公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層粘接強(qiáng)度可靠性分析

張小利

摘要：改革開放以來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)建設(shè)的不斷進(jìn)步，交通建設(shè)也在急速向前發(fā)展，直至今日，我國(guó)公路總里程已達(dá)450萬(wàn)km。而瀝青路面則在城市道路和公路干線的建設(shè)上得到了廣泛地應(yīng)用，是目前中國(guó)鋪筑面積最多的一種高級(jí)路面。瀝青路面的結(jié)構(gòu)層都是由面層、基層、底基層、墊層組成的。各結(jié)構(gòu)層層間粘接強(qiáng)度的可靠性，將影響到瀝青路面的安全性、適用性和使用壽命。同時(shí)瀝青路面暴露于大自然中，會(huì)受到氣候、溫度、行車等復(fù)雜的外部條件的影響。文章將通過(guò)探究瀝青路面結(jié)構(gòu)層的構(gòu)成，不同瀝青路面類型的結(jié)構(gòu)層間粘接狀態(tài)來(lái)分析瀝青路面結(jié)構(gòu)層粘接強(qiáng)度的可靠性。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;結(jié)構(gòu)層;層間粘接強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0095-04

15世紀(jì)，印加帝國(guó)就已開始采用天然瀝青來(lái)修路。1832～1838年，第一段煤瀝青碎石路在英國(guó)格洛斯特郡被修建。至20世紀(jì)，石油瀝青成為了使用量最大的鋪路材料。1920年，中國(guó)上海開始鋪設(shè)瀝青路面。1949年后，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，瀝青路面的應(yīng)用也更加廣泛了。瀝青路面是以瀝青材料（分為煤焦、石油、天然瀝青）為主，粗集料和細(xì)集料為輔制成的。瀝青路面承受能力和可塑性強(qiáng)，噪音低當(dāng)車輛過(guò)重時(shí)，還能變型，保證車輛運(yùn)行的安全。但由于瀝青路面的結(jié)構(gòu)層都是由面層、基層、底基層、墊層組成的，因此層間粘接對(duì)瀝青路面的使用影響也是頗大。然而早先我國(guó)在修筑公路時(shí)，瀝青路面的結(jié)構(gòu)層間粘接狀態(tài)并未得到應(yīng)有的重視，因此造成了許多瀝青路面結(jié)構(gòu)層間（瀝青面層之間、面層與基層間等）粘接不良的問(wèn)題，造成許多公路在使用初期便出現(xiàn)疲勞龜裂和車轍的病害，瀝青路面的使用壽命也大大縮減了。在修筑瀝青路面時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)層的粘接強(qiáng)度是設(shè)計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)和在施工時(shí)必須要考慮的問(wèn)題。雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀體系理論是我國(guó)瀝青路面的設(shè)計(jì)理論，可因?yàn)樾旭傑囕喓奢d具有瞬時(shí)的特性，瀝青路面便簡(jiǎn)化為了彈性半空間體。目前，我國(guó)公路在建設(shè)時(shí)對(duì)層間粘接開始重視了起來(lái)，通過(guò)大量的研究得出數(shù)據(jù)，得到瀝青路面結(jié)構(gòu)層的粘接強(qiáng)度更強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案，從公路施工過(guò)程中所鉆取的樣芯，基本可以完整地看到瀝青上、中、下面層。

1瀝青路面結(jié)構(gòu)類型

全球的瀝青路面結(jié)構(gòu)種類多，各路面類型結(jié)構(gòu)層粘接強(qiáng)度也大多不同，相應(yīng)的層間條件要求也是不同。

1.1全厚式瀝青路面

加熱適當(dāng)比例的種類及大小均不同的顆粒集料、礦粉和瀝青到一定溫度后，拌和、攤鋪并壓實(shí)便制成了全厚式瀝青路面，其路用性能也相對(duì)較好。熱拌熱鋪法是制備混合料的常用辦法，因此對(duì)制備方法和原材料的要求也較高，常為集中廠拌法。全厚式瀝青路面的層間需完全粘接。

