不同黏結層瀝青路面層間抗剪性能研究

蘇連虎

（呂梁市交通運輸局，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國交通運輸和國民經濟的發展，道路交通量日益增加，重載和交通渠化更加突出，由于層間結合差引起的路面推移、擁包病害較多，許多公路在通車不久之后就發生了較為嚴重的車轍破壞[1-4]。路面車轍不僅縮短了道路的使用壽命，而且對行車安全提出了更嚴峻的挑戰[5-6]。瀝青路面車轍不僅與交通荷載和環境因素有關，而且取決于路面的材料和結構特性，其中瀝青混合料層中的剪切力和抗剪強度的比值會嚴重影響路面的抗車轍性能。如何提高瀝青混合料層間的抗剪切性能，是提高路面耐久性，防止路面過早發生車轍破壞的主要手段。基于此，為提高路面層間結合黏結效果，本文通過試驗，研究了油石比、加載速率、溫度、層間結合料種類和用量對瀝青路面層間抗剪性能的影響，為防止路面發生車轍破壞提供理論基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本文基質瀝青采用A級70號瀝青，其主要技術指標如表1所示，SBR改性瀝青和SBR改性乳化瀝青均采用A級70號瀝青自制；粗細集料均選用玄武巖，礦粉選用磨細的石灰石粉，集料和礦粉都有良好的物理力學性能，混合料級配選用SMA-13，其合成級配如表2所示。

表1 基質瀝青的基本技術指標

表2 瀝青混合料合成級配 %

1.2 試件制備及測試

首先采用擊實法成型一層32±0.5 mm的試件，待試件冷卻之后在其表面均勻涂抹一層層間結合料，然后再取與前一層相同質量的瀝青混合料，以相同的擊實次數成型。將成型好的試件采用直接剪切試驗，測試不同加載速率和不同溫度條件下的層間抗剪強度，評價瀝青路面的層間抗剪性能。

2 試驗結果及分析

2.1 油石比對抗剪性能的影響

以基質瀝青為層間黏結層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測定在一定溫度和加載速率下，不同油石比（3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和 5.5%）時瀝青路面的層間抗剪強度，研究油石比對抗剪性能的影響，具體試驗結果如圖1所示。

圖1 油石比對抗剪強度的影響

從圖1可以看出，隨著油石比的增大，瀝青路面層間抗剪強度呈現先增大后減小的變化規律，當油石比為4.0%時，瀝青路面層間抗剪強度達到最大值，此時層間抗剪強度為0.472 MPa。造成這一現象的主要原因為，當瀝青用量較小時，瀝青不足以形成結構瀝青對礦料顆粒起到黏結作用，隨著油石比的增大，結構瀝青充分地裹覆在礦料表面，起到了較大的黏結作用，因此外力作用下的抗剪切性能逐漸增強。當油石比大于4.0%時，隨著瀝青用量的增多，礦料顆粒之間的內摩擦角逐漸減小，外力作用下瀝青混合料更容易發生剪切破壞，另一方面過多的瀝青在混合料顆粒之間起到潤滑作用，因此瀝青混合料的抗剪切性能反而降低。

2.2 加載速率對抗剪性能的影響

以基質瀝青為層間黏結層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測定在一定溫度和油石比下，不同加載速率（5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min 和50 mm/min）時瀝青路面的層間抗剪強度，研究加載速率對抗剪性能的影響，具體試驗結果如圖2所示。

圖2 加載速率對抗剪強度的影響

從圖2可以看出，隨著加載速率的增大，瀝青路面層間抗剪強度逐漸增大，當加載速率大于20 mm/min后，抗剪強度趨于穩定。這主要是因為，瀝青混合料為典型的黏彈性材料，在荷載作用下會出現應變滯后于應力的現象，當加載速率較小時，應力逐漸在瀝青路面內部傳遞，傳遞至層間時瀝青層之間會發生明顯的剪切變形，而隨著加載速率的增大，瀝青路面剪切變形的響應時間變短，甚至來不及響應，應力已經由面層傳遞下去，因此抗剪性能隨之增強。

2.3 溫度對抗剪性能的影響

以基質瀝青為層間黏結層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測定在一定油石比和加載速率下，不同溫度（15℃、25℃、45℃和60℃）時瀝青路面的層間抗剪強度，研究溫度對抗剪性能的影響，具體試驗結果如圖3所示。

圖3 溫度對抗剪強度的影響

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，瀝青路面層間抗剪強度逐漸降低，尤其是當溫度高于45℃后，抗剪強度隨溫度的升高急劇降低。解釋其原因主要為，瀝青混合料是典型的感溫性材料（溫度敏感型材料），溫度降低時變硬，溫度升高時變軟，隨著溫度的升高，瀝青黏度逐漸減小，在瀝青混合料內部形成的黏聚力隨之降低，因此荷載作用下瀝青混合料抗剪切破壞的能力逐漸下降，當溫度超過45℃后，瀝青軟化較明顯，在荷載作用下瀝青混合料抗剪切破壞的能力急劇下降，因此層間抗剪強度大幅降低。

2.4 層間結合料類型和用量對抗剪強度的影響

為了對比使用不同層間結合料時，瀝青路面的層間抗剪性能的差異，在保持測試條件不變時，分別測定以基質瀝青、SBR改性瀝青和SBR改性乳化瀝青為層間結合料時，層間抗剪強度隨結合料用量的變化曲線，試驗結果如圖4所示。

圖4 層間結合料類型和用量對抗剪強度的影響

從圖4可以看出，當以基質瀝青和SBR改性乳化瀝青作為黏結料時，隨著層間結合料用量的增多，抗剪強度出現先增大后減小的變化趨勢，當層間結合料用量為0.6 kg/m2時，抗剪強度達到最大值。而當以SBR改性瀝青作為黏結料時，隨著層間結合料用量的增多，抗剪強度逐漸增大，當SBR改性瀝青用量大于1.2 kg/m2時，抗剪強度保持穩定。另外當層間結合料用量低于1.0 kg/m2時，SBR改性瀝青對應的層間抗剪強度小于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青，而當層間結合料用量大于1.0 kg/m2時，SBR改性瀝青對應的層間抗剪強度遠大于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青，這主要與3種瀝青的黏結能力大小有關，相比于基質瀝青和SBR改性乳化瀝青，SBR改性瀝青具有較大的黏聚力，在大用量時瀝青不易析出也不宜流動形成潤滑作用，因此對應的抗剪強度較高。

3 結論

a）隨著油石比的增大，瀝青路面層間抗剪強度呈現先增大后減小的變化趨勢，當油石比為4.0%時，抗剪強度有最大值，此時瀝青路面層間抗剪性能最佳。隨著加載速率的增大，層間抗剪強度逐漸增大，當加載速率大于20 mm/min后，抗剪強度趨于穩定。隨著溫度的升高，抗剪強度逐漸減小，當溫度超過45℃時，瀝青路面層間抗剪性能急劇下降。

b）當以基質瀝青和SBR改性乳化瀝青作為黏結料時，隨著層間結合料用量的增多，抗剪強度出現先增大后減小的變化規律，而當以SBR改性瀝青作為黏結料時，隨著層間結合料用量的增多，抗剪強度逐漸增大，最后趨于穩定。