旧水泥混凝土路面加铺沥青面层层间结合措施的试验研究

2018-11-27吴飞富彩雷洲

西部交通科技 2018年8期

吴飞富，彩雷洲

(1.广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，广西南宁 530028；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

为提高路面服务水平，改善行驶环境，目前交通行业正兴起旧水泥混凝土路面改造加铺沥青路面工程[1]。国外如美国、欧洲、日本等国家或地区，自20世纪中叶开始，已经对水泥混凝土路面改造加铺沥青面层技术进行研究应用，相关技术成果体系较为成熟。而我国开展此项技术的研究相对较晚，早先研究人员将国外技术经验照搬至国内，但由于国外交通量、气候及原材料的地域差异性，其相关的技术研究成果不能直接用于我国工程建设[2-3]。近年来，随着相关研究的不断深入，我国已经在全国范围内成功修筑多条水泥混凝土路面改造加铺沥青面层典型工程，取得了大量的研究成果。

众所周知，层间结合处治是旧水泥混凝土路面加铺沥青面层的首要环节，也是影响路面长期耐久性的关键环节，对抑制水泥混凝土裂缝向上反射、阻挡雨水下渗起到重要的作用。尤其在降雨量较多的南方地区，更有必要对水泥混凝土路面加铺沥青面层层间结合措施进行深入、系统的研究分析。因此，本文依托广西柳南高速公路改建工程，结合广西交通量、气候及公路建设特点，开展旧水泥路面加铺沥青面层层间结合措施的相关研究工作。

1 层间材料选用

本文研究中采用的层间粘结材料有AH-90基质沥青、改性沥青、乳化沥青以及橡胶沥青，其中橡胶沥青为在AH-90基质沥青中掺配不同比例的橡胶粉室内自制。所用材料的技术指标均满足现行规范要求[4-5]。

2 层间结合试验评价方法

2.1 层间结合评价方法

目前常用拉拔、剪切试验研究评价水泥路面与沥青面层的层间结合效果，但由于拉拔试验的力学原理与实际不符，试验操作复杂且试验结果受环境影响较大，因此，本文在研究中采用代表性较为突出的直剪和斜剪两种剪切试验评价方法。

直剪试验是一种相对理想的剪切试验方法，试验中一般施加平行于剪切面的单向荷载。而斜剪试验是将试件倾斜后，施加垂直方向的荷载，倾斜角的存在使试件受力状况与实际工况较为符合[6]。直剪和斜剪二者试验均通过得到的剪切力结果，评价层间结合的抗剪切强度。

2.2 试件的准备与成型

研究采用直径为15 cm的圆柱形水泥混凝土试件，通过室内试验或现场取芯制成。为提高层间的粘结效果，在涂抹粘层材料前，首先将水泥混凝土试件表面的浮浆清除干净，以保证层间界面的粗糙度；然后将水泥混凝土试件放置在实验室天平秤上，将计算好用量的黏层材料均匀涂抹到试件表面。

待水泥混凝土试件表面的黏层材料冷却至室温后，将其放置在由两个半圆组合形成的夹具中，准备成型沥青面层。按马歇尔击实试验方法在室内制备沥青混凝土试件，其用量应结合现场压实度水平而定。沥青混凝土试件厚度应根据集料最大公称粒径确定，当最大公称粒径≤19 mm时，成型的试件厚度宜为4～5 cm；反之，应考虑适当增加沥青混凝土成型厚度。

3 层间结合措施的试验研究

3.1 界面干湿状态对层间结合效果的影响

3.1.1 不同界面干湿状态的影响

为研究界面干湿状态对层间结合效果的影响，采用改性沥青和乳化沥青黏层材料，分别进行不同界面干湿条件(干燥和饱水24 h)下的层间直剪试验[7]。试验结果如表1所示。

表1 不同界面干湿条件下直剪试验检测结果表(MPa)

从表1可知，不论黏层材料采用改性沥青或乳化沥青，饱水后的层间抗剪切强度均明显降低；与乳化沥青粘层相比，饱水后的改性沥青层间抗剪切强度衰减程度相对较大。

3.1.2 不同界面粗糙度的影响

为研究界面粗糙程度对层间结合效果的影响，采用改性沥青黏层材料，分别进行不同界面粗糙度和干湿条件下的层间直剪试验。试验采用的界面粗糙度状态包括：(1)粗糙界面，用铁刷将水泥混凝土试件表面的集料、浮浆清洗干净，再均匀涂抹改性沥青黏层材料；(2)光滑界面，保持水泥混凝土试件成型时的表面光滑状态，直接均匀涂抹改性沥青黏层材料。试验结果如表2所示。

