水泥混凝土桥面铺装层间黏结性能研究

2023-07-31颜可珍黄顺欣葛冬冬洪哲

湖南大学学报（自然科学版） 2023年7期

颜可珍，黄顺欣，葛冬冬，洪哲

（1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

在水泥混凝土桥面铺装体系中，沥青铺装层与桥面板的层间黏结性能的好坏直接决定铺装层整体结构的寿命［1］.由于沥青铺装层与桥面板的模量相差较大，当两者组合的结构受到行车荷载的作用时，层间会产生较大的剪应力［2］.若层间黏结性能不足，在行车荷载作用下极易发生层间剪切破坏，进而导致沥青铺装层推移、拥包等病害［3］.温度对层间黏结性能有显著影响，国内外研究者对不同黏结层的层间黏结性能展开了室内试验研究，结果表明随着温度升高，层间拉拔和剪切强度显著下降［4-8］.当前对层间黏结性能的研究，主要集中在探究不同黏结层材料的剪切或拉拔强度，并依此选择最佳材料.而针对层间黏结性能随温度的变化规律的研究较少，同时也缺少对不同黏结层强度受温度影响程度的分析.因此，有必要开展温度对层间黏结性能影响的研究.

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）提出，水泥混凝土桥面铺装黏结层材料可采用热改性沥青（SBS 改性沥青或橡胶改性沥青）、热改性沥青碎石、涂料等［9］.SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）改性沥青具有较高的抗低温变形能力和耐高温性能，是常用的桥面铺装黏结层材料.橡胶改性沥青是将废旧橡胶粉添加至基质沥青中制成的，其路用性能良好，节约资源，具有较好的发展前景［10］.根据前人研究［11］，废旧轮胎橡胶粉（Waste Tire Rub⁃ber，WTR）改性沥青和WTR/APAO（Amorphous Poly Alpha Olefin，α-烯烃聚合物）复合改性沥青具备优良的性能，适合作为桥面铺装黏结材料使用.AMP-100 二阶反应型黏结涂料（以下简称AMP-100 黏结涂料）常温下为黑褐色液体，是在天然沥青与石油沥青共混物中加入石油基活性反应物质制成的，通过机械喷涂或人工涂刷的方式直接形成黏结层使用，是桥梁工程中常用的黏结涂料.

本文选用4 种黏结层材料（SBS 改性沥青、WTR改性沥青、WTR/APAO 改性沥青、AMP-100 黏结涂料），以材料涂膜和沥青+撒布同步碎石两种方式成型黏结层.测得不同温度条件下的拉拔、直剪、斜剪强度，分析其差异，并采用回归分析方法探究层间强度随温度的变化规律.根据不同温度下层间强度与20 ℃下层间强度的比值，评价温度对黏结层黏结性能的影响程度，并预估不同温度下的层间强度值.计算斜剪与直剪强度比值，分析斜剪强度与直剪强度之间的关系，以期为水泥混凝土桥面铺装层间黏结性能的评估和检测提供参考.

1 试验材料及试件制备

1.1 试验原材料

1.1.1 黏结材料

本文使用的4.5%SBS 改性沥青为I-D 等级改性沥青.WTR 改性沥青由70 号基质沥青掺加15% 的180 μm（80 目）橡胶轮胎粉制备而成［12-13］.WTR/APAO 改性沥青由70 号基质沥青掺加15%WTR 和4%APAO 制成［14-15］.3 种改性沥青的基本性能见表1.AMP-100 黏结涂料常规指标如表2 所示.同步碎石采用4.75 mm单粒径石灰岩碎石.

表1 改性沥青的基本性能Tab.1 Basic properties of modified asphalt

表2 AMP-100黏结涂料的常规指标Tab.2 General indicators for AMP-100

1.1.2 沥青混凝土层及水泥混凝土板

1）沥青混凝土面层采用AC-13C 型密级配沥青混合料，其各项技术指标符合《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）要求.

2）水泥板采用C40 普通硅酸盐水泥混凝土，测得其28 d无侧限抗压强度为43.8 MPa.

