瀝青路面層間剪切強度主要影響因素研究

李佳奇

(河北省保定市交通運輸局望都養(yǎng)路工區(qū) 望都 072450)

目前，世界上大多數(shù)國家在瀝青路面的設(shè)計規(guī)范中，沒有涉及到層間剪切強度的相關(guān)力學指標[1]。但是，交通運輸中尤其是在坡道行駛、起步、制動的過程中都會形成較大的剪應力，其對公路影響巨大[2-3]。近些年我國重載車輛不斷增多，超載現(xiàn)象日益嚴重，如果瀝青路面各層之間的抗剪切強度不足的話，易發(fā)生剪切破壞[4]。國內(nèi)相關(guān)學者對瀝青路面破壞的研究顯示，我國公路破壞的形式主要是層間剪切破壞[5]。

瀝青路面層間剪切強度影響因素很多，如，黏結(jié)材料、污染、黏結(jié)材料灑布量、受力、溫度等。本文擬采用實驗研究的方法，研究不同因素對瀝青路面層間剪切強度的影響。

1 黏結(jié)材料對瀝青路面層間剪切強度的影響

瀝青路面層間剪切強度主要依靠黏結(jié)材料提供，黏結(jié)材料對瀝青路面層間剪切強度的影響非常大。

1.1 試件的制備

為對比幾種常見的黏結(jié)劑對剪切強度的影響，選取普通乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、super PCR改性乳化瀝青和GMR溶劑型黏結(jié)劑5種黏結(jié)劑。為保證實驗的精確性，每種不同的黏結(jié)劑分別制作3個試件。

試件采用AC-13和AC-16雙層結(jié)構(gòu)，其中AC-16下層結(jié)構(gòu)厚度為6 cm，AC-13上層結(jié)構(gòu)厚度為6 cm。首先在自制模具中成型60 cm×20 cm×6 cm的下層結(jié)構(gòu)，并在20 ℃室溫下靜置24 h后脫模，然后在下層結(jié)構(gòu)的上表面上均勻地涂抹相應的黏結(jié)劑，查閱國內(nèi)相關(guān)文獻的研究結(jié)果，黏結(jié)劑的最佳灑布量略有差異，但均在0.6～0.8 kg/m2之間，本文黏結(jié)劑的灑布量統(tǒng)一控制每塊試件上表面為72 g(即0.6 kg/m2)[6-7]。均勻涂抹后靜置，待乳化瀝青完全破乳后將其放入模具中成型6 cm的上層，并在20 ℃室溫下靜置24 h。靜置后脫模取出坯料并將坯料切割成3個20 cm×20 cm×6 cm的試件留用。

1.2 實驗結(jié)果

采用剪切試驗儀自主設(shè)計斜面夾具，使儀器施加的力分解成剪切力和豎向力。為模仿起步及剎車時路面受力情況，將夾具的斜剪角設(shè)計為40°，設(shè)定實驗速率為30 mm/min。將試件分別在室溫下進行剪切試驗，并計算其剪切強度。實驗結(jié)果見表1。

表1 各黏結(jié)材料抗剪強度實驗結(jié)果 /MPa

1.3 實驗結(jié)果分析

各種黏結(jié)劑的各次實驗數(shù)據(jù)略微不同，但是相差較小，屬于合理的實驗誤差。比較其剪切強度的平均值，采用普通乳化瀝青黏結(jié)劑的剪切強度最低，隨著剪切強度逐漸增大，依次對應的黏結(jié)劑是SBR改性乳化瀝青、SBS改性瀝青、GMR溶劑型黏結(jié)劑和super PCR改性乳化瀝青。其中采用GMR溶劑型黏結(jié)劑和super PCR改性乳化瀝青作為黏結(jié)劑進行比較，雖然super PCR改性乳化瀝青黏結(jié)劑的剪切強度稍高，但是兩者的剪切強度相差較小，可以認為采用兩者作為黏結(jié)劑的剪切強度相近。采用普通乳化瀝青作為黏結(jié)劑，剪切強度遠小于其他黏結(jié)劑， SBR改性乳化瀝青剪切強度也達到了普通乳化瀝青的150%以上，而GMR溶劑型黏結(jié)劑和super PCR改性乳化瀝青的剪切強度達到了普通乳化瀝青的200%以上。