1.2組合式基層瀝青路面

組合式基層瀝青路面的面層為瀝青混泥土，基層為瀝青穩(wěn)定碎石，底基層為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料，同時(shí)還可加鋪級(jí)配碎石過(guò)渡層在半剛性基層上，主要承重層為瀝青層。這種結(jié)構(gòu)早期層間是完全粘接，但半剛性層損壞后，層間便不粘接。

1.3柔性基層瀝青路面

柔性基層瀝青路面的面層為瀝青混泥土，基層為瀝青穩(wěn)定碎石或級(jí)配碎石。因?yàn)槁访娌牧鲜怯深w粒狀材料集配成型的，所以這種路面不易因排水不通暢而受到損害。同時(shí)抗剪強(qiáng)度高，抗彎拉強(qiáng)度和耐疲勞性好，且相比于半剛性基層瀝青路面，柔性基層瀝青路面不易收縮開裂。

1.4半剛性基層瀝青路面

半剛性基層瀝青路面的基層用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料或土類材料鋪就，具有一定抗彎強(qiáng)度。這種路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與承載力高、整體的穩(wěn)定性和耐久性良好，造價(jià)低、板體性好，因此我國(guó)早期的大多瀝青路面都是用的這種結(jié)構(gòu)。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)半剛性基層瀝青路面的半剛性基層水滲透性差，導(dǎo)致后面半剛性基層與瀝青層間粘接差，如表1所示。

2不同瀝青路面的結(jié)構(gòu)層間粘接強(qiáng)度分析

在瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)類型或基層類型，規(guī)范中瀝青路面的結(jié)構(gòu)層間都被考慮為了完全粘接，但這樣明顯不符合實(shí)際。因此，若是根據(jù)規(guī)范中的說(shuō)明來(lái)設(shè)計(jì)公路，這樣的瀝青路面通常達(dá)不到其預(yù)計(jì)的使用壽命，而且瀝青路面新結(jié)構(gòu)型式（包括全厚式、混合式基層等瀝青路面）在我國(guó)公路上的應(yīng)用也受到了相當(dāng)嚴(yán)重地影響。以下是對(duì)不同瀝青路面結(jié)構(gòu)類型或基層類型結(jié)構(gòu)層間粘接強(qiáng)度的分析。

2.1半剛性層與半剛性層之間

一般情況下，水泥用量、施工條件等條件不一樣，會(huì)存在一定的等溫壓縮系數(shù)差，因此上、下半剛性層很難完全粘接。《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ034-2000）第361條規(guī)定“水泥穩(wěn)定土底基層分層施工時(shí)，下層水泥穩(wěn)定土碾壓完后，在采用重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓時(shí)，宜養(yǎng)生7d后再鋪筑上層水泥穩(wěn)定土。水泥穩(wěn)定級(jí)配礫石基層分兩層用攤鋪機(jī)鋪筑時(shí)，下層分段攤鋪和碾壓密實(shí)后，在不采用重型振動(dòng)壓路機(jī)碾壓時(shí)，宜立即攤鋪上層，否則在下層頂面應(yīng)撒少量水泥或水泥漿。”為了保證間粘接，兩層半剛性層就需同時(shí)施工形成同等強(qiáng)度。但在實(shí)際操作中，兩層半剛性層同時(shí)或說(shuō)緊接著連續(xù)施工的難度極大，因?yàn)楹袼喾€(wěn)定碎石需要重力振動(dòng)壓土機(jī)。從選取公路上獲取的樣芯來(lái)看，上、下、底半剛性基層能較好地連在一起，可以看成是的。可若是半剛性層強(qiáng)度高于7-8MPa，隨著剛度變大、抗變形能力變小等一干系數(shù)得改變，應(yīng)重新考慮層間粘接。

