长寿命路面结构层间处治方案及黏结性能

石长洪，郑 俞，严二虎，杨 毅，刘军海

(1. 中交第二公路工程局有限公司, 陕西 西安 710061；2. 交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3. 合肥明巢高速公路有限公司，安徽 合肥 231699)

0 引言

我国已建成世界上最大的高速公路网和世界第2大的公路网，其中沥青路面为主要的路面结构形式。我国的高速公路沥青路面设计寿命普遍为15 a，大部分旧沥青路面已经进入大中修期，产生了大量的扩容改建工程，且随着现代化建设进程的不断深入，高速公路网密度还在不断加大。因此，发展长寿命路面结构可以有效缓解这一问题，进而减缓道路进入大中修期，提升道路服役寿命[1-2]。此外，沥青路面的建设和养护需要消耗大量资源，且造成环境污染。长寿命路面结构通过延长道路使用年限减少资源利用，降低二氧化碳等物质的排放，符合“碳达峰、碳中和”理念，有效助力“双碳”目标的实现[3]。

国内外众多学者[4-5]针对长寿命路面结构进行了研究，主要集中在路面结构设计理论与方法、路面材料耐久性、长寿命路面的养护与管理等方面。随着长寿命路面结构的研究不断深入，材料与结构设计方法趋于成熟，然而长寿命路面结构层间黏结问题却研究较少。沥青路面设计采用双圆均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，然而实际路面结构中层间接触为不完全连续状态。由于不同层位间材料特性及黏结状态的差异，路面在服役过程中，层间易发生黏结失效，进而导致反射裂缝等病害的产生，降低路面使用寿命[6]。因此，为了保证层间的良好黏结状态，缓解不同层位间模量的突变，沥青路面层间往往会铺洒黏层油，但是仍存在大量因为黏层材料黏结性能差而导致的病害[7- 8]。

目前，关于沥青路面层间黏结的研究主要针对普通沥青路面，集中在黏层油材料设计、层间黏结性能测试以及层间力学状态分析等方面[9-10]。黏层油材料设计方面，刘丽[11]采用3种黏层油材料，分别为普通热沥青、乳化沥青和改性乳化沥青，进而针对黏层油种类、用量、温度、浸水、冻融等因素展开了研究，研究结果指出温度显著影响不同黏层油的最佳用量。孙妮[12]通过制备SBS与SBR改性乳化沥青黏层油，分析层间黏结技术指标，研究指出SBS改性乳化沥青具有更好的黏结性能。黏结性能测试方面，Metcalf等[13]采用直剪试验测试了不同温度、加载形式下层间剪切模量、剪应力、摩擦系数的变化。Yetkin等[14]同样利用直剪试验测试了不同黏层油喷洒量对层间黏结性能的影响，并得到了最佳的黏层油用量。俄广迅等[15]利用UTM-100对不同黏层油用量的试件进行了直剪试验，并研究了水、温度等因素对层间抗剪强度的影响。此外，斜剪试验也被众多学者用于层间黏结性能的测试[16]。层间力学状态分析方面，众多研究基于弹性层状体系理论，建立考虑层间不连续接触条件的路面力学模型，进而求解路面受力状态。艾长发等[17]采用有限元分析软件建立考虑层间接触状态的路面数值模型，并分析不同温度场及荷载作用下的层间接触状态，结果表示高温环境下层间力学指标响应更大。严二虎等[18]通过数值分析的方法研究了不同层间界面下沥青面层受力状态的变化，研究结果表明沥青路面不同层位间的层间剪应力、拉应力分布情况存在明显差异。

综上所述，沥青路面层间黏结性能逐渐被国内外学者关注，然而针对长寿命路面结构的层间性能研究相对较少，且多数研究采用室内试验或数值模拟等方法与真实路面状态存在较大差异，黏层材料以乳化沥青为主，层间黏结性能评价方法以直剪试验为主。本研究考虑实际工程中长寿命路面结构设计，利用乳化沥青、橡胶沥青、玻璃纤维、级配碎石等材料，分别对上面层与中面层和中面层与下面层层间选取不同的层间处治方案，铺筑试验路段，进而通过钻芯取样获得不同方案的层间黏结试件；设计了直剪试验和应力消散试验方法及指标，通过对不同层间处治方案的直剪试验及应力消散试验结果进行分析，研究性能最优的长寿命路面层间处治方案，并分析碎石粒径、碎石用量、温度以及特殊施工环境对层间黏结性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 层间黏结处治方案

