不同黏结层沥青路面层间抗剪性能研究

苏连虎

（吕梁市交通运输局，山西 吕梁 033000）

0 引言

随着我国交通运输和国民经济的发展，道路交通量日益增加，重载和交通渠化更加突出，由于层间结合差引起的路面推移、拥包病害较多，许多公路在通车不久之后就发生了较为严重的车辙破坏[1-4]。路面车辙不仅缩短了道路的使用寿命，而且对行车安全提出了更严峻的挑战[5-6]。沥青路面车辙不仅与交通荷载和环境因素有关，而且取决于路面的材料和结构特性，其中沥青混合料层中的剪切力和抗剪强度的比值会严重影响路面的抗车辙性能。如何提高沥青混合料层间的抗剪切性能，是提高路面耐久性，防止路面过早发生车辙破坏的主要手段。基于此，为提高路面层间结合黏结效果，本文通过试验，研究了油石比、加载速率、温度、层间结合料种类和用量对沥青路面层间抗剪性能的影响，为防止路面发生车辙破坏提供理论基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文基质沥青采用A级70号沥青，其主要技术指标如表1所示，SBR改性沥青和SBR改性乳化沥青均采用A级70号沥青自制；粗细集料均选用玄武岩，矿粉选用磨细的石灰石粉，集料和矿粉都有良好的物理力学性能，混合料级配选用SMA-13，其合成级配如表2所示。

表1 基质沥青的基本技术指标

表2 沥青混合料合成级配 %

1.2 试件制备及测试

首先采用击实法成型一层32±0.5 mm的试件，待试件冷却之后在其表面均匀涂抹一层层间结合料，然后再取与前一层相同质量的沥青混合料，以相同的击实次数成型。将成型好的试件采用直接剪切试验，测试不同加载速率和不同温度条件下的层间抗剪强度，评价沥青路面的层间抗剪性能。

2 试验结果及分析

2.1 油石比对抗剪性能的影响

以基质沥青为层间黏结层，保持其用量为0.6 kg/m2不变，分别测定在一定温度和加载速率下，不同油石比（3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和 5.5%）时沥青路面的层间抗剪强度，研究油石比对抗剪性能的影响，具体试验结果如图1所示。

图1 油石比对抗剪强度的影响

从图1可以看出，随着油石比的增大，沥青路面层间抗剪强度呈现先增大后减小的变化规律，当油石比为4.0%时，沥青路面层间抗剪强度达到最大值，此时层间抗剪强度为0.472 MPa。造成这一现象的主要原因为，当沥青用量较小时，沥青不足以形成结构沥青对矿料颗粒起到黏结作用，随着油石比的增大，结构沥青充分地裹覆在矿料表面，起到了较大的黏结作用，因此外力作用下的抗剪切性能逐渐增强。当油石比大于4.0%时，随着沥青用量的增多，矿料颗粒之间的内摩擦角逐渐减小，外力作用下沥青混合料更容易发生剪切破坏，另一方面过多的沥青在混合料颗粒之间起到润滑作用，因此沥青混合料的抗剪切性能反而降低。

2.2 加载速率对抗剪性能的影响

以基质沥青为层间黏结层，保持其用量为0.6 kg/m2不变，分别测定在一定温度和油石比下，不同加载速率（5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min 和50 mm/min）时沥青路面的层间抗剪强度，研究加载速率对抗剪性能的影响，具体试验结果如图2所示。

图2 加载速率对抗剪强度的影响

从图2可以看出，随着加载速率的增大，沥青路面层间抗剪强度逐渐增大，当加载速率大于20 mm/min后，抗剪强度趋于稳定。这主要是因为，沥青混合料为典型的黏弹性材料，在荷载作用下会出现应变滞后于应力的现象，当加载速率较小时，应力逐渐在沥青路面内部传递，传递至层间时沥青层之间会发生明显的剪切变形，而随着加载速率的增大，沥青路面剪切变形的响应时间变短，甚至来不及响应，应力已经由面层传递下去，因此抗剪性能随之增强。

2.3 温度对抗剪性能的影响

以基质沥青为层间黏结层，保持其用量为0.6 kg/m2不变，分别测定在一定油石比和加载速率下，不同温度（15℃、25℃、45℃和60℃）时沥青路面的层间抗剪强度，研究温度对抗剪性能的影响，具体试验结果如图3所示。

图3 温度对抗剪强度的影响

从图3可以看出，随着温度的升高，沥青路面层间抗剪强度逐渐降低，尤其是当温度高于45℃后，抗剪强度随温度的升高急剧降低。解释其原因主要为，沥青混合料是典型的感温性材料（温度敏感型材料），温度降低时变硬，温度升高时变软，随着温度的升高，沥青黏度逐渐减小，在沥青混合料内部形成的黏聚力随之降低，因此荷载作用下沥青混合料抗剪切破坏的能力逐渐下降，当温度超过45℃后，沥青软化较明显，在荷载作用下沥青混合料抗剪切破坏的能力急剧下降，因此层间抗剪强度大幅降低。

2.4 层间结合料类型和用量对抗剪强度的影响

为了对比使用不同层间结合料时，沥青路面的层间抗剪性能的差异，在保持测试条件不变时，分别测定以基质沥青、SBR改性沥青和SBR改性乳化沥青为层间结合料时，层间抗剪强度随结合料用量的变化曲线，试验结果如图4所示。

图4 层间结合料类型和用量对抗剪强度的影响

从图4可以看出，当以基质沥青和SBR改性乳化沥青作为黏结料时，随着层间结合料用量的增多，抗剪强度出现先增大后减小的变化趋势，当层间结合料用量为0.6 kg/m2时，抗剪强度达到最大值。而当以SBR改性沥青作为黏结料时，随着层间结合料用量的增多，抗剪强度逐渐增大，当SBR改性沥青用量大于1.2 kg/m2时，抗剪强度保持稳定。另外当层间结合料用量低于1.0 kg/m2时，SBR改性沥青对应的层间抗剪强度小于基质沥青和SBR改性乳化沥青，而当层间结合料用量大于1.0 kg/m2时，SBR改性沥青对应的层间抗剪强度远大于基质沥青和SBR改性乳化沥青，这主要与3种沥青的黏结能力大小有关，相比于基质沥青和SBR改性乳化沥青，SBR改性沥青具有较大的黏聚力，在大用量时沥青不易析出也不宜流动形成润滑作用，因此对应的抗剪强度较高。

3 结论

a）随着油石比的增大，沥青路面层间抗剪强度呈现先增大后减小的变化趋势，当油石比为4.0%时，抗剪强度有最大值，此时沥青路面层间抗剪性能最佳。随着加载速率的增大，层间抗剪强度逐渐增大，当加载速率大于20 mm/min后，抗剪强度趋于稳定。随着温度的升高，抗剪强度逐渐减小，当温度超过45℃时，沥青路面层间抗剪性能急剧下降。

b）当以基质沥青和SBR改性乳化沥青作为黏结料时，随着层间结合料用量的增多，抗剪强度出现先增大后减小的变化规律，而当以SBR改性沥青作为黏结料时，随着层间结合料用量的增多，抗剪强度逐渐增大，最后趋于稳定。