表2 不同界面粗糙度与干湿条件下直剪试验检测结果表(MPa)

从表2可知，不论何种界面粗糙程度，饱水后的层间抗剪切强度均有所降低，且光滑界面层间抗剪切强度衰减率相对较为明显；不论何种干湿条件，粗糙界面的层间抗剪切强度均明显大于光滑界面。试验说明：保持层间界面的粗糙性，即水泥混凝土表面浮浆清除干净且骨料完全裸露时，可以显著提高层间的结合效果。在水泥混凝土路面加铺沥青面层实体工程中，建议对旧水泥混凝土表面采取精铣刨、抛丸等处治措施，以增加层间界面的粗糙程度。

3.2 沥青混凝土性质对层间结合效果的影响

3.2.1 不同沥青混凝土粒径的影响

为研究不同沥青混凝土粒径对层间结合效果的影响，采用相同水泥混凝土试件、黏层材料和层间界面，分别进行AC10、SAC10、SAC16和SAC20四种类型沥青混凝土的层间直剪和斜剪试验。其中直剪切试验的温度条件为25 ℃，斜剪试验的温度条件为25 ℃和40 ℃。试验结果如图1所示。

图1 沥青混凝土粒径对层间剪切强度的影响柱形图

从图1可知，对于具有相似级配的SAC10、SAC16、SAC20沥青混凝土，其层间剪切强度随着混凝土粒径的增大而增大；对于粒径相同而级配类型不同的AC10与SAC10沥青混凝土，其层间剪切强度随着沥青混凝土表面构造深度的增大而减小，即AC10>SAC10。

由此说明层间剪切强度不完全受沥青混凝土粒径的影响，而与沥青混凝土的级配类型或构造深度密切相关。对于级配较细、构造深度较小的沥青混凝土，层间接触面有所增加，有利于提高层间抗剪切能力；而对于级配相似的沥青混凝土，沥青混凝土粒径越大，其抗剪切能力越好。

3.2.2 不同沥青混凝土压实度的影响

合格的压实度水平对沥青路面的使用品质起到重要作用。为分析沥青混凝土压实度水平对层间结合效果的影响，采用相同的水泥混凝土试件和黏层材料，分别进行不同沥青混凝土压实度条件下的层间直剪试验。试验中采用的压实度分别为94%、96%、98%、100%和102%。试验结果如图2所示。

图2 沥青混凝土压实度对剪切强度的影响曲线图

从试验结果可知：随着沥青混凝土压实度水平的增加，层间破坏位移逐渐减小，层间剪切强度逐渐增大。当压实度水平较低时，压实度的变化对剪切强度的提高较为明显；反之则提高缓慢。说明沥青混凝土压实度的好坏对层间抗剪切能力的影响非常明显，因此在实体工程施工过程中应保证沥青混凝土具有足够的压实度水平。

3.3 黏层材料对层间结合效果的影响

为分析黏层材料对层间粘结效果的影响，在试验中采用不同黏度的橡胶沥青，按照不同剂量涂抹到水泥混凝土试件的表面进行斜剪试验。试验以AH-90石油沥青作为基质沥青，采用40目橡胶粉掺配六种不同黏度橡胶沥青，掺配比例依次为0%、5%、10%、15%、20%、25%。层间橡胶沥青涂抹量依次为0.5 kg/m2、1.0 kg/m2、1.5 kg/m2、2.0 kg/m2、2.5 kg/m2、3.0 kg/m2。试验结果如图3所示。

图3 不同黏度和材料用量下层间剪切强度的变化规律示意图

从图3试验结果可知：(1)在相同黏层涂抹量条件下，当橡胶粉掺配比例(即橡胶沥青黏度)增加时，层面剪切强度的基本变化规律为先增加后降低，此规律与路面实际情况基本相符；但是当橡胶粉掺配比例为5%时，层间剪切强度可以达到最高峰值点，这一现象与路面实际完全不符。(2)当橡胶沥青黏层材料采用相同掺配比例时，随着黏层涂抹量的增加，层间剪切强度变化规律较为离散，无法准确反映实际变化情况。

在水泥混凝土路面加铺沥青面层实体工程中，热沥青黏层洒布量一般为1.5～2.0 kg/m2，橡胶沥青黏层洒布量一般为2.0～3.0 kg/m2，而上述试验研究却与实际路面情况相差甚远，试验结果不具有代表性。综上所述，本项研究得到的结论是，实际工况中水泥混凝土与沥青混凝土间的层间粘结作用复杂多变，综合影响因素较多。而仅以室内模拟试验的单一因素作为研究，不能准确反映实际工程情况，应结合现场检测结果进行对比验证。