1.2 拉拔及剪切试验试件制备

1）涂膜黏结层制备：将养护完成的水泥混凝土板件除去表面浮浆、凿毛、冲洗并风干.《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中指出水泥混凝土桥面板表面构造深度宜为0.4～0.8 mm，采用铺砂法测得凿毛后的水泥板表面构造深度为0.69 mm，满足要求.将3 种热改性沥青加热至流动状态后涂刷于水泥板表面，AMP-100 采用冷涂方式.结合前人研究，改性沥青用量范围为1.0～2.0 kg/m2.本文中材料用量统一为1.5 kg/m2.

2）改性沥青碎石黏结层制备：完成3 种热改性沥青涂刷后，同时将已在170 ℃下保温4 h的4.75 mm单粒径碎石均匀撒布到黏结层上，并轻压以使碎石嵌入黏结层.根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），碎石推荐撒布率为60%～70%，本试验碎石撒布率为65%左右.

将成型黏结层后的板件置于车辙板试模中，用碾压机碾压成型4 cm 厚沥青混合料层.复合板件制备如图1所示.

图1 复合板件制备Fig.1 Composite plate preparation

组合件成型后，将组合件切割成5 cm×5 cm×8 cm试件用于拉拔试验，以及9 cm×9 cm×8 cm 试件用于剪切试验.

2 层间黏结性能试验

2.1 拉拔试验及分析

拉拔试验（图2）通过万能材料试验仪进行，试件上下表面与拉拔头用环氧树脂胶黏结.试验进行前先将试件置于保温箱中保温4 h后取出.安装试件后启动仪器，仪器施加竖直方向的拉力直至层间破坏，加载速率为10 mm/min，记录加载过程中最大拉力值.

图2 拉拔试验Fig.2 Pull-out test

拉拔强度计算公式见式（1）：

式中：σ为拉拔强度，MPa；F为拉力值，N；S为层间面积，mm2.

2.1.1 涂膜黏结层拉拔试验结果分析

4种涂膜黏结层的拉拔试验结果见图3.

图3 涂膜黏结层拉拔强度Fig.3 Pull strength of coated adhesive layers

根据20 ℃时的拉拔强度可以看出，4 种材料的拉拔强度排序由大到小依次为：WTR/APAO 改性沥青、WTR 改性沥青、AMP-100 黏结涂料、SBS 改性沥青.当温度升高时，4 种材料的拉拔强度均显著下降，但大小排序保持不变，表明WTR 改性沥青与WTR/APAO 改性沥青在不同温度条件下均有较高的界面黏结力.观察图3 中数据散点，拉拔强度随温度的下降趋势类似指数函数或幂函数单调递减.对试验结果进行回归分析，发现用单指数函数拟合后的拟合优度更高，能较好地反映当温度升高时层间拉拔强度的衰减趋势.回归方程展示于图3，拟合优度R2最小值为0.989.单指数函数模型见式（2）.

式中：y代表层间拉拔强度；y0、A1、t1为回归参数；x代表温度.

式（2）的导函数如式（3）所示.

由式（3）计算得到的数值显示了拉拔强度的下降速度，A1与t1是与拉拔强度的温度敏感性有关的常数，两者共同决定了拉拔强度随温度的变化速率.随着温度的上升，式（3）计算值逐渐增大，即拉拔强度下降速度减小.由此可以得出结论：层间拉拔强度值随着温度上升而下降，而下降速度逐渐减小.

为了进一步研究不同黏结层材料的拉拔强度受温度影响的程度，本文以20 ℃下的拉拔强度为标准强度值，计算其他温度下拉拔强度与标准拉拔强度的比值，比值以K1表示，K1计算方式见式（4）.K1数值越大，表明材料拉拔强度受温度影响程度越小，计算结果如表3所示.

表3 不同温度下涂膜黏结层K1值Tab.3 K1 value of coating film adhesive layer at different temperatures

式中：σt为温度t时的拉拔强度；σ20℃为20 ℃时的拉拔强度.

分析表3 中数据可以看出，AMP-100 黏结层在25 ℃时的K1值为0.72，低于WTR 改性沥青和WTR/APAO 改性沥青，但当温度继续升高时，其K1值下降速度开始变缓，至45 ℃时，AMP-100 黏结涂料的K1值为0.25，明显高于3 种热改性沥青（0.16～0.19），表明AMP-100黏结层拉拔强度对温度的敏感性最低.

