湿热环境下沥青路面层间剪切强度与差异改性

2021-09-11刘金明王小庆展洪斌

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年4期

宋洋，刘金明，王小庆，展洪斌

（1.辽宁工程技术大学建筑与交通学院，辽宁阜新 123000；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000；3.中铁四局五公司，江西九江 341000）

0 引言

近些年国内外相关研究表明，环境温湿度的变化给路面材料的使用性能带来较大影响，进而影响沥青路面的服务功能和使用寿命[1-2]，一般在转弯半径较小、长大纵坡等特殊路段往往出现这种破坏形式，而在高湿热地区，沥青的力学性能会随着环境温度、湿度的变化而变化，导致沥青混凝土与黏层材料之间的黏结性能受到影响，在这种恶劣自然条件作用下的特殊路段，其面层结构内部的抗剪切性能往往达不到车辆动载荷反复作用下作用而产生的剪应力，从而更加容易发生道路病害.对沥青路面的层间剪切性能进行研究，以增强路面结构的剪切力学性能.

目前对于沥青路面的层间抗剪强度的研究，主要是从影响层间剪切外界因素的变化、材料用量的影响，例如沥青混合料的配合比设计、黏层材料的洒布量问题，材料自身的特性，例如沥青混凝土的稳定性能、黏层材料的黏结性能等对沥青混凝土的层间抗剪强度影响分析[3-5].朱俊[6]等分析层间抗剪强度与粘层材料及用量的关系，通过直剪试验得出几种改性沥青的强度性能与最佳黏层油洒布量；RANDY[7]等通过沥青路面层间剪切试验分析影响沥青混凝土层间抗剪强度的主要因素，其中温度是影响抗剪强度的主要因素.对于层间抗剪强度的研究，试验影响因素与实际路面影响因素的转化分析对于增强面层间的层间剪切性能，减少高速公路沥青路面病害具有重要的现实意义.

基于实际工程中车辆载荷、行车速度、坡度、平曲线半径等都能够影响沥青路面的层间抗剪强度.吴帮伟[8]基于沥青路面抗车辙性能，提出长大纵坡标准的界定方法.而对于转弯半径较大，坡度较平缓的路段，根据设计标准能够达到实际剪切力要求，因此往往不易产生路面病害.对此，现有高速公路所选用的改性沥青大多依据工程经验，没有进行规范化、合理化的方案设计.这样的路面设计不仅会使得恶劣自然环境地区、特殊受力路段的承载力达不到要求，还会在工况较好路段增加施工成本.针对上述问题，本文通过沥青混合料的层间剪切试验，对影响层间剪切性能的影响因素进行分析，得到单因素作用下的沥青路面分级，从而建立高湿热环境下沥青路面的差异改性分级体系，为实际高速公路沥青路面的面层建设提供方案.

1 沥青路面层间剪切试验

1.1 试验方案设计

沥青路面层间界面抗剪强度的影响因素非常多，包括外界环境因素以及材料的影响.为最大限度模拟实际路面环境下沥青路面的层间抗剪性能，实验设计7 种加载温度为30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃.在中国东南沿海、滇南、川黔等地区的年平均湿度均高于80%，选择环境湿度为0%作为干湿对比分析.因此，设计3 种加载湿度分别为0%、80%、100%时进行层间剪切试验.在室内试验剪切角度为15°、30°和40°下分别对不同面层组合类型的沥青路面结构进行层间剪切试验研究，实际工况下路面工作状态分级.

试验仪器为 YH-40B 恒温恒湿养护箱、TW-2000 单轴液压机、HWX-L 型数显恒温鼓风干燥箱、STLJ-5 沥青混合料搅拌机，见图1.

图1 层间剪切试件装配实物Fig.1 assembly drawing of interlaminar shear test piece

结合不同面层结构与通过不同类别处理的不同黏层材料进行对比分析.根据前期大量调查研究发现粘层材料SBS 改性优于液体沥青AL(M)-3 和90#基质沥青[9-10]，现设计类型7、类型9 与类型8、类型10 对不同黏层材料的黏结性能与混合料间的关系进行探究.由于上面层受力较大，设计上面层粘层材料为单一SBS 改性，下面层黏层材料设计液体沥青与基质沥青进行对比；橡胶具有较好的耐高温性能，并且造价较低，为探究其与SBS 的适用性，设计类型1～类型4、类型5～类型6、类型8～类型9、类型11～类型12 进行对比研究.具体组合类型见表1，其中类型1～类型6 为上面层，类型7～类型12 为下面层，见表1.

