淺談道路結構層間性能評價

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，道路結構層間性能評價問題開始受到人們的關注。層間剪切破壞和反射裂縫破壞是當前路面病害的兩個主要誘因，目前關于結構抗剪性能和抗裂性能的室內(nèi)試驗種類繁多。本文主要從道路粘性、抗剪和抗震幾個方面對道路結構層間性能評價進行分析。

關鍵詞：道路結構；結構層間性能；評價方法

引 言

近年來，我國的道路建設項目不斷增加，根據(jù)調(diào)查分析，我國現(xiàn)有公路中，瀝青路面占有相當大的比重，瀝青路面具有施工過程快、結構類型多樣、養(yǎng)生維修方便、通車時間短等優(yōu)點，但瀝青路面同樣存在不可避免的問題。

1 瀝青路面層間破壞狀況分析

1.1 層間剪切破壞機理

層間剪切破壞是瀝青路面層間破壞的常見形式之一，路面各結構層之間的抗剪性能是我國乃至世界上許多國家設計規(guī)范手冊中較少涉及的力學指標，然而從以往的經(jīng)驗和道路的實際使用情況來看，路面在荷載作用下產(chǎn)生的剪應力所引起的結構破壞是不容忽視的。剪切破壞是瀝青路面常見的病害類型，根據(jù)破壞發(fā)生的位置不同又可將其分為兩類：第一類是發(fā)生在面層混合料內(nèi)部的剪切破壞，此類破壞多發(fā)生在剎車及啟動較為頻繁的路段。第二類是發(fā)生在結構層之間的剪切破壞，此類破壞多發(fā)生在層間結合性能欠佳的路段，破壞產(chǎn)生后容易導致層間發(fā)生滑移，進而引起剝落、開裂等病害。

1.2 反射裂縫破壞機理

反射裂縫破壞對于路面結構穩(wěn)定性和路面使用性能有著重要的影響，路面開裂破壞同樣是影響瀝青路面使用壽命的主要病害，常見的瀝青路面開裂包括疲勞開裂、反射開裂、低溫開裂等類型，其中反射裂縫是剛性半剛性基層或舊路面原有裂縫缺陷，在溫度與荷載的綜合作用下發(fā)生擴張，當裂縫擴張產(chǎn)生的應力得不到緩解和釋放，會在裂縫周圍形成應力集中，造成瀝青混凝土底面承受巨大的拉應力，最終導致裂縫向路表擴張（見圖1）。

2 道路結構層間粘結性能評價

根據(jù)瀝青碎石封層推移、擁包的形成原因，可用層間抗拉強度和抗剪強度作為層間粘結性能的評價指標，文中采用直接拉拔和正壓扭剪試驗分別對瀝青碎石封層試件進行層間抗拉和抗剪強度的檢測。直接拉拔試驗示意如圖2所示，用層間破壞時拉拔力的大小表征層間抗拉強度。實驗前，按照前述成型方法和各試驗水平成型試件，待試件完全固化后，將環(huán)粘結劑均勻涂抹在碎石封層表面，將拉頭和碎石層粘結，待完全牢固后，進行拉拔試驗。按照表1的設計進行正交拉拔試驗，每組試驗進行3次，分別測試拉拔力的大小，并計算平均值，得到圖3和圖4所示的各因素對抗拉強度的影響規(guī)律。從圖3、圖4可知：①圖3中采用極差的大小來表征各影響因素對碎石封層層間抗拉強度的影響程度，在所選的4個因素中，對層間抗拉強度影響程度的大小關系為：乳化瀝青用量（0.233kN）>碎石用量（0.147kN）>纖維長度（0.06kN）>纖維用量（0.05kN）。②在圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)，層間的抗拉強度隨乳化瀝青用量的增大而增大，其原因是隨著瀝青用量的增大，滲透進入原路面內(nèi)的瀝青量相對較多，同時被裹附的碎石面積也增多，結構瀝青量增大，使層間結合更加緊密。③由圖4（b）可知，當碎石用量為900～1050g時，層間的抗拉強度隨著碎石用量的增加而逐漸增大，但當碎石用量大于1050g時，隨碎石用量增加，抗拉強度增大幅度有所下降，原因是當碎石撒布量小于1050g時，封層表面會留有較多未撒布碎石的空余面積，隨著碎石用量的增加，被裹附的碎石面積進一步增加，使結構瀝青量增大，同時封層與拉頭的接觸面積增大，使抗拉值逐漸增大。當碎石撒布量繼續(xù)增加時，結構瀝青含量增加幅度開始減少，所以拉拔力的增加幅度也相應減弱，并且當撒布量為1200g時，碎石覆蓋率接近100%。④從圖3和圖4（c）、圖4（d）可知，纖維長度和纖維用量對抗拉強度的影響水平次于乳化瀝青和碎石用量。其中，纖維長度對層間抗拉強度的影響程度較小，而隨著纖維用量的增加，抗拉強度先增大后減小，并且當纖維用量為9g時，抗拉強度出現(xiàn)最大值。