2.2級(jí)配碎石層與半剛性基層

2.2.1上層半剛性層，下層級(jí)配碎石層

當(dāng)土基在工后發(fā)生較小的沉降時(shí)，因?yàn)榧?jí)配碎石基層具有較大的抗變形能力，其內(nèi)的碎石材料會(huì)因?yàn)檫@個(gè)原因而改變碎石的排列狀況，原本緊密的碎石將會(huì)變得松散，僅有通過(guò)降低有限的施工壓實(shí)度，才能緩沖差異沉降，也真是是因?yàn)檫@個(gè)原因，適當(dāng)降低級(jí)配碎石層的承載能力是需要的，但半剛性底基層與級(jí)配碎石墊層仍存在一定的粘接。

2.2.2上層級(jí)配碎石層，下層半剛性層

強(qiáng)度與剛度較大的半剛性層位于級(jí)配碎石層之上，半剛性層的塑性變形極小，同時(shí)級(jí)配碎石層對(duì)變形有較好的適應(yīng)能力。因此這種路面受路基沉降的影響較小，尤其是在半剛性基層未損壞前，而級(jí)配碎石層排水能力較好，下滲的雨水能有效地排出路外，級(jí)配碎石層與半剛性層間的粘接不易受到影響，半剛性上基層與級(jí)配碎石下基層間為完全粘接。

2.3級(jí)配礫石與級(jí)配礫石

級(jí)配礫石常用按一定比例混合的粗、中、小碎石集料和石屑等材料制成，其顆粒組成符合規(guī)定的級(jí)配要求。因?yàn)橹谱骷?jí)配碎石材料的來(lái)源廣，可就地取材并加工原材料和混合料，機(jī)械攤鋪操作簡(jiǎn)單，且級(jí)配礫石具有良好的透水與擴(kuò)散應(yīng)力和變形適應(yīng)能力，因此其層間也是完全粘接。

2.4瀝青穩(wěn)定碎石層與半剛性層

ATB密級(jí)和AM半開級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石為瀝青穩(wěn)定碎石基層目前比較常用的兩種瀝青穩(wěn)定碎石。ATB密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石基層跟半剛性基層相似，水需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能從瀝青面層孔隙進(jìn)入瀝青穩(wěn)定碎石層與半剛性層界面間，因?yàn)锳TB密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石基層的瀝青層較厚。另外，因?yàn)锳TB密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石基層比半剛性基層瀝青路面的半剛性層和瀝青層的位置低，層間的剪應(yīng)力也相對(duì)小一些，瀝青穩(wěn)定碎石上基層與半剛性基層間為完全粘接，且這種結(jié)構(gòu)的路面使用壽命也更長(zhǎng)。

而AM半開級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石為基層時(shí)，動(dòng)壓力水沖刷瀝青穩(wěn)定碎石層與半剛性層間界面所造成的唧泥、層間不連續(xù)等現(xiàn)象是不會(huì)出現(xiàn)的，因?yàn)锳M半開級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石排水能力較好，因此瀝青穩(wěn)定碎石上基層與半剛性基層間為完全粘接。

2.5瀝青穩(wěn)定碎石層與級(jí)配碎石層

瀝青穩(wěn)定碎石利用瀝青粘接料粘接、穩(wěn)定碎石，強(qiáng)度較低，礦粉少，因此孔隙率較大。級(jí)配碎石層有一定的排水能力，在級(jí)配碎石上做透層和封層使級(jí)配碎石層滲透力良好。且瀝青穩(wěn)定碎石與級(jí)配碎石這2種結(jié)構(gòu)均有較好的變形能力。因此瀝青穩(wěn)定碎石上基層與級(jí)配碎石基層間狀態(tài)可認(rèn)為是完全連續(xù)。