表1 面层组合类型设计Tab.1 design of combination type of surface course

1.2 试验结果分析

（1）温度

沥青路面的沥青混合料和黏层材料都具有典型的黏弹性特性.本文针对试验制备的不同组合类型的沥青混凝土试件，分别在不同加载温度作用下进行层间剪切试验，试验测得30 ℃～65 ℃下各组合类型的沥青路面层间抗剪强度，试验结果见图2.

图2 不同温度作用下沥青路面层间抗剪强度Fig.2 interlaminar shear strength of asphalt pavement under different temperatures

（2）湿度

对不同试件进行室内模拟环境湿度影响的加载试验.在中国降雨量较充沛的地区，全年降雨量高达1 600～2 500 mm，丰富的降雨量会使环境湿度大大升高.对于沥青路面，常常处于浸水或高湿度状态，这会严重影响沥青混凝土面层的层间粘结性能，从而造成沥青路面的层间剪切破坏.

将试件置于YH-40B 恒温恒湿养护箱中，温度控制在40 ℃，分别调节湿度0%、80%、100%进行3 组不同组合类型沥青面层结构的层间抗剪强度试验，试验结果见图3.

图3 不同湿度作用下沥青路面层间抗剪强度Fig.3 shear strength of asphalt pavement under different humidity

图3 显示，在相同级配组合类型下，随着环境湿度的增加，沥青混合料的抗剪强度随之降低，尤其是在0%到80%之间，整体抗剪强度随着组合类型的不同，下降速率较快；高湿度环境下沥青混凝土的层间抗剪性能较弱，这是由于水分渗入在沥青混凝土的孔隙中，在载荷的作用下，孔隙水产生动水压力作用，使沥青黏附性降低并逐渐降低黏结力，严重影响了沥青面层的层间抗剪性能.根据不同组合类型在环境湿度影响下的剪切强度峰值，进行面层组合类型的排序，为面层合理匹配关系的提出奠定基础.

（3）剪切角度

在沥青路面中，特别是在转弯曲线半径较小、长大纵坡等特殊路段所受到的表现的非常明显，说明路面坡度以及转弯半径对沥青路面的力学性能影响较大，车辆载荷在经过这些特殊路段时由于紧急制动或加速等原因对路面的水平作用力加大.而反映在路面内部结构上，不同坡度与转弯半径的作用下，面层的层间剪切角度不同.此外，为控制变量，加载环境温度统一设为40 ℃，分别测得不同面层组合类型在不同剪切角度作用下的层间抗剪强度，试验结果见图4.

图4 不同剪切角度下沥青路面层间抗剪强度Fig.4 interlaminar shear strength of asphalt pavement under different shear angles

根据图4 可以看出，不同剪切角度下抗剪强度随组合类型1～类型6 的提高而呈现线型下降的趋势，且不同角度下抗剪强度下降值不同，剪切角度15°、30°、40°时其抗剪强度下降值依次为0.26 MPa、0.39 MPa、0.49 MPa，说明不同角度下抗剪强度下降程度大小为40°＞30°＞15°.以上结果表明，随着剪切角度的增大，SBS 改性沥青混凝土的抗剪强度下降幅度大于橡胶改性沥青混凝土.

（4）黏层材料

为研究高温环境下，黏层材料对于沥青路面层间抗剪强度性能的影响，分别选用基质沥青、液体沥青AL(M)-3 和SBS 改性沥青与各面层沥青混凝土进行粘结，然后统一加载温度为40 ℃、剪切角度统一设置为40°下进行不同面层组合类型的层间剪切试验，由上述实验结果发现位于同一面层的沥青混合料对层间剪切强度的影响较小，因此这里研究粘层材料作为因素时分别选用上面层AC-20/AC-25 与下面层SMA-13/AC-20 分析，并增加无黏层材料作为对比，能够更好地反应黏层材料对于面层间的层间黏结性.经试验测得在不同粘层材料与不同级配类型下的抗剪强度见图5.

图5 不同黏层材料作用下沥青路面层间抗剪强度Fig.5 shear strength of asphalt pavement under the action of different bonding materials

图5 表明组合类型为AC-20C/AC-25C、SMA-13/AC-20C 的面层结构通过加入不同的黏层材料所反映出的抗剪力学性能不同，通过无黏层材料的对比可知，黏层材料的使用对于增加沥青混凝土的层间黏结性，提高层间抗剪强度具有显著效果.这说明黏层材料能够提高沥青混合料的抗剪切性能，从而有效地抵抗沥青路面的层间剪切破坏，大大降低路面病害的产生.组合类型SMA-13/AC-20C 对应的黏层材料在相同条件下的黏结性均优于组合类型AC-20C/AC-25C.结合表1 可得，黏层材料的黏结性从高到低依次为SBS改性沥青、液体沥青AL(M)-3、基质沥青.

