水泥橡胶沥青混凝料与公路面层粘接性能研究

刘和操 刘正雄 蔡莉莉 李新燕 张莉丽

摘 要：为了研究水泥橡胶沥青混凝土公路路面层间粘接性能，在原材料中掺入6.0%的水泥，借助车轮碾压制备试件。分析车轮轮胎接地压力，采用三维有限元模型展示路面结构，考虑不同行车方向和弹性弹簧部分粘弹性，构建剪切模量和拉拔模量方程。在低温-10、常温20、高温40 ℃状态下，测试复合试件直接剪切、拉拔力学性能，并分析不同温度区间层间粘接程度变化规律。结果表明，所研究方法剪切强度和拉拔强度与实际研究过程中的数值一致，粘接强度仅在40 ℃下与实际值存在最大为0.05 N/mm2的误差。

关键词：水泥；橡胶沥青；公路面层间；粘接性能；三维有限元

中图分类号：TQ172.7;U416.217

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0041-04

Research on the adhesive performance between cement rubber asphalt concrete and highway surface layer

LIU Hecao，LIU Zhengxiong，CAI Lili，LI Xinyan，ZHANG Lili

（Southwest Transportation Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650032，China

）

Abstract：In order to study the interlayer bonding performance of cement asphalt concrete highway pavement，6.0% cement was added to the raw materials and specimens were prepared by wheel rolling.The ground pressure of wheels and tires was analyzed，and the three-dimensional finite element model was used to display the pavement structure.Considering the different driving directions and the viscoelasticity of elastic springs，the equations of shear modulus and drawing modulus were constructed.The direct shear and tensile mechanical properties of composite specimens at low temperature of -10 ℃，normal temperature of 20 ℃，and high temperature of 40 ℃ were tested，and the changes in interlayer adhesion degree in different temperature ranges were analyzed.The results showed that the shear strength and pull out strength of the studied method were consistent with the values in the actual research process，and the maximum error between the bond strength and the actual value was 0.05 N/mm2 only at 40 ℃.

Key words：cement;rubber asphalt;highway pavement interlayer;adhesive performance;three dimensional finite element

瀝青路面由路面、基层、下层及铺装层等构成，路面各层之间的粘接力对沥青路面的使用效果也有较大的影响。但是，在国内的公路施工过程中，并没有注意到沥青面层之间粘接状态，造成了许多层之间的粘接性能不佳，导致很多道路在使用初期就产生了疲劳开裂、车辙等现象，极大地降低了其服役寿命。当前，在国内的道路施工中，对层间粘接开始重视了起来，如提出了基于斜剪试验的粘接性能研究方法［1］，通过对沥青混合料的层间斜剪试验，研究了沥青混合料的种类、掺量、温度和水泥混合料对层间粘层抗剪强度的影响；提出了基于直剪试验的粘接性能研究方法［2］，该方法研究了沥青胶凝材料特性、喷洒用量、混合料种类、水环境、荷载和老化等因素对沥青粘层的粘接效果。研究借助三维有限元模型构建路面结构，分析剪切模量和拉拔模量。以此为依据，在不同温度下，研究水泥沥青混凝土公路路面层间粘接性能。

1 试验材料及试件制备

1.1 试验材料

选用的试验材料：水泥，

无锡市江淮建

材科技有限；

ARHM-25橡胶改性沥青，

山东远明新材

料有限公司；

ATB-25橡胶改性沥青，

山东众辉土工材料有限公司;

PC-2型乳化沥青，

新郑市同辉建材厂;

纤维加强型橡胶改性沥青，

潍坊鼎筑防水材料有限公司;

玻璃纤维，

河间世磊玻璃纤维布实力供应商。

在使用了6.0%的水泥用量之后，将在沥青面层中使用橡胶改性沥青混合料ARHM-25和ATB-25作为对比试验组，在基础与表面的层间结合时，选用了具有渗透力的粘接材料，用PC-2乳化沥青作渗透层用油［3］。

