瀝青面層層間滑移原因分析

牛小虎，王孝賢，陳忠達，張 雄，陳峙峰,5，吳永軍

(1.許昌華杰公路勘察設計有限責任公司，河南 許昌 461000；2.渭南市公路工程建設處，陜西 渭南 714000；3.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064； 4.陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710075； 5.河南省周口市公路管理局，河南 周口 466000)

0 引 言

在行車荷載尤其是重載作用下，瀝青面層層間成為路面結構中的薄弱部位，層間產生的剪切變形甚至滑移破壞現象屢見不鮮[1-2]。

目前國內對瀝青面層層間滑移破壞的原因進行了一定的研究。文獻[3]認為瀝青面層U形滑移破壞與超載現象和黏層材料性能相關，尤其是與中上面層之間所用的黏層材料相關，但并未研究環境條件和施工質量的影響。文獻[4]認為層間是否清潔是影響層間結合狀態的重要因素，也是防止層間滑移破壞的重要環節，并指出在黏層上撒布堿性碎石將有利于保障層間黏結效果；但未能發現黏層材料灑布量、灑布均勻性的重要影響。文獻[5]認為提高溫度可以減小少許層間剪應力，但忽略了溫度對黏層材料黏性以及層間抗剪強度的不利影響。文獻[6]指出保障層間結合狀態是路面結構協同受力、減少早期損壞的重要前提，但未說明如何保障層間結合狀態。由此可知，國內對瀝青面層層間滑移破壞的原因已經有了初步認識，但不夠全面，尤其是缺乏對環境條件和施工質量等方面的分析。鑒于此，本文在分析瀝青面層層間滑移特征的基礎上，從行車荷載、黏層材料性能、環境條件和施工質量等方面系統分析瀝青面層層間滑移的原因，同時基于中國各級公路廣泛應用的半剛性基層瀝青路面結構，對高黏瀝青、SBS改性瀝青和課題組開發的環氧乳化瀝青等黏層材料進行層間抗剪性能的檢驗分析。

1 瀝青面層層間滑移特征分析

圖1為典型的直道處的瀝青面層層間滑移破壞，表現為U型裂縫的形式，主要由兩側剪切撕裂狀的斜裂縫以及斜裂縫頂部拉伸開裂狀的橫向裂縫組成。其中斜裂縫與行車方向大致成30°角，橫向裂縫與兩側的斜裂縫貫通并形成U型裂縫，寬度可達2～3 cm。在U型裂縫兩側，還可以看到明顯的由層間滑移引起的褶皺[7-9]。

圖1 層間滑移引起的路表U形裂縫

在彎道處，更容易產生橫向滑移現象，這主要與車輛轉向時產生的水平向離心力有關[10-11]。由于瀝青面層橫向滑移導致其向路側外擴，使路緣石因滑移而懸于邊溝之上。路面橫向滑移的另一標志是道路標志線發生嚴重變形，部分路段滑移量甚至能達到10 cm以上，嚴重影響路面橫向平整度。

調查中還發現，重車行駛的一側(即重車道)發生滑移破壞的現象較嚴重，而在另一側(即輕車道)則滑移破壞不常發生，表明重載超載對瀝青面層層間滑移也有很大的影響。

2 瀝青面層層間滑移的原因

病害調查和理論分析表明，瀝青面層滑移病害主要與行車荷載、黏層材料性能、施工質量控制、環境(溫度)條件等因素有關。

2.1 行車荷載的影響

隨著交通量的快速增長和軸載的顯著增大，瀝青路面各個層位產生很大的剪應力，給原本就較為薄弱的層間部位帶來嚴峻考驗。使其發生疲勞破壞甚至極限破壞。

為分析層間疲勞破壞的破壞模式，首先根據軸載等效換算理論建立以層間剪應力為指標的軸載換算公式，即

(1)