为了满足长寿命路面设计需求，获得性能更优的层间黏结状态，针对不同面层层间受力状态和性能需求的差异，在本研究中，上面层与中面层层间选用30%掺量的橡胶改性沥青、玻璃纤维、碎石制备纤维抗裂型橡胶改性沥青防水黏结层，中面层与下面层层间选用不黏轮乳化沥青制备不黏轮乳化沥青黏层。选取的橡胶沥青性能指标如表1所示，不黏轮乳化沥青性能指标如表2所示，层间黏结处治方案如表3所示，其中冷白在常温下铺洒碎石，热白表示将碎石加热至105 ℃后铺洒。由于实际工程中层间往往会铺洒一定量的级配碎石保证层间的强度，因此本研究设计了不同碎石粒径的层间处治方案，研究碎石粒径对层间黏结性能的影响。此外，部分方案通过加水、砂和泥模拟下雨等特殊条件下的施工，研究恶劣环境对层间黏结性能的影响。

表1 橡胶沥青性能指标

表2 不黏轮乳化沥青性能指标

表3 层间处治方案

续表3

1.2 长寿命路面结构试验路

本研究设计了1种典型的长寿命路面结构，如图1所示。上面层采用4 cm橡胶改性沥青混凝土(ARHM-13)，中面层采用8 cm橡胶改性沥青混凝土(ARHM-20)，下面层采用12 cm橡胶改性沥青混凝土(ARHM-25)，且均为高掺量橡胶粉改性沥青，从上面层到下面层的橡胶粉掺量分别为30%，40%和50%。此外，将试验路段划分为不同区域，施工过程中对不同区域的面层层间铺洒了不同方案的黏层材料。进行钻芯取样获得不同黏层处治方案的试件，路面芯样应具有完整的路面结构，各层材料不脱落，芯样切缝光滑连续，通过切割制备直剪试验及应力消散试验试件。

图1 长寿命路面结构示意图

1.2.1 直剪试验

本研究设计并开发了1种层间黏结强度试验方法，通过对马歇尔强度试验仪进行改装，使其能够对路面钻芯试件进行直剪试验，测试层间黏结强度。首先对路面芯样进行切割，分为上-中面层和中-下面层试件，在温度为25 ℃的烘箱内保温4 h，保温结束后取出试件进行直剪试验，加载速率为50 mm/min。当试验荷载达到最大值的瞬间，试验停止，记录最大荷载，测量试件截面尺寸并记录，最终计算层间黏结强度，如式(1)所示。每种黏层处治方案进行3组平行试验，求其平均值作为最终的黏结强度指标数值。为探究不同温度对黏结强度的影响，本研究选取其中部分方案进行了45 ℃和60 ℃ 的直剪试验。

Dz=Fz/Sz，

(1)

式中，Dz为直剪试验黏结强度；Fz为直剪试验最大荷载；Sz为试件截面积。

1.2.2 应力消散试验

本研究设计并开发了层间应力消散试验方法及设备，应力消散试验的试件是通过路面芯样切割获得的，试件切割流程及尺寸如图2所示。首先将路面芯样从中面层切开，分为上面层与中面层层间试件、中面层与下面层层间试件；进而切除圆弧部分材料，保留立方体部分材料；最后在试件下部分钻孔，孔径为5 mm，孔边缘距层间1 cm，用于试验夹具的放置，并在两孔中间位置切缝，通过预制裂缝，研究层间应力消散性能。该试验通过将加载模具放入钻孔之中，分别对试件的左、右部分施加向左和向右的横向力，测试试件层间抵抗变形的能力，试验温度为25 ℃，加载速率为0.017 mm/s，最终获得试验过程中的荷载及试件的变形量。应力消散试验典型试验结果如图3所示，试验初期，随着试件变形量的不断增加，荷载逐渐增大，而当荷载增大到某一极值后逐渐减小，峰值荷载的出现说明试件已经发生了破坏，试件的应力消散能指标可以通过曲线的面积和试件截面面积计算，如式(2)所示。

图2 应力消散试验试件制备

J=SAREA/(h·l)，

(2)

