瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響因素研究

張軒銘

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015)

0 引言

在設(shè)計(jì)瀝青路面時(shí)，除了要精準(zhǔn)確定路面結(jié)構(gòu)層的材料、厚度，還要充分考慮瀝青路面層間實(shí)際狀態(tài)，因?yàn)閺椥詫訝罾碚撝袑?duì)各瀝青路面結(jié)構(gòu)層的層間接觸假設(shè)為連續(xù)狀態(tài)，而實(shí)際中由于施工時(shí)各結(jié)構(gòu)層在鋪設(shè)時(shí)是無(wú)法做到完全連續(xù)的，因而在對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)驗(yàn)算所得的結(jié)果與瀝青路面在實(shí)際使用時(shí)存在一定的差別，由于結(jié)構(gòu)層間存在水平方向的摩檫力，使得瀝青路面實(shí)際的層底拉應(yīng)力大于設(shè)計(jì)值，從而導(dǎo)致瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫等病害，即使對(duì)裂縫進(jìn)行了灌膠處治維修，依然容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致路面病害進(jìn)一步發(fā)展，降低路面使用性能。考慮到上述瀝青路面層間的不利情況，在瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)設(shè)置粘層來(lái)提升層間的粘結(jié)性能，改善瀝青路面結(jié)構(gòu)的整體性能。

當(dāng)前用于研究瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度與荷載關(guān)系的理論為摩爾-庫(kù)倫理論，計(jì)算公式為τ=C+σTanθ。瀝青路面層間直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，抗剪強(qiáng)度與豎向荷載關(guān)系與摩爾-庫(kù)倫理論中的規(guī)律有些類似，可采用摩爾-庫(kù)倫理論對(duì)瀝青路面上下面層的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

加強(qiáng)瀝青路面層間接觸對(duì)提升層間抗剪切性能、優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)受力及延長(zhǎng)路面使用壽命有著非常重要的作用，而影響層間接觸水平的因素有豎向荷載、粘層瀝青種類及灑布溫度、瀝青含量等，因此通過(guò)選取豎向荷載、瀝青種類、灑布溫度、乳化瀝青灑布量為研究對(duì)象，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響因素進(jìn)行研究分析。

1 試驗(yàn)方案

(1)豎向荷載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)影響最為直接，因而研究豎向荷載對(duì)瀝青路面的層間接觸具有重要意義。試驗(yàn)采取帶有豎向荷載的直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)中荷載參數(shù)設(shè)定為0.35MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa及1.1MPa。

(2)為了能夠使得各瀝青結(jié)構(gòu)層在施工時(shí)充分粘結(jié)，因而采用乳化瀝青作為粘層材料最為常見(jiàn)，試驗(yàn)選用三種粘層材料，分別為Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青。由于瀝青是非線性粘彈特性的溫敏性材料，因而在粘層材料進(jìn)行灑布時(shí)需控制一個(gè)合理的溫度，設(shè)定溫度參數(shù)分別為25℃、45℃及60℃。

(3)在灑布粘層時(shí)應(yīng)選擇合適的瀝青灑布量，灑布量過(guò)大，乳化瀝青破乳時(shí)間長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致瀝青層間存在水份，嚴(yán)重降低層間摩擦力，瀝青層產(chǎn)生滑移；灑布量過(guò)小，乳化瀝青無(wú)法覆蓋瀝青面層，層間存在空隙，容易產(chǎn)生破壞。因此，本試驗(yàn)設(shè)定乳化瀝青灑布量分別為0.4kg/m2、0.6kg/m2、0.8kg/m2、1kg/m2。

通過(guò)設(shè)定上述四種因素及不同試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)瀝青路面層間抗剪性能影響因素進(jìn)行研究，并分析出各因素影響大小及參數(shù)合理值。