2.6瀝青面層與半剛性基層

瀝青面層與半剛性基層間粘接不良一直是半剛性基層瀝青路面的弱點(diǎn)。半剛性基層瀝青路面常應(yīng)用半剛性基層，其緊密、強(qiáng)度高的特性使得透層油很難滲透進(jìn)其基層中，而從裂縫和孔隙中下滲的自由水無(wú)法通過(guò)致密的半剛性基層，進(jìn)而基層表面會(huì)存在積水，而后在行車荷載的作用下，“灰漿”由強(qiáng)大的“動(dòng)水壓力”反復(fù)沖刷基層表面形成，最后導(dǎo)致瀝青面層與半剛性基層間粘接不完全，嚴(yán)重的甚至?xí)a(chǎn)生“唧漿”、“脫空”等重大問(wèn)題。我國(guó)有百分之九十以上的高等級(jí)公路為半剛性基層瀝青路面，部分高等級(jí)公路樣芯結(jié)構(gòu)層間粘接良好，部分樣芯結(jié)構(gòu)層間粘接不良。

2.7半剛性底基層與土基

土基中的軟土層一般為飽和軟土層，因?yàn)轱柡蛙浲翆又饕獮闈B透固結(jié)和次固結(jié)沉降，所以要完成沉降需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。在路基填土?xí)r，無(wú)法統(tǒng)一壓實(shí)密度、土質(zhì)、含水量等條件，工后會(huì)產(chǎn)生差異沉降量。同時(shí)半剛性底基層抗變形能力很差，所以在道路的使用過(guò)程中會(huì)逐漸出現(xiàn)差異沉降，大小不一的脫空區(qū)或不連續(xù)段會(huì)出現(xiàn)于土基與半剛性底基層間。因此半剛性底基層與土基的層間為粘接不良。隨著科技的發(fā)展，我國(guó)對(duì)土基的鋪就方法進(jìn)行了優(yōu)化，由于飽和軟土層位于地下水位以下，因此在鋪就土基時(shí)，剛開始時(shí)軟土層中的水會(huì)承擔(dān)路基填土及車載等因素導(dǎo)致的附加應(yīng)力，強(qiáng)化排水措施或較長(zhǎng)時(shí)間的超載預(yù)壓可以使軟土層中的超孔隙水壓力消散時(shí)間變短，有效應(yīng)力增長(zhǎng)加快，沉降變形度便會(huì)降低，半剛性底基層與土基的層間也更為粘接。

2.8級(jí)配礫石與土基

散體材料構(gòu)成了級(jí)配礫石墊層，因此級(jí)配礫石墊層會(huì)隨著土基在早期發(fā)生工后沉降而變得松散，差異沉降將會(huì)通過(guò)舍去有限的施工壓實(shí)度來(lái)得到了緩沖，同時(shí)層間連續(xù)和承載能力得到一定的保證。而且在路基穩(wěn)定過(guò)后，由于緩沖差異沉降的原因所丟失的壓實(shí)度，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，會(huì)恢復(fù)到設(shè)計(jì)時(shí)的地基反應(yīng)模量，特別是級(jí)配礫石墊層會(huì)隨著運(yùn)營(yíng)年限的增長(zhǎng)，其壓實(shí)度也會(huì)變得越來(lái)越高，同時(shí)得到越來(lái)越大的地基反應(yīng)模量和承載力。因此級(jí)配碎石墊層與土基層間為粘接良好。

2.9瀝青層與瀝青層

瀝青層與瀝青層間通常都會(huì)噴灑粘層油來(lái)使其連結(jié)成為一個(gè)整體，因此施工過(guò)程中如果兩層瀝青層沒(méi)有嚴(yán)重的污染的話，瀝青層與瀝青層間則為完全粘接。如上所述，路面結(jié)構(gòu)層間的粘接情況如表2。

3結(jié)語(yǔ)

在瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，對(duì)瀝青路面層間粘接強(qiáng)度的預(yù)計(jì)是一個(gè)重要部分，同時(shí)還在很大的程度上影響對(duì)瀝青路面使用壽命的計(jì)算。因此分析對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極其的重要。通過(guò)對(duì)不同類型瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層間粘接強(qiáng)度的分析研究，更為完善了瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)方法，使其跟家接近實(shí)際情況。同時(shí)通過(guò)分析，也提醒了我們要對(duì)選擇瀝青路面結(jié)構(gòu)要尤其重視，考慮各種會(huì)遇到的影響因素，選出最佳的瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。