式中，J为应力消散能；SAREA为应力消散试验中荷载变形曲线与坐标轴的面积，如图3所示；h，l为试件尺寸，如图2所示。

图3 应力消散试验荷载与变形曲线

2 层间黏结性能分析

2.1 层间处治方案的选取

按照前述试验方法进行各层间处治方案25 ℃下的直剪试验，试验得到的最大荷载及计算得到的剪切强度值如图4所示。从图中可以看出，对于上面层与中面层层间，方案16与28的试件在直剪试验过程中最大荷载显著高于其他方案，而方案28的黏结强度值却相对较低，这是由于钻芯取样过程中的误差导致方案28试件的截面积大于其他方案试件，所以其直剪试验的荷载较大而计算得到的黏结强度较低。方案16的最大荷载和黏结强度均显著大于其他方案，该方案材料为橡胶沥青、玻璃纤维以及9.5 mm 的碎石，通过预拌和材料，冷却后常温撒布在中面层上。

图4 上面层与中面层层间剪切试验结果

分析图5可知，对于中面层与下面层层间，方案1的层间黏结性能显著高于其他方案，该方案是直接铺洒不黏轮乳化沥青，说明了该沥青对于层间强度具有显著的提升效果。其余方案中，方案16和24具有较优的层间黏结强度，材料均为橡胶沥青加碎石，说明了除了不黏轮乳化沥青外，橡胶沥青与碎石的方案同样可以使得路面层间具有较优的黏结强度。

图5 中面层与下面层层间剪切试验结果

本研究得出了上面层与中面层、中面层与下面层不同的层间最优方案，这是由于沥青路面上、中、下面层层厚不同导致不同的层间受力状态不同，中面层与下面层层间易受到下面层反射裂缝的影响，而上面层与中面层层间易受到上面层由于车辆荷载导致的车辙与剪切破坏影响；此外，因上、中、下面层由于混合料级配的不同导致层间材料与面层材料界面特性存在差异，进而产生不同的层间黏结性能[18]。

2.2 碎石粒径及用量对层间黏结性能的影响

为了分析对比碎石粒径对层间黏结性能的影响，选取方案16，19，20和21 进行分析，如图6(a)所示，随着碎石粒径的增加，层间黏结强度呈先增大后减小的趋势，最优的粒径为9.5 mm。造成该现象的原因可能是，当碎石粒径较小时，石料之间的嵌挤作用较弱，而当碎石粒径过大时，石料过于松散，难以形成强度。因此，在对层间进行碎石撒布处理时，应选择适中的碎石粒径，过大或过小均不利于层间黏结强度的形成。

选取方案2，3，4和5的直剪试验结果分析对比碎石用量对层间黏结强度的影响。如图6(b)所示，在橡胶沥青用量不变的情况下，随着碎石用量的增加，直剪试验最大荷载与层间黏结强度值均呈先增大后降低的趋势，且30.4 kg与20.3 kg的碎石用量试验结果差异较小。此分析结果同样说明了碎石的用量应在合理范围之内，不宜过大或过小，碎石含量过大会导致橡胶沥青无法完全包裹所有石料，进而导致黏结性能较差，而碎石含量过小会导致橡胶沥青的含量相对增加，碎石间沥青膜厚度过大，强度较低。

图6 不同碎石粒径及用量的层间方案试验结果

2.3 温度对层间黏结性能的影响

沥青材料是一种典型的黏弹性材料，温度对沥青材料的特性产生重要影响。当温度较高时，沥青趋于黏性；而当温度较低时，沥青趋于弹性。本研究所选的层间黏结材料同样是沥青基材料，橡胶沥青起主要是黏结作用，因此温度会影响层间黏结性能。选取具有代表性的方案1，16，21，23，25和27的试件分别进行25，45 ℃和60 ℃的直剪试验，试验结果如图7所示。分析该图可知，随着温度的升高，所有方案的上面层与中面层层间和中面层与下面层层间黏结强度均下降，说明了温度的升高导致层间沥青变软，黏结性能变差，碎石易松散，抗剪性能不足。此外，对于上面层与中面层层间而言，3个温度下方案16的黏结强度均高于其他方案，而对于中面层与下面层层间而言，3个温度下方案1的层间黏结强度均高于其他方案。通常夏季气温普遍在30 ℃以上，而路面内部温度可能会达到60 ℃以上，此时路面层间黏结性能不足，易发生层间黏结失效，因此，夏季是层间黏结破坏的高发期。

