复合式路面层间处置方法及技术标准研究

2019-03-12朱金鹏

山西交通科技 2019年6期

朱金鹏

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西太原 030032）

随着对行车舒适性和路面快速养护要求的提高，近年来水泥混凝土路面加铺沥青层越来越普遍，但是由于该结构上下两层性能差距大，层间处置的不合理将会导致路面在较短时间内发生沥青层剥落、推移等病害，严重影响到路面使用寿命，因此合理的层间处置对提高复合式路面整体性能，延长其使用寿命具有较大的意义[1]。

1 黏层对层间结合状态的影响分析

图1 层间剪切试验仪

图2 层间拉拔试验仪

复合式路面由于上下面层的模量性能相差很大，在行车荷载作用下，沥青与水泥混凝土两面层会产生不协调变形，使层间发生滑移、开裂，严重影响路面使用寿命。因此板面的结合状态是影响复合式路面寿命的重要因素。

通常为了提高板面结合状态，在复合式面层间设置黏层，即在沥青层与水泥混凝土路面之间洒铺沥青材料薄层。为了研究板面结合状态对路面使用性能的影响，本文对沥青面层与水泥路面基层间喷洒和不喷洒黏层油两种情况进行剪切、拉拔、层间疲劳试验。其中黏层采用改性乳化沥青，试验结果及分析如下。

试验采用4 cm AC-13C 型沥青面层+黏层+6 cm 水泥混凝土路面层结构，先在（300×300 ×100）mm 的模中成型车辙板，再用小钻芯机钻出Φ10×10 cm 的芯层作为剪切、拉拔试验的试件[2]。

1.1 黏层对抗剪强度的影响

表1 复合式路面层间有无黏层油剪切试验结果

层间抗剪强度是评定沥青水泥层间接触状态的一个主要指标[3]，本文对沥青水泥层间采用和不采用黏层油两种情况进行剪切试验，试验条件为25 ℃、40 ℃和60 ℃剪切3 种情况，试验结果如表1 和图3 所示。

图3 复合式路面不同情况下层间抗剪强度

由表1、图3 可知，层间抗剪强度对层间结合状态的变化很敏感，在不同温度下，层间无黏层油剪切强度仅为层间采用改性乳化沥青黏层油的63%、48%和66%，表明黏层油对于抗剪强度有很大的改善，可见黏层油对提高层间抗剪性能是非常有利的。

1.2 黏层对拉拔强度的影响

本文对沥青水泥层间喷洒和不喷洒黏层油两种情况进行拉拔试验，试验温度为25 ℃、40 ℃、60 ℃三种情况，试验结果如表2 和图4 所示。

表2 复合式路面层间拉拔试验

图4 复合式路面不同情况下层间拉拔强度

由表2 和图4 可以看出，复合层层间拉拔强度随试验温度的增加而降低。层间喷洒黏层油后层间拉拔强度明显提高，对于25 ℃、40 ℃、60 ℃下，喷洒与不喷洒黏层油的层间拉拔强度分别提高159%、85%和312%，改善效果明显。

2 黏层对路面寿命的影响

复合面层层间剪切疲劳寿命是决定路面使用寿命的一个重要指标，本文对复合式路面层间采用和不采用黏层油两种情况进行剪切疲劳试验，黏层油采用改性乳化沥青，疲劳试验的应力水平分别为0.2、0.3、0.4、0.5，试验结果如表3 和图5 所示。

表3 复合式路面层间疲劳寿命试验

图5 复合式路面不同应力水平下层间疲劳寿命

由表3 和图5 可知，复合面层剪切疲劳寿命随应力比的增加而显著降低，且喷洒黏层油后对层间剪切疲劳寿命提高显著。应力水平分别在0.2、0.3、0.4、0.5 情况下，喷洒黏层油比不喷洒时疲劳寿命提高360%、97%、134%和278%。

由以上分析可知，喷洒黏层油后复合面层层间的抗剪强度、拉拔强度及剪切疲劳寿命都得到了显著的提高。由于黏层的作用，使得复合路面沥青层和混凝土层之间黏结成一个较为稳定的整体，能够抵抗在车辆荷载作用下路面内部产生的各种水平应力和竖向应力，使得路面在较长时间内具备良好的路用性能。

3 黏层材料的选择及最佳洒布量确定

黏结层材料的选择及洒布量是影响层间结合状态的重要因素，黏层油过少不能全部覆盖水泥混凝土表面，影响水泥混凝土面板与沥青混凝土层的黏结；用量过多，则形成较厚的自由沥青，将导致形成薄弱层，导致层间滑移病害。在工程中，经常使用的黏层油材料有：改性乳化沥青、普通热沥青、高黏沥青、SBS 改性沥青等。因此对层间洒布不同黏层油材料进行室内剪切和拉拔试验，评定出最优黏层油材料，并确定最优黏层油的洒布量。

3.1 不同黏层材料最佳洒布量的确定

3.1.1 改性乳化沥青

分别按照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2洒布量洒布改性乳化沥青，对成型好的试件进行剪切试验，25 ℃和60 ℃试验结果如图6 所示。

图6 不同温度下改性乳化沥青用量与抗剪强度的关系

从图6 中可以看出，改性乳化沥青洒布量较小时，抗剪强度随洒布量的增加而增大，当洒布量达到0.6 kg/m2时，抗剪强度达到峰值，随后抗剪强度随洒布量的增加而急剧降低，因此改性沥青最佳洒布量为0.6 kg/m2。