式中：fi為以層間剪應力為指標的等效軸載換算系數；Ni為換算軸載的作用次數；Ns為當量軸次；Ps為標準軸載，Ps=100 kN；Pi為換算軸載(kN)。

不同軸載情況下的層間剪應力等效軸載換算系數如表1所示。

表1 不同軸載的換算系數

從表1中可以發現，重載越大，軸載換算系數越大，對瀝青路面疲勞損壞的影響越大。當軸載增加50%時，軸載換算系數增長近4倍；當軸載增加1倍時，軸載換算系數增長近14倍。也就是說，200 kN的軸載作用1次造成的層間疲勞損傷大約相當于100 kN的軸載作用15次造成的損傷。

進一步計算可以得到不同軸載下的黏層使用壽命，如表2所示。

表2 超載率與黏層使用壽命的關系

由表2可知，標準軸載條件下，黏層使用壽命隨著超載率的增加而縮短。當交通量增長率為5%、超載率為10%時，黏層使用壽命只有11.40年，約為設計年限的76%；當超載率為50%時，則黏層使用壽命僅為4.11年，約為設計年限的27%。由此可知，超載對黏層使用壽命的影響是很大的。

重載、超載不僅會引起層間疲勞破壞，甚至可能在一次極限荷載作用下就發生層間滑移，從而產生層間極限破壞，在高溫下這種現象尤其顯著[12]。表3為ANSYS有限元程序計算的不同環境溫度和不同軸載作用下的高速公路瀝青上中面層層間剪應力。

表3 瀝青上中面層層間剪應力 kPa

由表3可知，瀝青上中面層層間剪應力隨軸載的增大基本呈線性增大的趨勢。60 ℃下，當軸載從100 kN增加到200 kN時，層間剪應力從270.2 kPa增加到414.6 kPa，增加了53.4%；雖仍未超過黏結層的抗剪強度，但若疊加水平荷載的影響(例如在車輛的啟動、制動處或大縱坡路段等)，則有可能產生層間極限破壞。即使不考慮水平荷載的影響，夏季的高溫也將導致黏層軟化，使得抗剪強度降低至剪應力以下。

此外，路面的結構類型對層間剪應力也有影響。中國高等級公路一般采用半剛性基層瀝青路面結構，并廣泛采用4～5 cm厚的瀝青上面層。理論分析表明，最大剪應力一般出現在路表向下4～5 cm深度附近，這恰好是國內上中面層的分層位置。國內瀝青面層之所以容易出現層間滑移破壞，很可能與此有關。

2.2 黏層材料的影響

為防止層間滑移破壞，黏層材料不僅應具有較好的黏附性，同時還應具備較高的黏結性。目前黏層材料主要采用熱瀝青、乳化瀝青等，高速公路大多采用SBS改性熱瀝青和SBR改性乳化瀝青，近年來也開發了高黏瀝青等黏層材料。但總體來說，這些黏層材料的黏附性能不是很好，抗剪強度偏低[13]。SBR乳化改性瀝青和SBS改性熱瀝青的黏附性能和抗剪性能雖有了一定的提高，但相比車輛荷載的大幅提高，其性能仍不能滿足瀝青路面的使用要求。相對而言，高黏瀝青具有較好的黏附性和較高的抗剪強度[14]。

表4為SBS改性熱瀝青、高黏瀝青和環氧乳化瀝青黏層的剪切試驗和拉拔試驗結果。

表4 不同黏層材料60 ℃時的抗剪強度

由表4可知：高黏瀝青的抗剪強度與環氧乳化瀝青基本相當，但抗拔強度要低40%左右；SBS改性熱瀝青的抗剪強度較環氧乳化瀝青低10%～23%，抗拔強度僅為后者的33%左右。總體來說，目前應用的黏層材料的黏附性能較差，往往不能滿足使用要求。

2.3 環境條件的影響

瀝青的性能受溫度影響很大，在夏季高溫季節，路面溫度時常達到50 ℃以上，導致以瀝青為主要原材料的黏層材料軟化，成為整個路面結構中的薄弱面，很容易在行車荷載的作用下產生疲勞破壞甚至極限破壞。本文對不同溫度條件下的層間抗剪強度和抗拔強度進行定量分析，結果如表5所示。

