基于层间抗剪强度的水泥混凝土板刻槽参数的确定

2018-12-11王育博姚爱玲

山西建筑 2018年32期

刘鹏王育博卢欢姚爱玲

(1.呼伦贝尔市公路管理局拉布大林公路养护管理处，内蒙古呼伦贝尔 022250；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710000；3.中交通力建设股份有限公司，陕西西安 710075)

0 引言

水泥混凝土面板上加铺薄层沥青铺装层的复合式结构是指薄层沥青混凝土铺装层直接铺筑在水泥混凝土面板上，铺装层属于表面功能层，主要是起磨耗层的作用。若水泥混凝土面板与薄层沥青铺装的层间抗剪强度不足，则容易出现滑移，进而导致铺装层的变形，破坏整个铺装体系。为了增加水泥混凝土面板与薄层沥青铺装层间的抗剪强度或粘结力，通常采用对混凝土面板刻槽与喷洒粘结层相结合的方式。因此，研究水泥混凝土面板刻槽参数以及粘结层材料的用量对该结构具有重要的现实意义和理论价值[1，2]。

在水泥混凝土面板的刻槽参数研究方面，PCA和AASHTO以安全行车为目标，推荐槽深3.2 mm～4.0 mm、槽宽2.3 mm～3.2 mm、槽间距12 mm～25 mm的刻槽参数[3]；美国加州从行车安全和舒适度方面考虑，规定横向刻槽参数为槽宽2.4 mm、槽深大于3.2 mm、槽间距19 mm[4]；美国联邦公路局以改善混凝土路面抗滑能力为准则，并考虑刻槽参数对路面噪声的影响，建议采用槽宽为3 mm、槽深为3 mm～6 mm、槽间距在10 mm～57 mm，窄而深的不等间距横向刻槽[5]；法国、英国从抗滑能力以及控制噪声方面也对刻槽的参数进行了研究和规定[6]。我国在刻槽参数优化等方面的研究起步较晚，但也取得了一系列的成果，同时给出了基于安全性考虑的刻槽参数[7]。本文对混凝土刻槽参数的研究是基于增加混凝土面板与薄层沥青铺装层的层间抗剪强度，分析刻槽参数及SBS改性沥青粘结层最佳用量对铺装层层间抗剪强度的影响，从而得出层间抗剪强度值最大时的最佳组合，为混凝土面板薄层铺装结构的层间参数设置提供理论依据。

1 试验用原材料与配合比

1.1 水泥与水泥混凝土

采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。按照JTG E30—2005公路工程水泥混凝土试验规程[8]，对水泥进行试验检测，满足施工技术规范的要求。混凝土的配合比设计结果见表1。

表1 水泥混凝土配合比

1.2 SBS粘结层

选用江苏祥和沥青有限公司生产的I-C型SBS改性沥青作为粘结层材料。

1.3 沥青与沥青混合料

4 cm的薄层沥青铺装层采用密级配AC-13改性沥青混合料，改性沥青与粘层用的SBS改性沥青相同，通过配合比设计与检验试验，确定出矿料级配和最佳油石比，对应的技术参数见表2。

表2 AC-13的最佳油石比及其相应的马歇尔试验结果

2 水泥混凝土板刻槽参数的确定

试验分两步进行，首先拟定一个粘结层用量，通过正交设计试验，确定出两种槽向的刻槽参数以及槽向，以此为基础，进行第二步的粘结层用油量的确定。

2.1 正交试验设计

为了增加混凝土与其上的沥青铺装层之间的粘结力，避免发生层间剪切滑移，采取将水泥混凝土的表面粗糙化与洒布粘结层相结合的方法，因而，需要对这两方面的参数进行优化设计。刻槽采取了横向和纵向刻槽两种方式，粘层采用的是SBS改性沥青。

依据规范及国内部分工程实例[9]，按正交试验法对槽宽、槽深、槽间距三因素进行三水平设计，对两种槽向都确定了9组试验方案，槽深：3 mm，4 mm，5 mm；槽宽3 mm，4 mm，5 mm；槽间距10 mm，17 mm，24 mm。按正交试验法设计的横向与纵向刻槽的试验方案见表3。

表3 正交试验表 mm

试验时，首先拟定SBS改性沥青防水粘结层的用量为1.3 mm[10，11]。

2.2 试件制作与试验方法

在喷洒改性沥青粘结层材料之前，为使粘结层材料与沥青铺装层有很好的粘结作用，先在水泥混凝土板上喷洒一层乳化沥青作为浸润层，由于刻槽参数组合不同，每个试验号的水泥面板构造深度不同，若采用相同份量的粘结层进行喷洒，由于填进槽内的量不同，不能保证粘结层的有效厚度相同，其结果可比性较小，故本试验先采用干燥洁净的矿粉实际填满300 mm×300 mm水泥混凝土面板上的槽，测量实际槽容积，在喷洒粘结层用量时，先确定填满槽的粘结层材料的体积，再加上本试验选择的粘结层厚度1.3 mm，进而确定粘结层用量，由于刻槽参数选择了9种组合方式，所以第一期试验的各组粘结层用量见表4。横向槽和纵向槽剪切试验中粘结层用量均采用表中数据。