3 道路結構層間抗剪強度

試件成型與拉拔試驗相同，試驗中，向試件逐漸施加扭矩，直至碎石封層與瀝青混合料墊塊發(fā)生脫離，用層間發(fā)生脫離時的扭矩表征層間抗剪強度。按照表1中設計的正交試驗進行扭剪試驗，每組試驗進行3次，分別測試扭矩的大小，并計算平均值，得到各因素對抗剪強度的影響規(guī)律。①在所選的4個因素中，對層間抗剪強度影響程度排序為：乳化瀝青用量（12.987kN·m）>碎石用量（4.0686kN·m）>纖維用量（2.63kN·m）>纖維長度（1.787kN·m）。②層間抗剪強度隨乳化瀝青用量的增加而增大，其原因是隨著乳化瀝青用量的增大，裹附碎石面積也增多，結構瀝青含量增大，同時纖維也結合了更多的瀝青，形成更加致密的結構，提高了層間抗剪強度。③碎石封層的層間抗剪強度隨著碎石用量的增加先增大后減小，在碎石用量為1050g時出現(xiàn)最大值。這是由于當碎石用量較少時，多余的瀝青無法有效地和碎石結合，抗剪強度較小，隨著碎石用量的增加，自由瀝青量減少，結構瀝青量增多，抗剪強度逐漸增大；但是，當碎石用量大于1050g時，可能是由于撒布的碎石中有少量未被瀝青粘結，在扭剪過程中出現(xiàn)滑動，使扭矩降低。④與影響抗拉強度的規(guī)律一致，纖維用量和纖維長度對層間抗剪強度的影響水平次于乳化瀝青用量和碎石用量，纖維長度的影響水平最低。層間抗剪強度隨著纖維用量的增加而增大，在纖維用量為9g時，扭矩出現(xiàn)最大值，即層間的抗剪強度最大，之后隨著用量的增加，抗剪強度呈下降趨勢。這是由于玻璃纖維能吸附足夠的瀝青，減少自由瀝青含量，并能形成一定厚度的網(wǎng)狀結構，在機械壓實作用下，碎石和面層混合料顆粒被壓入纖維網(wǎng)，有利于改善層間抗剪性能。但是，當纖維用量繼續(xù)增加時，纖維吸附及穩(wěn)定的瀝青量不再增加，多余的纖維處于游離狀態(tài)，形成薄弱層，反而會降低層間抗剪強度。當纖維長度為40mm時，由于纖維過短，纖維絲之間相互不能有效地搭接，無法形成穩(wěn)定的玻璃纖維網(wǎng)，對層間抗剪強度影響較小；在纖維長度為60mm時，纖維長度適中，玻璃纖維絲之間可以有效地相互搭接，能夠與瀝青、碎石形成致密的“碎石-瀝青-纖維”結構，使層間抗剪強度達到最大值；但纖維長度過長時，在纖維用量一定的情況下，纖維網(wǎng)狀結構相對變疏，“加筋”作用減弱，抗剪強度反而降低。

4 道路結構層間抗裂性能評價

瀝青路面的低溫開裂是路面破壞的主要形式之一。路面裂縫的危害在于從裂縫中不斷進入水份使基層甚至路基軟化，導致路面承載力下降，產(chǎn)生臺階、網(wǎng)裂，加速路面破壞。SHRP規(guī)范中評價瀝青低溫開裂性能的指標，瀝青路面使用一定時間后瀝青老化，瀝青的勁度增大、應力松弛能力變差、拉伸應變減少，在溫度的反復作用下瀝青路面發(fā)生低溫開裂。為此SHRP評價瀝青結合料低溫性能所采用的瀝青樣品要求先經(jīng)旋轉薄膜烘箱試驗（RTFOT）模擬瀝青在施工過程中的熱老化，再經(jīng)過壓力老化試驗模擬瀝青路面經(jīng)過至少5年的使用期老化。SHRP瀝青結合料路用性能規(guī)范中提出用彎曲梁流變儀的彎曲蠕變試驗及直接拉伸試驗評價瀝青的低溫抗裂性能，用經(jīng)過RTFOT和壓力老化試驗的瀝青，測定平均最低路面設計溫度時的低溫彎曲蠕變勁度模量S作為最主要指標。SHRP采用BBR試驗來評價瀝青低溫抗裂性能，它要求605時的S不大于300MPa，同時還要求605時蠕變勁度與荷載作用時間的雙對數(shù)曲線的斜率m不小于0.30（m值反映瀝青勁度的時間敏感性及應力松弛性能，m值越大，瀝青的應力松弛性能越好，抗裂性能越好）。

5 結束語

本文對剪切破壞與反射裂縫兩種常見道路結構破壞進行了研究，通過對其形成機理的分析，總結了影響層間發(fā)生破壞的主要因素，包括溫度、豎向力、車輛荷載等。在現(xiàn)有試驗方法的基礎上，研發(fā)出一種多功能層間力測試儀，并對現(xiàn)有的試驗方法及評價指標進行了改進。

參考文獻

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作者簡介：李金男（1983-），漢族，貴州興仁人，本科，主要從事路橋設計方面的工作。