2.1.2 改性沥青碎石黏结层拉拔试验结果分析

3种改性沥青碎石黏结层的拉拔试验结果如图4所示.

图4 改性沥青碎石黏结层拉拔强度Fig.4 Pulling strength of modified asphalt gravel adhesive layer

从图4 中可以看出，3 种改性沥青碎石黏结层在各温度点的拉拔强度排序一致，从大到小依次为WTR/APAO 改性沥青碎石、WTR 改性沥青碎石、SBS改性沥青碎石，大小顺序与同种沥青的涂膜黏结层一致.相较于采用同种沥青的涂膜黏结层，加入碎石后的层间拉拔强度整体下降，下降幅度最大为27.9%，这是因为在不撒布碎石的状态下，沥青混凝土层与沥青膜直接黏结，而在撒布碎石后一部分黏结界面被碎石与沥青膜的黏结取代，后者的黏结效果弱于前者，从而使得拉拔强度降低.

用单指数函数对试验数据进行拟合后，回归方程及拟合曲线见图4，拟合优度R2最小值为0.985.计算3 种改性沥青碎石黏结层的K1值，计算结果见表4.

表4 不同温度下改性沥青碎石黏结层K1值Tab.4 K1 value of modified asphalt crushed stone bonding layer at different temperatures

温度从20 ℃升高到45 ℃，改性沥青碎石黏结层的K1值除在35 ℃时高于同种沥青的涂膜黏结层外，其余整体出现下降，表明其拉拔强度受温度影响程度更大，推测是由于层间黏结效果变差，在温度升高的情况下更容易脱黏.45 ℃时，3 种改性沥青碎石黏结层的K1值非常接近，表明3 种改性沥青碎石黏结层拉拔强度对温度的敏感性差异小.

2.1.3 不同温度下层间拉拔强度预估

取不同材料黏结层在同一温度点的K1平均值，作为该温度点层间拉拔强度与标准层间拉拔强度比值的平均值.当已知20 ℃时的层间拉拔强度时，各温度点的层间拉拔强度可通过K1平均值预估计算.当采用涂膜黏结层或改性沥青碎石黏结层时，20～45 ℃的K1平均值计算结果如表5所示.

表5 不同温度下涂膜黏结层的K1平均值Tab.5 The average of K1 at different temperatures

2.2 直剪试验及分析

应用万能材料试验仪进行直剪试验（图5），试件通过专用夹具固定以实现层间平面与压力加载方向平行.试验进行前，试件需置于保温箱中保温4 h.仪器施加竖向压力直至层间发生剪切破坏，加载速率为10 mm/min，记录加载过程中最大压力值.

图5 直剪试验Fig.5 Straight shear test

直剪强度计算公式见式（5）：

式中：τ为直剪强度，MPa；F为压力值，N；S为层间面积，mm2.

2.2.1 涂膜黏结层直剪试验结果分析

4种涂膜黏结层的直剪试验结果如图6所示.

图6 涂膜黏结层直剪强度Fig.6 Straight shear strength of coated adhesive layer

根据图6 可知，当温度处于20～40 ℃时4 种涂膜黏结层在各温度点的直剪强度排序由大到小依次为WTR/APAO、WTR、SBS、AMP-100.当温度达到45 ℃时，AMP-100 的直剪强度超过WTR 与SBS 改性沥青，但仍低于WTR/APAO 改性沥青，WTR/APAO 改性沥青黏结层在不同温度下的抗剪切能力最强.

用单指数函数对试验数据进行拟合，回归方程见图6，拟合优度R2最小值为0.980.计算不同温度下直剪强度与标准直剪强度（20 ℃）的比值，以K2表示，计算结果见表6.

表6 不同温度下涂膜黏结层K2值Tab.6 K2 value of the adhesion layer of the coating film at different temperatures

对比表6和表3中数据，可以看出涂膜黏结层的K2整体低于K1，表明直剪强度对温度的敏感性高于拉拔强度.这是因为在直剪试验中，决定直剪强度的除了沥青膜的黏结作用，还有沥青膜自身的抗剪切能力，这使得层间直剪强度对温度的敏感性更高.当温度达到45 ℃时，AMP-100黏结层的K2值明显高于3 种热改性沥青，其直剪强度对温度的敏感性在4 种涂膜类材料中最低.3 种热改性沥青黏结层的K2值基本一致，直剪强度对温度的敏感性差异较小.