2 各因素對(duì)瀝青路面層間抗剪性能的影響

2.1 豎向荷載對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

在豎向荷載對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，粘層材料乳化瀝青灑布量分別為0.4kg/m2、0.8kg/m2。從圖1可看出，在0.4kg/m2、0.8kg/m2乳化瀝青灑布量下瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度與豎向荷載基本都呈現(xiàn)線性關(guān)系，且隨著豎向荷載增大，抗剪強(qiáng)度增大，當(dāng)乳化瀝青灑布量為0.4kg/m2時(shí)，擬合的函數(shù)為y=0.92512+0.46602x，相關(guān)性高達(dá)97%以上；當(dāng)乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時(shí)，擬合的函數(shù)為y=1.05419+0.45608x，相關(guān)性為64%，這表明豎向荷載對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響非常明顯，過(guò)大的豎向荷載使得瀝青路面層間容易產(chǎn)生破壞，瀝青路面上出現(xiàn)的推移病害可通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。另外，當(dāng)乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時(shí)的抗剪強(qiáng)度與豎向荷載相關(guān)性明顯高于0.4kg/m2時(shí)的抗剪強(qiáng)度，這也充分說(shuō)明了當(dāng)粘層乳化瀝青灑布量過(guò)大時(shí)更容易導(dǎo)致瀝青面層間接觸狀態(tài)變差，產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

此外，上述擬合函數(shù)形式與摩爾-庫(kù)倫理論公式較為一致，由摩爾-庫(kù)倫理論可知，豎向荷載越大，層間的內(nèi)摩阻力越大，導(dǎo)致層間的抗剪強(qiáng)度增大。兩個(gè)擬合函數(shù)的系數(shù)比較接近，可見(jiàn)層間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)或?qū)娱g的內(nèi)摩擦角與層間粘結(jié)材料含量的關(guān)系不大。

2.2 瀝青種類、溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

從圖2試驗(yàn)結(jié)果可看出，總體上不同粘層材料種類、灑布溫度對(duì)瀝青面層層間抗剪強(qiáng)度的影響很明顯，當(dāng)灑布溫度為25℃時(shí)，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度分別為1.48MPa、1.25 MPa、0.93 MPa；當(dāng)灑布溫度為45℃時(shí)，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度分別為1.1MPa、0.9 MPa、0.65 MPa；當(dāng)灑布溫度為60℃時(shí)，Super PCR、SBR乳化瀝青、普通乳化瀝青對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度分別為0.82MPa、0.72 MPa、0.5 MPa。當(dāng)灑布溫度相同時(shí)，抗剪強(qiáng)度排序?yàn)镾uper PCR>SBR乳化瀝青>普通乳化瀝青，可見(jiàn)Super PCR有著更好的抗剪性能。而相同粘層材料時(shí)，灑布溫度越低，抗剪性能越好，這主要與瀝青的溫度敏感性有關(guān)，瀝青隨著溫度的升高，其剪切模量降低、粘度減小，從而降低瀝青層間的粘結(jié)作用。通過(guò)上述分析，在實(shí)際工程中對(duì)于粘層材料的選擇及灑布量的確定要慎重，最大程度選擇好的粘層材料。

2.3 乳化瀝青灑布量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響分析

從圖3可看出，層間抗剪強(qiáng)度隨著乳化瀝青灑布量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化現(xiàn)象，其中層間抗剪強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在瀝青灑布量為0.8～0.9kg/m2。出現(xiàn)這一變化情況的原因在于當(dāng)瀝青灑布量較低時(shí)，隨著瀝青灑布量的增加，在乳化瀝青破乳后，瀝青能夠充分與瀝青面層接觸，并形成厚度適宜的瀝青膜，從而使得層間的抗剪性能逐漸增大，而當(dāng)瀝青灑布量較大時(shí)，出現(xiàn)了富余瀝青的情況，從而使得富余瀝青無(wú)法與瀝青面層充分接觸，這種情況很容易使得瀝青面層在應(yīng)力作用下產(chǎn)生流動(dòng)，降低了層間的抗剪切強(qiáng)度。

