时，层间粘结性能对沥青用量的敏感性不同。沥青用量由1.4 kg/m2增加至1.6 kg/m2，60%、70%和80%集料撒布率的复合试件层间抗剪强度分别增加17.9%、8.9%和18.4%，显然此时增加沥青用量对提高60%和80%集料撒布率的同步碎石封层层间粘结性能效果较好，而沥青用量由1.6 kg/m2增加至1.8 kg/m2，三者分别降低5.4%、5.1%和8.6%，此时增加沥青用量使80%集料撒布率的同步碎石封层层间粘结性能降低较快。

3.2 集料粒径影响

将编号为7、9、11，8、10、12和13、16、17复合试件的层间抗剪强度试验结果绘制于图3。由此可得出如下结论：

图3 集料粒径对层间抗剪强度影响曲线图

(1)复合试件同步碎石层间粘结性能随集料粒径的增加逐渐降低，分析原因在于粒径较小时沥青在集料高度方向的作用范围增加，因而集料粘结稳定性好。

(2)集料撒布率不同时层间粘结性能对集料粒径的敏感性不同。集料粒径由4.75 mm增加至9.5 mm时，70%和80%集料撒布率的复合试件层间抗剪强度分别下降20.5%和15.1%，显然此时70%撒布率的抗剪强度下降更为明显，而集料粒径由9.5 mm增加至13.2 mm时，两者分别下降32.9%和35.5%，敏感性与前述正好相反。

3.3 集料撒布率影响

将编号为1～3，6～8和13～15复合试件的层间抗剪强度试验结果绘制于图4。由此可得出如下结论：

图4 集料撒布率对层间抗剪强度影响曲线图

(1)复合试件同步碎石层间粘结性能随集料撒布率的增加先增强后减弱，用量为70%时效果最好，分析原因在于集料撒布率过低时沥青对层间润滑作用明显，抗剪强度较低，而撒布率过高时其对下面层和基层阻隔作用增大，下面层沥青与同步碎石用沥青不能形成有效粘结。

(2)沥青用量不同时，层间粘结性能对集料撒布率的敏感性不同。集料撒布率由60%增加至70%时，1.4 kg/m2、1.6 kg/m2和1.8 kg/m2沥青用量的复合试件层间抗剪强度分别增加12.8%、4.1%和4.5%，而集料撒布率由70%增加至80%，三者分别降低12.5%、4.8%和8.4%，显然沥青用量为1.4 kg/m2、1.8 kg/m2和1.6 kg/m2时层间抗剪强度对集料撒布率的敏感性依次降低。