1.2 试件制备

利用上述材料制备了ARHM-25、ATB-25瀝青混合料及水泥稳定砂砾混合料的复合试件，复合

试件成型过程如图1所示。

在复合试件制备过程中，使用了车轮碾压的方法进行试件成型。

用于试件制备过程需要准备的仪器：

钢刷（20 mm刷毛长度），

桐城市福泽鬃刷有限公司；

ABS高压水枪，

义乌市惊眠电子商务商行；

钻芯机（发动机13马力），

献县新创仪器设备厂；

压铸模具（多型腔模具），

泊头市欧曼特模具厂。

当路面经碾压达到一定强度后，再用铁刷子、高压水炮将路面上的砂砾清理干净，保证路面干净，不出现疏松的砂砾［4］。对已处理过的地基，先喷洒PC-2乳化沥青透层油，破乳后再喷洒纤维增强的橡胶-2胶凝材料。待中间层处理完成后，成型上层沥青混合料。最终，使用100 mm的钻芯器钻芯取样模具内的复合试件，从而获得可供实验使用的圆柱体试件［5］。

2 试验条件及方法

2.1 试验条件

采用车轮碾压方法进行试验时，测量的轮胎接地压力可用图2表示。

本试验假设：轮胎的单轮负载30 kN，轮胎压力500 kPa；车辆以中低速运行，车辆行驶方向的轮胎地面应力是按照测量得到的地面应力来确定的［6］。

根据试件制备结果，采用三维有限元模型展示路面结构，如图3所示。

在考虑降雨效应的基础上，采用4 100、4 000 MPa、的基础水稳弹性模量［7-8］。在有限元分析中，一般假设：（a）模型底部受到完全约束，没有出现任何方向的位移；（b）受到竖向压力作用时，不会产生x方向的位移；（c）受到侧向压力作用时，不会产生y方向的位移［9］。

粘弹性材料的反应通常包括2个方面：一个是弹性；另一个是粘弹性。弹性弹簧部分在受到外力作用的瞬间会立即产生反应，而有粘弹性弹簧部分在反应过程中会有一段时间才能产生反应［10］。基于小变形理论，Maxwell单元的粘弹性本构关系，可表示为：

考虑低温、常温和高温3种状态，选取其对应的温度-10、20、40 ℃，分别对复合试件的力学性能进行了测试。测试方法为直接剪切测试和拉拔测试。

将钻孔后的岩心按一定比例放置在恒温箱中保持4 h，再将温度控制好的复合试件迅速地装入剪力或拉力设备中［11］。在此基础上，采用通用力学实验装置，对其进行了加载实验，并对其进行了分析。在测试复合试件的层间剪切强度时，设置45 mm/min的剪切速度；在测量拉伸强度时，拉伸速度为每分钟8 mm/min。试验全部时间控制在2 min以内，确保试验在符合要求的情况下进行。

由于剪切、拉伸试验能够更好地模仿真实路面的破坏形态，所以在实验室中对于沥青路面的研究都是通过检测其剪切、拉伸强度的数值来判断其粘接性能的好坏;另外，拉拔试验由于其操作方便，对于路面破坏的区域也很小等特点而受到广泛的青睐，剪切和拉伸2种试验都能够反映出粘接层之间的粘接性能［14］。

2.2 试验方法

为了研究不同温度下沥青混合料路面层间强度的差异性，选取沥青混合料AR-HM-25为试验组，ATB-25为对照组；将温度由低温到常温的过程划分为相对低温区（-10～20 ℃），由常温到高温的过程划分为相对高温区（20～40 ℃），各温度区间下的层间变化规律如图4所示。

由图4可知，通过设置试验组和对照组可以避免试件制作的沥青用量影响试验结果。对于剪切强度，在相对低温区的数值要比相对高温区的数值大，无论沥青用量多少，相对高温区剪切强度衰减影响均明显大于相对低温区；对于拉拔强度相对低温区与相对高温区相比，相对低温区拉拔强度衰减影响均明显小于相对高温区。