表4 粘结层用量表

沥青铺装层选择4 cm厚度AC-13混合料。各试验步骤均要求严格、规范，成型300 mm×300 mm×50 mm的板式试件，经过水泥混凝土面板喷洒SBS改性沥青粘结层并铺筑沥青混凝土面层之后养生48 h，然后钻芯取样，进行有附加压力的层间直剪试验，沥青表面的正压力选择0.7 MPa，剪切速率选择5 mm/min，剪切温度选择常温25 ℃。试验结果按正交实验法进行处理，得出横向和纵向的最佳槽宽、槽深、槽间距。

2.3 横向刻槽和纵向刻槽试验结果与分析

横向、纵向刻槽直剪试验结果见表5，经正交试验结果分析其效应曲线见图1～图3。

表5 横向、纵向槽正交试验结果

图1说明，对于横向刻槽，在选定的三个槽宽变量中，随着槽宽的增加，抗剪强度也随之增加。在槽宽数值较小时随槽宽的增大抗剪强度上升的并不明显，槽宽数值较大时抗剪强度增大较快；对于纵向刻槽，在选定的三个槽宽中，随着槽宽的增加，抗剪强度随之减小。并且在选定的三个槽宽范围内，抗剪强度值基本呈直线下降趋势。

图2表明，对于横向刻槽与纵向刻槽，在选定的三个槽深变量中，两种槽向表现出相同的规律，随着槽深的增加，抗剪强度并没有随之增加，反而呈减小趋势。说明变化槽深对层间抗剪强度没有积极的作用。

图3表明，对于横向刻槽与纵向刻槽，在选定的三个槽间距变量中，两种槽向表现出相同的规律，随着槽间距的增加，抗剪强度减小。在槽间距数值较大时随槽间距的减小抗剪强度上升的并不明显，槽间距数值较小时随着槽间距的减小抗剪强度增大较快。由此可见横向和纵向槽间距对层间抗剪强度的影响趋势一样。

从图1～图3可以得出：以层间抗剪强度为指标，确定出最优的横向刻槽方案为刻槽宽度为5 mm、深度为3 mm、间距为10 mm；最优的纵向刻槽方案为刻槽宽度为3 mm、深度为3 mm、间距为10 mm。并以此方案进行水泥混凝土面板刻槽，进行第二期即最佳粘结层用量的选定试验。横、纵向槽的槽宽、槽深、槽间距经正交试验结果分析方差分析表见表6。

表6 方差分析表

从表6可以看出，槽间距对横、纵向层间抗剪强度影响最大。

3 确定粘结层SBS改性沥青的最佳用量

根据已经得出的横向与纵向刻槽的最佳参数，进行两种槽向的最优刻槽参数组合下的粘结层SBS改性沥青最佳用量试验。试验将SBS改性沥青粘结层的用量分为五档：0.4 kg/m2，0.8 kg/m2，1.2 kg/m2，1.6 kg/m2，2.0 kg/m2。分别确定横向和纵向的最佳粘结层用量。

水泥混凝土面板喷洒SBS改性沥青粘结层必须经晒干以后，方可进行沥青混凝土面层铺筑，面层铺筑之后养生48 h，进行钻芯取样，并做有附加荷载的直剪试验。

3.1 横向、纵向刻槽最佳防水粘结层用量确定

横向、纵向刻槽不同粘结层用量的直剪试验结果见表7，横向、纵向刻槽层间抗剪强度与粘结层用量关系见图4。

表7 横向、纵向槽直剪试验结果

由图4可以看出，以层间抗剪强度为指标，对于横向槽(宽5 mm、深3 mm、间距10 mm)的最佳粘结层用量为0.9 kg/m2。当用量高于0.9 kg/m2时，随着粘结层用量的增加，抗剪强度随之减小；对于纵向槽(宽3 mm、深3 mm、间距10 mm)的最佳粘结层用量为1.0 kg/m2，但是从图表中可以看出，当粘结层用量大于0.8 kg/m2时，粘结层用量的变化对层间抗剪强度影响不大。

3.2 刻槽方向的确定

根据已经得出的横向和纵向的最优参数组合以及粘结层最佳用量，在同样的试验条件下进行了横向和纵向两个槽向对层间抗剪强度的影响试验。横向槽采用槽宽5 mm、槽深3 mm、间距10 mm，SBS改性沥青粘结层用量0.9 kg/m2；纵向槽采用槽宽3 mm、槽深3 mm、间距10 mm，SBS改性沥青粘结层用量1.0 kg/m2。直剪试验得出横向与纵向刻槽的抗剪强度分别为1.23 MPa，0.85 MPa。结果表明，横向刻槽最优参数组合与最佳粘结层用量下得到的层间抗剪强度明显大于纵向刻槽最优方案的层间抗剪强度值，因此，对于水泥混凝土薄层沥青铺装结构应选择混凝土面板横向刻槽方式。