图7 不同温度的直剪试验结果

2.4 恶劣施工环境对层间黏结性能的影响

沥青路面在施工过程中难免受到环境的影响，雨天或降雨后施工可能会导致层间存在水分的积聚，而水会导致沥青与石料发生剥落，从而降低层间的黏结性能。此外，野外施工过程中，雨水往往会使得周围环境中的泥土流入路面结构中，从而损害路面结构。黏层油的施工通常是洒布车在路面进行均匀铺洒，而洒布车的车轮往往会带有周围环境的泥、砂，当这些杂质进入层间后，也会对层间性能造成影响。因此，本研究设计了含有水、泥、砂杂质的层间处治方案，用于模拟恶劣的施工环境，研究杂质对于层间黏结性能的影响，为提升施工环境、保障施工质量提供理论依据。方案1为对照组，不掺加任何杂质，方案5，6和7为试验组，分别掺加砂、泥、水。图8汇总了对照组和试验组的直剪试验结果，从图中可以看出，掺入砂、泥、水的方案直剪试验最大荷载和层间黏结强度均低于方案1，黏结强度相对于方案1分别下降了11%，14%和24%，说明了恶劣的施工环境会降低路面层间的黏结性能，因此在施工过程中因注意控制施工条件，尽量避免在特殊天气下施工。进一步对比方案5，6和7可以发现，砂对于层间黏结性能的影响最小，而水的影响最大，说明了水是降低层间黏结性能的关键因素，因此在施工过程中要严格避免水分进入路面结构，雨天后的施工要对路面进行干燥处理，降低水分残留的影响。

图8 模拟恶劣环境下层间直剪试验结果

3 应力消散试验结果分析

选取方案1，7，16，17，23，24和25的路面芯样试件进行切割制备上面层和中面层层间及中面层和下面层层间应力消散试件，在试验温度为25 ℃下分别进行应力消散试验，试验过程中变形荷载曲线如图9所示，可以看出所有层间试件荷载均随变形的增加呈先增加后降低的趋势。通过式(2)计算得到各方案的应力消散能指标，结果如图10所示。分析各方案应力消散能计算结果可以看出，对于上面层与中面层层间，方案16具有最高的应力消散能值，这与直剪试验结果一致，说明了在实际路面结构中，方案16的层间可以更好地抵抗路面下部产生的应力，防止应力传导至上面层而产生裂缝。方案7和方案17分别是在方案1和方案16的基础上添加了一定量水，模拟恶劣的施工条件，可以看出，水的加入使得层间的应力消散性能大幅度降低，该结果同样与直剪试验结果一致。对于中面层和下面层层间，铺洒不黏轮乳化沥青的方案1具有最优的应力消散性能，方案24的层间应力消散性能同样也优于剩余方案。通过对各方案应力消散能指标结果的分析可以看出，应力消散试验得出的结论与直剪试验较为一致，因此，本研究进一步分析应力消散能指标和黏结强度指标的相关性，如图11所示。上面层和中面层层间及中面层和下面层层间应力消散能指标与黏结强度指标均呈现了一定的相关性，相关性R2分别为0.7和0.9，说明了应力消散试验同样可以反映层间的黏结性能，得到了与直剪试验规律相同的结果。

图9 应力消散试验变形荷载曲线

图10 应力消散试验结果

图11 应力消散能与黏结强度的相关性

4 结论

结合实际工程中长寿命路面结构和材料设计，本研究考虑不同面层受力状态和材料性能需求的差异，分别针对上面层与中面层及中面层与下面层层间设计了30种层间处治方案，通过铺筑试验路，钻芯取样获得不同方案的层间试件。基于本研究开发直剪试验和应力消散试验方法及指标对不同方案的层间黏结性能及应力消散性能进行分析，研究了碎石粒径、用量、温度、施工环境对层间黏结性能的影响，得出如下结论：

(1)对于上面层与中面层层间而言，使用橡胶沥青、玻璃纤维和9.5 mm碎石的方案16具有最优的层间黏结强度和应力消散性能；对于中面层与下面层层间而言，使用不黏轮乳化沥青的方案1具有最优的层间黏结强度和应力消散性能。

(2)碎石粒径及用量对层间黏结性能产生影响，且存在最优的粒径及用量范围，过大和过小均降低层间性能；温度的升高显著降低层间黏结性能，说明了夏季层间易发生黏结失效；恶劣的施工环境也会降低层间黏结性能，其中水的影响最大，因此应尽量避免雨天施工或采取干燥措施。

(3)应力消散试验计算得到的应力消散能指标与直剪试验的黏结强度指标具有较高的相关性，说明了应力消散试验可以作为层间黏结性能测试的一种试验方法。