温度是决定复合试件层间粘接性能的重要因素，特别是在相对高温区，层间粘接性能随温度上升而发生明显变化，层间粘接性能下降。其中，对于层间剪切强度，在相对低温区，底层-表层复合结构以粘层油为主，但当温度上升时，粘层油发生软化，层间粘接力急剧下降；随着温度的不断上升，层间的粘接力包括了由界面形状所提供的摩阻力以及剩余的粘层油所提供的粘附力，随着气温不断上升，过量的粘层油将软化成为富油层，同时也会增大油粒的粘附力。而不足的粘层油则会由于软化而失去黏附力，因此，层间的强度将以界面形状所提供的摩阻力为主；对于层间拉伸强度，在相对低温区，粘层油的并没有被彻底软化，粘合作用仍有很大提高。但当气温不断上升，进入相对高温区后，粘层油软化程度更大，粘性也会大大下降，从而造成层间拉伸强度的快速衰减。

3 试验结果与分析

3.1 试验加载装置

实验加载设备是一台由曲轴带动的车辆车轮来回运动的车辙试验机，采用LVDT或无触点式的位移仪，实现了对车辙变形量自动采集和记录。当温度为50 ℃时，测试轮盘与试样之间的压力为0.06 MPa，所受载荷约为80 kg，并可根据具体条件进行适当调节。

车辙测试设备需安装在一个恒温大棚中，并对测试样品表面和恒温大棚的温度进行检测和记录，其准确度为±0.5 ℃，并且能够对测试过程中的温度进行持续的自动记录。

3.2 试验数据分析

采用OLYMPUS显微镜，它包括3个部件：一个真空设备和一个动力箱。其中，真空装置用以保障显微镜内的真空状态，避免影响试验数据分析结果。

对于剪切强度，在不同温度-10、20、40 ℃时使用显微镜观测结果如图5所示。

由图5可知，在-10 ℃时路面层间空隙较小，且无明显空洞，随着温度升高，层间剪切强度衰减，在40 ℃下路面层间空隙较大。

对于拉拔强度，在不同温度-10、20、40 ℃时使用显微镜观测结果如圖6所示。

由图6可知，-10 ℃时路面层间空隙较小；20 ℃时路面层间出现波纹，存在软化问题；40 ℃时路面层间出现较大波纹，软化严重，且空隙较大。

3.3 试验结果与分析

分别使用基于斜剪试验的粘接性能研究方法、基于直剪试验的粘接性能研究方法和基于三维有限元模型的分析方法，对比分析剪切强度和拉拔强度，对比结果如表1所示。

由表1可知，使用基于斜剪、直剪试验的粘接性能研究方法，与实际研究过程中的数值不一致，而使用基于三维有限元模型的分析方法，与实际研究过程中的数值一致，由此可知使用所研究方法测试剪切强度和拉拔强度分析结果精准。

基于该分析结果，将x轴方向作为行车方向，对比3种方法在不同温度时的粘接强度，对比结果如图7所示。

由图7可知，使用基于斜剪试验的粘接性能研究方法、基于直剪试验的粘接性能研究方法与实际值不一致，其中在温度分别为20、40 ℃时，与实际值误差最大，分别相差0.5 N/mm2和0.6 N/mm2。使用所研究方法与实际值基本一致，仅在40 ℃时与实际值存在最大为0.05 N/mm2的误差。

4 结语

（1）通过构建路面结构的三维有限元模型，可根据不同行车方向和弹性弹簧部分粘弹性，分析复杂的层间力学；

（2）通过设置不同温度，能够获取复杂层间力学对应的不同温度区间粘接程度变化规律；

（3）通过试验测试，验证了所研究方法分析结果比较精准，为进一步科学评估水泥沥青混凝土公路路面稳定性提供试验依据。

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收稿日期：2023-10-10；修回日期：2024-02-09

作者简介：刘和操（1982-），男，高级工程师，研究方向：桥梁路面施工;E-mail：527506818@qq.com。

引文格式：刘和操，刘正雄，蔡莉莉，等.水泥橡胶沥青混凝料与公路面层粘接性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：41-44.