2.2.2 改性沥青碎石黏结层直剪试验结果分析

3 种改性沥青碎石黏结层的直剪试验结果见图7.

图7 改性沥青碎石黏结层直剪强度Fig.7 Straight shear strength of modified asphalt gravel adhesive layer

对比图6 和图7，改性沥青碎石类黏结层直剪强度相较于同种沥青的涂膜黏结层也出现了不同幅度的下降，这是因为黏结效果的减弱使得层间抗剪切能力下降.尽管碎石可以提高层间摩阻力，但由于直剪试验是无正压力的剪切试验，摩阻力有限，黏结力仍然起主导作用.3 种改性沥青碎石黏结层在各温度点的直剪强度排序一致，由大到小依次为WTR/APAO 改性沥青碎石、WTR 改性沥青碎石、SBS 改性沥青碎石.用单指数函数对试验数据进行拟合，回归方程见图7，拟合优度R2最小值为0.988.

计算3 种改性沥青碎石黏结层的K2值，计算结果见表7.

表7 不同温度下改性沥青碎石黏结层K2值Tab.7 K2 value of modified asphalt crushed stone bonding layer at different temperatures

在直剪试验中，3种改性沥青碎石黏结层与同种沥青的涂膜黏结层相比，K2值整体略有上升.推测是由于碎石增加了层间摩阻力，而摩阻力基本不受温度的影响，从而使得直剪强度对温度的敏感性下降.

2.2.3 不同温度下层间直剪强度预估

取不同黏结层在同一温度点的K2平均值，作为该温度点层间直剪强度与标准层间直剪强度（20 ℃）比值的平均值.当已知20 ℃时的层间直剪强度时，各温度点的层间直剪强度可通过K2平均值预估计算.采用涂膜黏结层或改性沥青碎石黏结层时，20～45 ℃的K2平均值计算结果如表8所示.

2.3 斜剪试验及分析

在受力状态上，斜剪试验更接近路面的实际受力状态.研究表明，采用45°角的斜剪试验更能反映车辆轴载与刹车荷载的共同作用，并且更加安全［16-17］.因此本试验选择45°作为剪切角.通过万能材料试验仪以及自主设计的夹具进行45°斜剪试验（图8），加载速率设置为10 mm/min，记录层间剪切破坏过程中的最大竖向压力，根据公式（6）计算斜剪强度：

图8 斜剪试验Fig.8 Oblique shear test

式中：τ为斜剪强度，MPa；F为压力值，N；S为层间面积，mm2.

2.3.1 涂膜黏结层斜剪试验结果分析

4 种涂膜黏结层的45°斜剪试验结果如图9所示.

图9 涂膜黏结层斜剪强度Fig.9 Oblique shear strength of coated adhesive layer

对比直剪强度，4种涂膜黏结层的斜剪强度值整体明显提升.考虑到斜剪试验更能模拟铺装层实际受力状态，因此斜剪强度更接近层间实际的抗剪强度.在温度上升的过程中，3 种改性沥青的斜剪强度由大到小依次为WTR/APAO 改性沥青、WTR 改性沥青、SBS改性沥青.AMP-100黏结涂料在温度低于35 ℃时，斜剪强度值在4 种涂膜材料中最低；但当温度超过35 ℃时，AMP-100 黏结涂料斜剪强度超过WTR改性沥青和SBS 改性沥青.用单指数函数对试验数据进行拟合，回归方程及拟合曲线见图9，拟合优度R2最小值为0.980.从前文已知，拉拔强度和直剪强度随温度上升而下降，但下降速度逐渐减缓.而观察图9 中温度-斜剪强度拟合曲线，下降速度的变化率明显更低，偏向于线性下降.

图10展示了以WTR 改性沥青为黏结层时，在直剪试验和斜剪试验下的层间剪切破坏面.