2 灑布量對瀝青路面層間剪切強度的影響

2.1 試件的制備

本輪實驗試件的制作方法與上文相同，仍然將試件切成3份進行3次實驗。黏結(jié)劑和灑布量的選取上，為避免單一黏結(jié)劑的實驗結(jié)果誤差，分別選取黏結(jié)劑SBS改性瀝青和super PCR改性乳化瀝青進行試驗，根據(jù)相關(guān)文獻，本文實驗黏結(jié)劑的灑布量分別選取48 g(0.4 kg/m2)，72 g(0.6 kg/m2)，96 g(0.8 kg/m2)，120 g(1 kg/m2)，144 g(1.2 kg/m2)。

2.2 實驗結(jié)果

采用剪切試驗儀在室溫下對各組試件進行實驗，并計算各組試件的剪切強度，SBS改性瀝青和super PCR改性乳化瀝青各組試件的剪切強度統(tǒng)計見表2和表3。

表2 SBS改性瀝青不同灑布量剪切強度MPa

表3 Super PCR改性乳化瀝青不同灑布量剪切強度MPa

在實驗中，2種黏結(jié)劑各灑布量的3次實驗數(shù)據(jù)相差較小，可以確定為有效的實驗數(shù)據(jù)。

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，SBS改性瀝青和super PCR改性乳化瀝青在灑布量較低時，隨著灑布量的增加其剪切強度均呈現(xiàn)增大的趨勢，但是當灑布量大到一定程度的時，其剪切強度又會逐漸下降。2種黏結(jié)劑最大的剪切強度均出現(xiàn)在試件灑布量為96 g即0.8 kg/m2時。究其原因是當灑布量較少時不足以良好黏結(jié)，而灑布量超過96 g時，則大量黏結(jié)劑堆積在一起形成一定的潤滑效果。

3 溫度對瀝青路面層間剪切強度的影響

3.1 試件的制備

采用與上文相同的模具與方法制作試件，本輪實驗選用SBS改性瀝青作為黏結(jié)劑，為防止因黏結(jié)劑的灑布量不同而產(chǎn)生誤差，因此選擇72 g和96 g 2種灑布量來制備試件。華北平原的瀝青公路工作溫度呈現(xiàn)冬冷夏熱的情況，冬季工作環(huán)境在0 ℃以下，而夏季路面溫度高達60 ℃以上，所以選取0，20，40，60 ℃ 4個實驗溫度。

3.2 實驗結(jié)果

分別將試件放入冰箱或烘箱中，將溫度設(shè)置為0，20，40，60 ℃恒溫保存3 h，然后迅速將試件取出放入剪切試驗儀進行剪切實驗。各實驗結(jié)果在誤差范圍內(nèi)實驗結(jié)果有效，計算其平均值，不同灑布量的剪切強度結(jié)果記錄見表4和表5。

表4 灑布量72 g下不同溫度剪切強度 MPa

表5 灑布量96 g下不同溫度剪切強度 MPa

3.3 實驗結(jié)果分析

分析實驗結(jié)果可知，無論何種灑布量，瀝青路面層間剪切強度均隨著溫度的上升而下降。在下降過程中溫度低于20 ℃時下降較慢，2種灑布量20 ℃時剪切強度分別為0 ℃時的94.3%和94%。隨著溫度的升高，剪切強度下降的速度逐漸加快，40 ℃下剪切強度分別為0 ℃時的50.7%和48.8%，而60 ℃是剪切強度僅為0 ℃時的14.9%和14%。2種灑布量在低溫時剪切強度有所差別，但是隨著溫度的升高不同灑布量之間剪切強度的差距逐漸縮小，當溫度為0 ℃時2種灑布量剪切強度的比值為108.5%，而當溫度升高到60 ℃時比值僅為101%。究其原因，黏結(jié)劑及瀝青本身隨著溫度的升高剪切強度均會下降。

