沥青路面层间剪切强度主要影响因素研究

李佳奇

(河北省保定市交通运输局望都养路工区 望都 072450)

目前，世界上大多数国家在沥青路面的设计规范中，没有涉及到层间剪切强度的相关力学指标[1]。但是，交通运输中尤其是在坡道行驶、起步、制动的过程中都会形成较大的剪应力，其对公路影响巨大[2-3]。近些年我国重载车辆不断增多，超载现象日益严重，如果沥青路面各层之间的抗剪切强度不足的话，易发生剪切破坏[4]。国内相关学者对沥青路面破坏的研究显示，我国公路破坏的形式主要是层间剪切破坏[5]。

沥青路面层间剪切强度影响因素很多，如，黏结材料、污染、黏结材料洒布量、受力、温度等。本文拟采用实验研究的方法，研究不同因素对沥青路面层间剪切强度的影响。

1 黏结材料对沥青路面层间剪切强度的影响

沥青路面层间剪切强度主要依靠黏结材料提供，黏结材料对沥青路面层间剪切强度的影响非常大。

1.1 试件的制备

为对比几种常见的黏结剂对剪切强度的影响，选取普通乳化沥青、SBR改性乳化沥青、SBS改性沥青、super PCR改性乳化沥青和GMR溶剂型黏结剂5种黏结剂。为保证实验的精确性，每种不同的黏结剂分别制作3个试件。

试件采用AC-13和AC-16双层结构，其中AC-16下层结构厚度为6 cm，AC-13上层结构厚度为6 cm。首先在自制模具中成型60 cm×20 cm×6 cm的下层结构，并在20 ℃室温下静置24 h后脱模，然后在下层结构的上表面上均匀地涂抹相应的黏结剂，查阅国内相关文献的研究结果，黏结剂的最佳洒布量略有差异，但均在0.6～0.8 kg/m2之间，本文黏结剂的洒布量统一控制每块试件上表面为72 g(即0.6 kg/m2)[6-7]。均匀涂抹后静置，待乳化沥青完全破乳后将其放入模具中成型6 cm的上层，并在20 ℃室温下静置24 h。静置后脱模取出坯料并将坯料切割成3个20 cm×20 cm×6 cm的试件留用。

1.2 实验结果

采用剪切试验仪自主设计斜面夹具，使仪器施加的力分解成剪切力和竖向力。为模仿起步及刹车时路面受力情况，将夹具的斜剪角设计为40°，设定实验速率为30 mm/min。将试件分别在室温下进行剪切试验，并计算其剪切强度。实验结果见表1。

表1 各黏结材料抗剪强度实验结果 /MPa

1.3 实验结果分析

各种黏结剂的各次实验数据略微不同，但是相差较小，属于合理的实验误差。比较其剪切强度的平均值，采用普通乳化沥青黏结剂的剪切强度最低，随着剪切强度逐渐增大，依次对应的黏结剂是SBR改性乳化沥青、SBS改性沥青、GMR溶剂型黏结剂和super PCR改性乳化沥青。其中采用GMR溶剂型黏结剂和super PCR改性乳化沥青作为黏结剂进行比较，虽然super PCR改性乳化沥青黏结剂的剪切强度稍高，但是两者的剪切强度相差较小，可以认为采用两者作为黏结剂的剪切强度相近。采用普通乳化沥青作为黏结剂，剪切强度远小于其他黏结剂， SBR改性乳化沥青剪切强度也达到了普通乳化沥青的150%以上，而GMR溶剂型黏结剂和super PCR改性乳化沥青的剪切强度达到了普通乳化沥青的200%以上。

2 洒布量对沥青路面层间剪切强度的影响

2.1 试件的制备

本轮实验试件的制作方法与上文相同，仍然将试件切成3份进行3次实验。黏结剂和洒布量的选取上，为避免单一黏结剂的实验结果误差，分别选取黏结剂SBS改性沥青和super PCR改性乳化沥青进行试验，根据相关文献，本文实验黏结剂的洒布量分别选取48 g(0.4 kg/m2)，72 g(0.6 kg/m2)，96 g(0.8 kg/m2)，120 g(1 kg/m2)，144 g(1.2 kg/m2)。

2.2 实验结果

采用剪切试验仪在室温下对各组试件进行实验，并计算各组试件的剪切强度，SBS改性沥青和super PCR改性乳化沥青各组试件的剪切强度统计见表2和表3。

表2 SBS改性沥青不同洒布量剪切强度MPa

表3 Super PCR改性乳化沥青不同洒布量剪切强度MPa

在实验中，2种黏结剂各洒布量的3次实验数据相差较小，可以确定为有效的实验数据。

2.3 实验结果分析

实验结果表明，SBS改性沥青和super PCR改性乳化沥青在洒布量较低时，随着洒布量的增加其剪切强度均呈现增大的趋势，但是当洒布量大到一定程度的时，其剪切强度又会逐渐下降。2种黏结剂最大的剪切强度均出现在试件洒布量为96 g即0.8 kg/m2时。究其原因是当洒布量较少时不足以良好黏结，而洒布量超过96 g时，则大量黏结剂堆积在一起形成一定的润滑效果。