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，豎向荷載、瀝青種類、乳化瀝青灑布溫度、灑布量均對(duì)層間抗剪強(qiáng)度具有較大的影響，因此，為了能夠研究這幾個(gè)因素對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響，通過(guò)對(duì)上述幾種因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，分析出各因素影響大小的排序情況?？紤]到目前應(yīng)用最多、質(zhì)量最為穩(wěn)定的粘層材料為普通乳化瀝青，因此選定粘結(jié)材料為普通乳化瀝青。層間抗剪強(qiáng)度為參考序列，豎向荷載、溫度、乳化瀝青灑布量為比較數(shù)列。試驗(yàn)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表1。

表1 層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

相關(guān)計(jì)算公式不再贅述，經(jīng)計(jì)算，關(guān)聯(lián)度分別為:

r1=0.78；r2=0.63；r3=0.66

從上述結(jié)算結(jié)果可看出，對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響排序?yàn)椋贺Q向荷載>乳化瀝青灑布量>溫度，并且豎向荷載關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.78，而最小的關(guān)聯(lián)度也為0.63，可見(jiàn)總體上這三個(gè)影響因素對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響顯著。因此，在瀝青路面設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)充分重視瀝青面層層間的處理，嚴(yán)格控制乳化瀝青的灑布量與灑布溫度。

4 結(jié)論

(1)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度與豎向荷載基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，且隨著豎向荷載增大，抗剪強(qiáng)度增大，當(dāng)乳化瀝青灑布量為0.4kg/m2時(shí)，擬合函數(shù)相關(guān)性高達(dá)97%以上；當(dāng)乳化瀝青灑布量為0.8kg/m2時(shí)的抗剪強(qiáng)度與豎向荷載相關(guān)性明顯高于0.4kg/m2時(shí)的抗剪強(qiáng)度，這也充分說(shuō)明了當(dāng)粘層乳化瀝青灑布量過(guò)大時(shí)更容易導(dǎo)致瀝青面層間接觸狀態(tài)變差，產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

(2)當(dāng)灑布溫度相同時(shí)，抗剪強(qiáng)度排序?yàn)镾uper PCR>SBR乳化瀝青>普通乳化瀝青，可見(jiàn)Super PCR有著更好的抗剪性能。而粘層材料相同時(shí)，灑布溫度越低，抗剪性能越好，這主要與瀝青的溫度敏感性有關(guān)，隨著溫度的升高，瀝青剪切模量降低、粘度減小，從而降低瀝青路面層間的粘結(jié)作用。

(3)當(dāng)乳化瀝青灑布量較低時(shí)，隨著灑布量的增加，在乳化瀝青破乳后，瀝青能夠充分與瀝青面層接觸，并形成厚度適宜的瀝青膜，從而使得層間的抗剪性能逐漸增大，而當(dāng)瀝青灑布量較大時(shí)，出現(xiàn)了富余瀝青的情況，從而使得富余瀝青無(wú)法與瀝青面層充分接觸，這種情況很容易使得瀝青面層在應(yīng)力作用下產(chǎn)生流動(dòng)，降低了層間的抗剪切強(qiáng)度。

(4)對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響排序?yàn)椋贺Q向荷載>乳化瀝青灑布量>溫度，并且豎向荷載關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.78，而最小的關(guān)聯(lián)度也為0.63，可見(jiàn)總體上這三個(gè)影響因素對(duì)層間抗剪強(qiáng)度影響顯著。因此，在瀝青路面設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)充分重視瀝青面層層間的處理，注意施工時(shí)要嚴(yán)格控制乳化瀝青的灑布量與灑布溫度；更為重要的是還應(yīng)治理超載、重載現(xiàn)象，減少豎向荷載對(duì)瀝青路面的力學(xué)作用。