4 污染物瀝青路面層間剪切強度的影響

4.1 試件的制備

道路建設(shè)中瀝青路面層之間容易受到的污染主要有2種，即沙塵污染和油污染，本研究中選取細沙塵和廢舊機油2種污染物。試件的制備工藝及大小與上文相同，選用SBS改性瀝青黏結(jié)劑，黏結(jié)劑的灑布量選取剪切強度最高的96 g，污染物量分別為15，30，45 g，在上下層之間均勻灑布。

4.2 實驗結(jié)果及分析

將實驗結(jié)果整理成表6和表7。

表6 沙塵污染與剪切強度關(guān)系 MPa

表7 機油污染與剪切強度關(guān)系 MPa

分析實驗結(jié)果可知，無論是何種污染物，隨著污染程度的增加，瀝青路面層間剪切強度均呈下降趨勢。2種污染物對比，機油污染對剪切強度的影響更大，隨著污染程度的增加路面層間剪切強度下降更快。究其原因，污染物會和黏結(jié)劑形成混合物從而降低黏結(jié)劑的黏結(jié)性能，而油污與黏結(jié)劑混合的更加充分，對其黏結(jié)性能影響也更大。

5 工程案例

試驗路段位于保定市境內(nèi)S331省道保定至高陽段，中層結(jié)構(gòu)為AC-16，面層結(jié)構(gòu)為AC-13，黏結(jié)劑為super PCR改性乳化瀝青，黏結(jié)劑的灑布量與室內(nèi)實驗灑布量相同，鉆芯取樣進行試驗，將試驗結(jié)果對比統(tǒng)計見表8。

表8 試驗路段剪切強度對比 MPa

與室內(nèi)實驗相比，當黏結(jié)劑灑布量超過0.8 kg/m2，試驗路段的剪切強度并沒有下降而是保持了較高的剪切強度并略有上升。

其原因可能有以下2點：①工程應用中黏結(jié)劑的灑布無法像實驗室一樣均勻；②道路施工中采用壓路機振動碾壓成型，黏結(jié)劑灑布量上下層更加密實，未形成大量黏結(jié)劑堆積。

6 結(jié)論

1) 通過對比采用5種黏結(jié)材料瀝青路面的層間剪切強度，super PCR改性乳化瀝青和GMR溶劑型黏結(jié)劑剪切強度相近且顯著大于其他黏結(jié)劑，按其剪切強度排序，其他依次為SBS改性瀝青、SBR改性乳化瀝青和普通乳化瀝青。

2) 黏結(jié)材料的灑布量低于0.8 kg/m2時，隨著黏結(jié)材料灑布量的增加，其層間剪切強度呈增加的趨勢，黏結(jié)材料的灑布量超過0.8 kg/m2時，增加趨勢不再明顯。

3) 隨著溫度增加，瀝青路面層間剪切強度逐漸下降，但是其下降并非呈線性，在實驗的0～60 ℃之間溫度越高，其剪切強度下降得越快。

4) 污染物會顯著降低瀝青路面層間剪切強度，且隨著污染程度的上升，剪切強度會呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢。在常見的污染物中，受到油污染的路面層間剪切強度下降程度顯著大于沙塵污染。

5) 公路施工中應在預算允許的情況下盡量選用層間剪切強度較高的黏結(jié)劑,灑布量應在0.8 kg/m2以上，在施工過程中盡量避免污染，尤其是避免油污染。道路的使用及維護中，夏季氣溫較高時應更加注意道路的維護和保養(yǎng)。