表5 不同溫度條件下的環氧乳化瀝青的抗剪強度和抗拔強度

由表5可知：環氧乳化瀝青黏層的抗剪強度和抗拔強度隨試驗溫度的升高而大幅降低，當溫度由20 ℃增加到40 ℃、60 ℃時，抗剪強度由1.302 MPa降低到0.921 MPa、0.672 MPa，分別降低了29.3%、48.4%；抗拔強度的降低幅度更大，由0.768 MPa降低到0.494 MPa、0.277 MPa，分別降低了35.7%、63.9%。由此說明，環境溫度對瀝青面層層間抗剪能力及相應的滑移破壞有很大的影響。

2.4 施工質量的影響

施工質量也會對層間黏結性能產生影響，其中包括黏層材料灑布量控制、灑布均勻性、下承層界面清潔程度以及層間污染問題等。

2.4.1 黏層材料灑布量控制

調查發現，國內的瀝青灑布車雖然可以設定所需的灑布量，但受灑布車的噴嘴和灑布車行駛速度等因素的影響，黏層材料的灑布量很難得到嚴格控制。加上一些施工單位為了降低成本故意偷工減料，往往會出現黏層材料實際灑布量比設計灑布量小的情況。

研究表明，黏層材料的用量對于層間黏結強度有顯著的影響。黏層只是一個薄層，倘若用量少于設計值，很難使瀝青面層的各個結構層黏結成為一個整體，更無法達到完全連續的理想接觸狀態。黏層材料用量過多時，層間的抗剪強度雖有增大，但是過多的黏層材料易在層間形成富油層，導致路面結構出現薄弱夾層；且黏層材料過多對集料位移也會起到潤滑的作用，從而降低層間摩阻力，使層間抗剪強度主要由黏結力提供，導致高溫層間滑移和塑性變形，這時層間接觸狀態已不是理想的完全連續狀態。另外，用量過多還會導致乳化瀝青破乳時間和水分蒸發時間成倍增長，倘若在乳化瀝青內的水分尚有大量存留時就加鋪瀝青層，勢必帶來更大的層間滑移隱患和水毀隱患。

因此，黏層材料存在一最佳用量，在此用量下黏層能提供較大的黏結能力，對于環氧乳化瀝青而言，最佳用量一般為0.8 kg·m-2左右。

2.4.2 黏層材料灑布的均勻性

黏層材料灑布不夠均勻，也是引起層間滑移的主要原因之一。灑布不均勻的表現包括灑花漏空、堆積于一處、成縷的條狀等，這些都將導致層間黏結性能和抗剪強度下降。因此，為使黏層材料能在路面全寬度范圍內形成均勻薄層，必須以均勻霧狀的方式灑布黏層材料，并嚴格審查局部漏灑和缺失的地方，按設計灑布量進行補灑直至滿足要求。

2.4.3 下承層界面的清理

為了使黏層材料表現出其應有的黏結性能和抗剪強度，需在施工過程中保持下承層表面的潔凈和干燥。為達到這樣的目的，可以在下承層施工完畢后立即灑布黏層材料，若不能實現則應在灑布之前進行清理。如果下承層不慎沾染了灰塵或其他臟物，灑布的黏層材料就會被其吸收，不能有效作用于下承層，從而破壞層間的黏結性能和抗剪強度。所以，在灑布黏層材料之前，應對下承層表面進行徹底的清潔。

2.4.4 層間污染

層間污染對黏層黏結效果的影響較大。對于已經灑布黏層材料的路段，施工車輛進入會使輪胎粘上黏層材料，這不僅破壞已形成的黏層，而且會造成層間污染，進而影響層間的有效結合。因此，施工過程中需要合理制定施工進度計劃，待灑布的黏層材料干燥后緊跟著加鋪上承瀝青面層，同時有必要實施嚴格的交通管制，從而避免或減少層間污染的發生。

2.5 黏層性能評價體系的影響

雖然國內外對層間處治技術展開了較為廣泛的研究，但對黏層的性能和材料參數的測定、評價研究尚少，缺乏相應的檢測方式及評價標準，僅憑經驗來設計黏層材料具有很大的主觀性和盲目性。

黏層性能評價體系的缺失帶來的技術問題主要體現在以下幾方面。

(1)在選擇和設計材料時，由于沒有相應的評價指標，一般不對材料性能進行檢測，僅通過剪切試驗和拉拔試驗檢測其抗剪強度和抗拔強度。因此，在材料選擇上存在很大的隨意性。