图10 层间剪切破坏面Fig.10 Interlayer shear failure surface

从图10 中可以看出，相对于直剪试验的剪切破坏面［图10（a）］，斜剪试验的剪切破坏面［图10（b）］有明显的集料滑动痕迹以及部分集料碎屑残留.这表明在斜剪试验中试件受到垂直分力，集料颗粒与水泥混凝土界面的摩擦和嵌挤力迅速增大，从而解释了斜剪强度相对于直剪强度显著提高的原因.

计算不同温度下斜剪强度与标准斜剪强度（20 ℃）的比值，以K3表示，计算结果见表9.

表9 不同温度下涂膜黏结层K3值Tab.9 K3 value of the adhesion layer of the coating film at different temperatures

对比涂膜黏结层直剪强度分析中各温度点的K2值，K3值整体提高，表明斜剪强度对温度的敏感性低于直剪强度.这同样是因为在法向压力的作用下，摩阻力占比的增大使得层间抗剪强度受温度的影响减小，同时也使得4 种黏结层斜剪强度对温度的敏感性差距减小，45 ℃时K3在0.20～0.26范围内.

2.3.2 改性沥青碎石黏结层斜剪试验结果分析

3 种改性沥青碎石黏结层的斜剪试验结果以及温度-斜剪强度回归方程见图11，拟合优度R2最小值为0.972.

图11 改性沥青碎石黏结层斜剪强度Fig.11 Modified asphalt gravel bonding layer oblique shear strength

根据图11 可知，不同温度条件下，改性沥青碎石类黏结层斜剪强度由大到小依次为WTR/APAO改性沥青碎石、WTR 改性沥青碎石、SBS 改性沥青碎石，并且均高于同种沥青涂膜黏结的斜剪强度.这是由于在垂直压力的作用下，同步碎石的存在提高了摩阻力，从而提高了层间斜剪强度.考虑到铺装结构实际的受力状态，改性沥青碎石黏结层在服役时的抗剪切能力优于涂膜黏结层.

计算3 种改性沥青碎石黏结层的K3值，计算结果如表10所示.

表10 不同温度下改性沥青碎石黏结层K3值Tab.10 K3 value of modified asphalt crushed stone bonding layer at different temperatures

相比同种沥青的涂膜黏结层，改性沥青碎石黏结层在40 ℃和45 ℃两个温度点的K3整体上升，推测是因为在温度较高的区段，作为黏结层的沥青膜在剪切力的作用下极易发生剪切破坏，但在垂直分力的作用下，碎石与混凝土表面的摩擦和嵌合作用起到了减缓层间滑动的作用，而该部分作用力只与垂直分力和层间摩擦因数有关，因此提高了高温下层间剪切强度剩余系数.这一结果表明改性沥青碎石黏结层在高温下的抗剪切性能更突出.

2.3.3 不同温度下层间斜剪强度预估

计算不同材料黏结层在同一温度点的K3平均值，作为该温度点层间斜剪强度与标准斜剪强度（20 ℃）比值的平均值.各温度点的层间斜剪强度可通过K3平均值×20 ℃时的层间斜剪强度值来预估计算.采用两种类型黏结层时的K3平均值计算结果如表11所示.

表11 不同温度下的K3平均值Tab.11 The average of K3 at different temperatures

2.4 直剪/斜剪强度对比分析

为进一步探究斜剪强度与直剪强度之间的关系及变化规律，本文计算了不同材料在各温度点的斜剪强度与直剪强度比值，图12和图13分别展示了比值随温度的变化趋势.

图13 改性沥青碎石黏结层斜剪强度/直剪强度Fig.13 Oblique shear strength/straight shear strength of modified asphalt gravel-like bonding layer

温度从20 ℃升高到45 ℃时，涂膜黏结层的斜剪/直剪强度比值从1.165 升高到2.455，改性沥青碎石黏结层的比值从1.560 升高到2.990.在直剪强度中，起主要作用的是沥青膜的黏结能力和抗剪切能力，而在斜剪强度中，层间摩阻力迅速增大，这一趋势证明，随着温度的升高，摩阻力在层间抵抗剪切破坏的过程中作用增大，因此提高层间摩阻力，如提高水泥界面粗糙度、撒布同步碎石，是提高层间在高温下抗剪切能力的有效措施.