2 单因素作用下沥青路面分级

2.1 基于试验指标的等级评价

（1）温度和湿度

试验分析结果表明，温度对沥青路面的层间抗剪性能的影响较大，试验分析时设置的环境温度为路面结构内部温度，与气温不同.为方便实际工程应用，需建立路面温度与气温的相关关系，本文采用SHPR 回归模型计算不同气温条件下沥青路面的温度[11-13]，公式为

式中，Td(max)为路面内某深度最高温度，℃；Ts为路表最高温度，℃；d为距离路表深度，m；Ta为最高气温，℃；Lаt为纬度，°.

广西地区大部分处于北纬24°，根据式（1）～式（2）计算不同气温下沥青路面温度，见表2.

表2 不同气温下路面温度随深度的变化Tab.2 variation of pavement temperature with depth under different temperature

根据1.1 节分析，路面平均气温为分别40 ℃和50 ℃时，层间抗剪强度发生转折，结合表2，对应气温分别为20 ℃和30 ℃.因此，这里将气温分为3个工况等级，见表3.

表3 气温单因素分级Tab.3 single factor classification of air temperature

根据试验结果分析，环境湿度对沥青路面层间工作状态影响较大，反应材料水稳定性能随着湿度增加而减小，当湿度大于80%时，层间剪切值出现转折，以80%为分界点进行分级，湿度大于80%对应工况等级A，小于80%对应工况等级B.

（2）剪切角度

进行层间剪切试验时，施加不同剪切角度的法相应力，可以较真实的模拟路面实际受力情况，适用于评价路面层间结构整体的抗剪性能[14].

剪切角度试验结果表明，当剪切角度为30°时，层间抗剪强度变化较大.这里选取30°剪切角度作为分级标准，剪切角度大于30°对应工况等级A，小于30°对应工况等级B.为了能够更好的对沥青路面进行差异分析，需要将上述影响因素转化为便于评价实际道路分级的指标.

2.2 基于改性需求的路面工作状态分级

通过对层间剪切试验结果中各因素作用下各工况等级的平均剪应力的计算，最终得出不同工况等级对应的层间剪应力区间，结果见表4.

表4 不同工况剪应力区间Tab.4 shear stress range under different working conditions

沥青路面实际受力情况比较复杂，而沥青路面的层间滑移破坏也绝不是单一因素影响造成的，路面坡度、超载、车辆变速等对沥青路面的层间性能造成巨大影响.路面坡度为5°，接地压力1.3 MPa，加速行驶车辆对沥青路面水平剪应力为0.6 MPa[15].根据《公路沥青路面设计规范》进行交通载荷等级划分，结果见表5.

表5 交通载荷等级划分Tab.5 traffic load classification

研究发现，在行车载荷的作用下，沥青路面所受到的轴力、剪应力会随着路面深度的增加而发生折减现象，这就对桥面路段的强度要求有所提高.因此，进行工况分级时，对桥面路段、复合式路面增加一个等级.为了便于对道路路段进行等级划分，这里将外界的温度、湿度统一为气候分区，工作状态分级结果见表6.

表6 沥青路面工作状态分级Tab.6 classification of working conditions of asphalt pavement

利用单因素作用下的路面工作状态分级，可以把道路全线工况等级的划分为A、B、C 这3 个等级，对不同工况下的沥青路面采取不同的改性方案，基于沥青路面工作状态分级的确定，能够为改性材料的选择提供可靠依据，为差异改性匹配关系合理化奠定基础.

3 面层材料改性效果排序与分级

3.1 可拓模型建立

根据前期调查和试验数据分析，将沥青路面划分为优、良、中和差4 个安全评价等级，计算各评价等级对应各评价指标的数值区间，将面层材料及粘层材料的各项指标代入对应数值区间，得到材料关联度[16].

（1）经典域、节域和待评物元的确定

将上述材料评价指标与数值区间对应得到

式中，Roj为经典域物元；Rp为节域物元；P为面层材料；Vpi=[apibpi]为Rp关于影响因素ci的相应扩大的数值范围；物元R由事物N、其特征C及对应的量值V这3 个元素组成，当事物N有n个特征时，称R为n维物元，Ri为分物元.

（2）评价指标关于安全评价等级关联度计算

将某安全级别的可拓关联度定义为所得各级别的关联度与其对应权重的乘积之和.

式中，x0为评价指标具体数值；（a,b）为各等级数值区间；Koj（vi）为第j个物质单元的第i个特征关于标准物元等级的关联度.