3.1.2 热沥青

分别按照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2洒布量洒布70 号热沥青，对成型好的试件进行剪切试验，25 ℃和60 ℃试验结果如图7 所示。

图7 不同温度下70 号沥青用量与抗剪强度的关系

从图7 可以看出，25 ℃条件下热沥青洒布量为0.6 kg/m2时，抗剪强度达到峰值；60 ℃条件下热沥青洒布量为0.4 kg/m2时，抗剪强度达到峰值。高温条件下热沥青的最佳洒布量要略小一些。无论常温还是高温，抗剪强度在达到峰值后都急剧下降，沥青洒布量过大，会在层间形成一层富油层，容易形成层间滑移破坏，因此应严格控制黏层沥青用量。综合考虑路面使用环境与施工因素，热沥青的最佳洒布量宜为 0.6 kg/m2。

3.1.3 高黏沥青

分别按照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2洒布量洒布高黏沥青，对成型好的试件进行剪切试验，25 ℃和60 ℃试验结果如图8 所示。

图8 不同温度下高黏沥青用量与抗剪强度的关系

由图8 可看出，抗剪强度随高黏沥青洒布量的增加而增加，而且25 ℃和60 ℃的沥青抗剪强度均在洒布量为1.4 kg/m2后基本恒定，这与改性乳化沥青和基质沥青不同。因此，高黏沥青最佳洒布量为1.4 kg/m2。

3.1.4 SBS 改性沥青

分别按照 0.2 kg/m2、0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.8 kg/m2、1.0 kg/m2、1.2 kg/m2、1.4 kg/m2、1.6 kg/m2洒布量洒布SBS 改性热沥青，对成型好的试件进行剪切试验，25 ℃和60 ℃试验结果如图9 所示。

图9 不同温度下SBS 改性沥青用量与抗剪强度的关系

由图9 可看出，无论25 ℃还是60 ℃条件下，抗剪强度随SBS 改性沥青洒布量的增加而增加，洒布量超过1.4 kg/m2后，抗剪强度逐渐下降。因此，SBS 改性沥青最佳洒布量为1.4 kg/m2。

从改性乳化沥青、70 号基质沥青、高黏沥青和SBS 改性沥青抗剪强度曲线变化趋势来看，60 ℃和25 ℃确定的最佳用量相差不大。改性乳化沥青和70 号基质沥青，不同温度下确定的最佳用量有点不同，高温下可能会比常温下确定的最佳用量稍小一些。所以，在确定黏层油用量时，应结合所在地区的气温状况，为了避免产生层间滑移，南方地区黏层油的用量应比北方地区减少一些。

为便于层间抗剪强度影响因素分析，研究采用25 ℃时确定的最佳用量，即：改性乳化沥青、普通热沥青、高黏沥青和SBS 改性沥青的用量分别是0.6 kg/m2、0.6 kg/m2、1.4 kg/m2和 1.4 kg/m2。

3.2 不同黏层材料试验对比分析

选择满足上述指标要求的黏层油材料，黏层油进行室内剪切、拉拔试验，评定其抗剪、拉拔强度，最终确定合适黏层油材料。

3.2.1 室内剪切试验

对复合式面层洒布改性乳化沥青、普通热沥青、高黏沥青、SBS 改性沥青等几种情况进行室内剪切试验。黏层油洒布量为各种黏层材料的最佳洒布量：改性乳化沥青洒布量0.6 kg/m2，普通热沥青洒布量为0.6 kg/m2，高黏沥青黏层油洒布量1.4 kg/m2，SBS改性沥青洒布量1.4 kg/m2。试验温度分别为25 ℃、40 ℃和60 ℃，各黏层油复合式面层层间抗剪强度如表4 和图10 所示。

表4 不同黏层材料复合面层层间剪切强度 MPa

图10 不同黏层材料复合面层层间抗剪强度对比

根据试验结果可知，高黏沥青和SBS 改性沥青作黏层油时，层间抗剪强度最大，改性乳化沥青次之，普通热沥青最低。

3.2.2 室内拉拔试验

试件成型及材料配制与剪切试验相同，各黏层油复合式面层层间拉拔强度如表5 和图11 所示。

表5 不同黏层材料复合面层层间拉拔强度 MPa

图11 不同黏层材料复合面层层间拉拔强度对比

根据试验结果可知，与抗剪强度特性相似，SBS改性沥青和高黏沥青作黏层油时层间拉拔强度最大，改性乳化沥青次之，普通热沥青最低。

3.3 黏层材料选择

根据以上试验结果，对黏层材料抗剪性能、拉拔性能进行对比，分为优、良、中三档，结果如表6 所示。

表6 不同黏层材料性能比较

从表6 可看出，仅考虑黏层材料的抗剪性能与抗拉拔性能，SBS 改性沥青和高黏沥青最优，其次为改性乳化沥青和普通热沥青。因此，应根据工程实际工况，确定黏层材料的使用类型。在南方高温地区长大纵坡路段宜采用SBS 改性沥青和高黏沥青作为黏层材料，北方寒冷地区和普通路段可选用改性乳化沥青和普通热沥青作为黏层材料。