3 温度对沥青路面层间剪切强度的影响

3.1 试件的制备

采用与上文相同的模具与方法制作试件，本轮实验选用SBS改性沥青作为黏结剂，为防止因黏结剂的洒布量不同而产生误差，因此选择72 g和96 g 2种洒布量来制备试件。华北平原的沥青公路工作温度呈现冬冷夏热的情况，冬季工作环境在0 ℃以下，而夏季路面温度高达60 ℃以上，所以选取0，20，40，60 ℃ 4个实验温度。

3.2 实验结果

分别将试件放入冰箱或烘箱中，将温度设置为0，20，40，60 ℃恒温保存3 h，然后迅速将试件取出放入剪切试验仪进行剪切实验。各实验结果在误差范围内实验结果有效，计算其平均值，不同洒布量的剪切强度结果记录见表4和表5。

表4 洒布量72 g下不同温度剪切强度 MPa

表5 洒布量96 g下不同温度剪切强度 MPa

3.3 实验结果分析

分析实验结果可知，无论何种洒布量，沥青路面层间剪切强度均随着温度的上升而下降。在下降过程中温度低于20 ℃时下降较慢，2种洒布量20 ℃时剪切强度分别为0 ℃时的94.3%和94%。随着温度的升高，剪切强度下降的速度逐渐加快，40 ℃下剪切强度分别为0 ℃时的50.7%和48.8%，而60 ℃是剪切强度仅为0 ℃时的14.9%和14%。2种洒布量在低温时剪切强度有所差别，但是随着温度的升高不同洒布量之间剪切强度的差距逐渐缩小，当温度为0 ℃时2种洒布量剪切强度的比值为108.5%，而当温度升高到60 ℃时比值仅为101%。究其原因，黏结剂及沥青本身随着温度的升高剪切强度均会下降。

4 污染物沥青路面层间剪切强度的影响

4.1 试件的制备

道路建设中沥青路面层之间容易受到的污染主要有2种，即沙尘污染和油污染，本研究中选取细沙尘和废旧机油2种污染物。试件的制备工艺及大小与上文相同，选用SBS改性沥青黏结剂，黏结剂的洒布量选取剪切强度最高的96 g，污染物量分别为15，30，45 g，在上下层之间均匀洒布。

4.2 实验结果及分析

将实验结果整理成表6和表7。

表6 沙尘污染与剪切强度关系 MPa

表7 机油污染与剪切强度关系 MPa

分析实验结果可知，无论是何种污染物，随着污染程度的增加，沥青路面层间剪切强度均呈下降趋势。2种污染物对比，机油污染对剪切强度的影响更大，随着污染程度的增加路面层间剪切强度下降更快。究其原因，污染物会和黏结剂形成混合物从而降低黏结剂的黏结性能，而油污与黏结剂混合的更加充分，对其黏结性能影响也更大。

5 工程案例

试验路段位于保定市境内S331省道保定至高阳段，中层结构为AC-16，面层结构为AC-13，黏结剂为super PCR改性乳化沥青，黏结剂的洒布量与室内实验洒布量相同，钻芯取样进行试验，将试验结果对比统计见表8。

表8 试验路段剪切强度对比 MPa

与室内实验相比，当黏结剂洒布量超过0.8 kg/m2，试验路段的剪切强度并没有下降而是保持了较高的剪切强度并略有上升。

其原因可能有以下2点：①工程应用中黏结剂的洒布无法像实验室一样均匀；②道路施工中采用压路机振动碾压成型，黏结剂洒布量上下层更加密实，未形成大量黏结剂堆积。

6 结论

1) 通过对比采用5种黏结材料沥青路面的层间剪切强度，super PCR改性乳化沥青和GMR溶剂型黏结剂剪切强度相近且显著大于其他黏结剂，按其剪切强度排序，其他依次为SBS改性沥青、SBR改性乳化沥青和普通乳化沥青。

2) 黏结材料的洒布量低于0.8 kg/m2时，随着黏结材料洒布量的增加，其层间剪切强度呈增加的趋势，黏结材料的洒布量超过0.8 kg/m2时，增加趋势不再明显。

3) 随着温度增加，沥青路面层间剪切强度逐渐下降，但是其下降并非呈线性，在实验的0～60 ℃之间温度越高，其剪切强度下降得越快。

4) 污染物会显著降低沥青路面层间剪切强度，且随着污染程度的上升，剪切强度会呈现单调下降的趋势。在常见的污染物中，受到油污染的路面层间剪切强度下降程度显著大于沙尘污染。

5) 公路施工中应在预算允许的情况下尽量选用层间剪切强度较高的黏结剂,洒布量应在0.8 kg/m2以上，在施工过程中尽量避免污染，尤其是避免油污染。道路的使用及维护中，夏季气温较高时应更加注意道路的维护和保养。