(2)在路面結構設計中，同樣因沒有評價指標和評價標準以及檢測方法，不能對層間黏結性能進行檢驗，也無法考慮黏層的疲勞性能。

(3)在黏層施工過程中，因無評價指標，缺乏有效的檢測手段，使施工質量無法得到控制和保證。

3 瀝青面層層間抗剪性能檢驗

基于中國各級公路廣泛應用的半剛性基層瀝青路面，對SBS改性瀝青、高黏瀝青和環氧乳化瀝青黏層的性能進行檢驗。要求瀝青面層層間最大剪應力τmax不大于黏層的疲勞抗剪強度(容許剪應力)τR，即

τmax≤τR

(2)

選用5種較為典型的路面結構，其基本計算參數如表6所示。

表6 路面結構及計算參數

檢驗以60 ℃和100 kN作為基準溫度和基準荷載，車輛按均勻行駛狀態來考慮，從偏安全角度出發，路面摩擦系數f取0.1。ANSYS有限元計算結果如表7所示。

表7 層間最大剪應力和相應的正應力

3種黏層材料的抗剪指標如表8所示，抗剪強度按式(3)計算。

τf=c+σtanφ

(3)

式中：c為黏聚力；φ為內摩擦角。

根據各級公路適應的交通等級確定累計當量軸次和60 ℃時的累計當量軸次Nf，進而按式(4)計算抗剪強度結構系數KT，并按式(5)計算τR。

表8 層間抗剪性能檢驗結果

注：Nf表示累計當量軸次；Ac表示結構類型系數；KT表示抗剪強度結構系數；τf表示抗剪強度。

(4)

(5)

由于瀝青面層剪切推移破壞多發生在高溫季節，所以應將不同溫度條件下的當量軸次轉化為60 ℃時的當量軸次。由課題組前期關于溫度對瀝青面層黏層疲勞壽命的影響分析可知，溫度對剪切性能的影響很大，50 ℃下100 kN軸載作用1次，相當于60 ℃下100 kN軸載作用0.1次。因此為方便起見，僅考慮60 ℃時的軸載作用，不計其他溫度條件下的軸載作用。

由表7、8可知，5種結構的高黏瀝青和環氧乳化瀝青黏層的容許抗剪強度均大于層間最大剪應力，滿足抗剪強度控制標準，不會產生層間滑移破壞；對于SBS改性瀝青黏層，結構A、B的層間最大剪應力均小于其容許剪應力，結構C、D、E的層間最大剪應力均大于其容許剪應力，不滿足抗剪強度控制標準。也就是說，對于結構C、D、E而言，如果上中瀝青面層層間采用SBS改性瀝青作黏層，則極易產生層間滑移破壞。

4 結 語

(1)直道處的瀝青面層層間滑移破壞表現為U型裂縫，主要由兩側剪切撕裂狀的斜裂縫以及斜裂縫頂部拉伸開裂狀的橫向裂縫組成。其中斜裂縫與行車方向大致成30°角，橫向裂縫與兩側的斜裂縫貫通并形成U型裂縫，寬度可達2～3 cm。在U型裂縫兩側，還可以看到明顯的由層間滑移引起的褶皺。

(2)系統分析了瀝青面層層間滑移的原因，認為瀝青面層層間滑移受行車荷載、黏層材料性能、環境條件和施工質量等因素的影響，而且黏層施工過程中存在灑布量控制不嚴、灑布不均勻、下承層界面清理不干凈和層間污染等問題，這些對黏層的性能會產生很大影響。

(3)對中國各級公路廣泛應用的半剛性基層瀝青路面的層層間抗剪性能進行了檢驗。結果表明，無論是環氧乳化瀝青、高黏瀝青還是SBS改性瀝青，都能滿足二級公路抗剪強度標準，環氧乳化瀝青和高黏瀝青基本能滿足高速公路和一級公路抗剪強度標準，但SBS改性瀝青不能滿足高速公路和一級公路抗剪強度標準，極易產生層間滑移破壞。

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