3.2 面层材料合理改性物元模型的确定

基于改性沥青混合料的调查，综合考虑广西地区气候条件、集料制备、改性沥青适用性与经济性，将为高温稳定性、低温抗裂性、抗水损坏性及改性沥青造价作为面层材料合理改性效果评价指标.结合室内试验，并查阅相关规范进行了面层材料评价标准的划分.通过对SMA-13 的不同改性费用的调查，确定了改性沥青造价分级标准.用N1、N2、N3、N4分别代表优、良、中和差4 个安全评价等级，等级优可满足A 级工况指标值，等级良可满足B 级工况指标值，等级中可满足C 级工况指标值.用C1、C2、C3和C4分别代表高温稳定性、低温抗裂性、抗水损坏性及改性沥青价格4 个评级指标.根据不同改性沥青的室内试验研究，并结合规范要求对4个指标进行分级，中国目前石油沥青造价取平均值为3 500 元/t，对不同改性的AC-13C 价格进行调查，分级结果见表7.

表7 面层材料评价标准Tab.7 evaluation standard of surface material

评价不同面层结构的改性效果，以SMA-13（橡胶改）、AC-13（SBS）这2 种上面层为例，分别用P1、P2表示，指标值见表8.

表8 待评面层评价指标值Tab.8 evaluation index value of surface layer to be evaluated

将面层材料评价标准值进行量化处理，确定其经典域为

根据表8 确定待评物元

将量化处理后的面层材料评价标准值根据式（6）、式（7）可以求得各等级关联度

根据Pjmax=max{Koj(P)∣j=1,2,3,...,m},可知面层SMA-13（橡胶改）处于材料等级中的优，面层表明待评面层AC-13（SBS）处于材料等级中的良.同理可根据可拓学模型计算其他面层改性沥青混凝土的可拓关联度并划分材料等级，计算结果见表9.

表9 面层材料综合关联度计算结果Tab.9 calculation results of comprehensive correlation degree of surface material

3.3 黏层材料分级

沥青路面的主要破坏形式是面层之间的层间剪切破坏，而黏层材料的选择是影响沥青路面层间抗剪强度的重要因素，因此，对不同黏层材料进行分级，从而对应不同工况路面，选择与其“契合”的黏层材料是非常有必要的.根据图5 和表6 可得出黏层材料的评价等级，结果见表10.

表10 黏层材料分级Tab.10 classification of tack coat materials

4 工况分级下组合类型匹配关系

通过对不同影响因素下沥青路面的层间剪切试验，得到不同组合类型、黏层材料下的路面剪应力，并提出基于路面改性需求的路用状态分级.通过对可拓学理论的研究与分析，得到沥青路面面层材料合理改性分级与黏层材料的分级，结合实际工况下不同纵坡、转弯半径下剪应力分布规律，最终得出基于工况分级下沥青路面组合类型的匹配关系.

对于A 级工况，在高湿热地区的桥面、复合式路面，可选用橡胶改与SBS 改结合.A 级工况下的其他气候分区的长大纵坡路段尽量选用双层SBS改性沥青作为上面层.其他路段下采用方案3 组合方式能够满足强度要求.

对于B 级工况，在高湿热地区的桥面和复合式路面宜分别选用方案1 和方案2 的面层组合类型.B级工况其他气候分区的特殊路段一般可选用两层SBS 改或两层橡胶改.一般路段选用上层SBS 下层橡胶改性.

对于C 级工况，处于环境温度较高、降雨量较大的地区，可选用单层橡胶改.其他路段一般选用单层SBS 改与岩沥青结合，粘层材料使用基质沥青与液体沥青搭配，结果见表11.

表11 工况等级下沥青组合类型评价体系Tab.11 evaluation system of asphalt combination type under working condition grade

5 工程应用

本文研究结果应用于南宁市凤岭北路-高速环路立交工程（二期工程）道路工程中沥青路面的施工，南宁凤岭北路立交桥二期路面工程中，共有长大纵坡15 处，纵坡坡度大于2°路段31 处，纵坡坡度大于5°路段4 处，南宁位于高湿热地区，气候分区为A，改造前为全线单一路面结构，由于现场评判标准不一，为使现场人员便于接受改造方案，以长大纵坡1.2 km和纵坡坡度3°作为特殊路段划分依据.对现场路段进行差异改性应用，结果见表12.

表12 现场路段改造方案Tab.12 site road section reconstruction plan

改造前面层结构为单一上面层橡胶改性、中面层SBS 改性.改造后的路面结构增强了特殊路段路面结构的抗剪性能，同时减少了一般路段的改性沥青使用，道路全线能够满足车辆载荷及外部气候条件的强度需求，大大降低了工程费用，双层橡胶沥青组合类型较原设计路面相比，每千米节约成本约6.271 万元；SBS 改性沥青与基质沥青的面层组合类型，与原设计路面相比每千米节约成本约8.20 万元，道路全线共计节约成本约635.4 万元.