白加黑路面层间抗剪切性能与影响因素分析

白加黑路面层间抗剪切性能与影响因素分析

王钊栋

（广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司 广州 510641）

摘要：白加黑路面层间结合关系是影响路面结构层整体强度的一个重要因素，良好的层间粘结有利于层间抗剪切性能。本文为深入研究分析路面层间状态，选用了界面处治、粘结层成型后处理方式、成型温度、沥青级配类型4种层间状态影响因素进行对比试验，分析各因素对层间抗剪切性能的影响。试验结果表明，优良的界面处治和沥青级配类型能给层间抗剪切性能提供摩擦阻力以及粘结力，而粘结层破坏与否以及成型温度对剪切应力和破坏能的影响不明显。

关键字：白加黑路面；抗剪切性能；层间粘结状态；对比试验

0 前言

随着我国经济建设的发展，交通需求逐渐增长且重载车辆在交通组成所占比重越来越大，而在路面小半径、长陡纵坡路段及加速制动频繁区域，路面承受水平荷载相对较大的情况下，层间粘结不足会带来的层间滑移、U型裂缝等路面常见的病害类型[1-2]，尤其是旧水泥混凝土路面加铺沥青层的白加黑复合式路面，由于上下层刚度等材料差异较大，层间结合状况往往是评价复合式路面性能的重要指标[3-4]。现行规范与试验多采用拉拔强度作为粘结剂粘结强度的检测指标，但在实际行车荷载作用下路面粘结层受剪力破坏形式与拉拔力下的破坏形式有所差异，拉拔试验结果往往不能准确反映实际层间抗剪强度大小[5-6]。目前，国内对于白加黑复合式路面层间抗剪切性能并没有统一的评价方法，且大都是通过结合剪切试验结果、有限元模拟对复合式路面层间抗剪性能进行评价[7-8]。鉴于结构层间结合状态的复杂性，当其结合状态发生细微改变时，会对整体路面结构受力状态产生较大的影响[9]，如增大结构层底部拉应力，易在沥青路面的层间界面处产生剪切位移等[10]，进而使路面发生剪切滑移、车辙等病害，严重影响路面的行车安全[11]。

为提高白加黑路面的耐久性能，需对路面层间状态进行更加深入的分析研究，有利于进一步必须加强层间的结合。本研究选用了界面处治、粘结层成型后处理方式、成型温度、沥青级配类型4种层间状态影响因素进行对比试验，采用剪切强度指标对其进行了分析。

1 层间界面剪切试验

我们知道结构抗剪强度[12]可由以下公式（1）计算：

式中，为结构的抗剪强度，为最大剪切力，为剪切有效面积。

为了更好地模拟施工实际情况，本次层间界面剪切试验利用车辙成型仪加铺成型。首先浇筑水泥板下面层，其均使用30*30*5cm模具进行成型，成型1天后脱模，然后使用标准养护7天，预计强度能达到最大设计强度的70%。水泥使用42.5R早强水泥。然后根据研究影响因素的不同选择不同层间界面处理方式，如粘结层使用毛刷经行涂刷，粘结层涂抹量为0.4L/m2，乳化沥青完全破乳的标准为纸巾粘摸无褐色等。接着使用上面层石料进行精配，并利用车辙碾压成型仪在水泥板上进行加铺成型。最后采用钻芯取样法在成型后的复合板上进行钻芯和切割，切割后芯样使用MTS进行剪切试验，剪切试验保持室内温度为25℃。

层间界面剪切试验示意图如图1所示。

图1 层间界面剪切试验示意图

2 层间剪切性能影响因素试验

2.1层间界面处治的影响

水泥板与粘结层界面的粗糙程度对层间剪切效果有直接的影响。由于水泥板终凝后，室内无法模拟现场抛丸和凿毛的效果，经研究，实验室决定在成型水泥板时，水泥板未达到初凝前对部分水泥板进行刮毛等措施，以此达到模拟现场抛丸和凿毛的效果，并与未经过处治的试件进行剪切试验比对，研究不同层间界面处治情况对结构剪切性能的影响。试验对比图如图2~图3所示。

2.2粘结层成型后处理方式的影响

粘结层成型后破坏主要表现为摊铺机及运料车车轮磨损。室内使用毛刷经行涂刷乳化沥青，涂刷量按0.4L/m2进行，待乳化沥青完全破乳后开展后续处理工作，完全破乳的标准为纸巾粘摸无褐色。然后对乳化沥青经行人工轮碾破损，与未经过破坏的试件经行剪切试验比对，研究不同粘结层成型后处理方式对结构剪切性能的影响。

2.3成型温度的影响

温度是影响沥青路面耐久性能的一个非常重要的因素。由于热气流以及铺筑的热沥青混合料热传导速率不同，会使得铺筑热沥青混合料时工作环境温度不同。为研究铺筑热沥青混合料时不同工作环境温度对最后成型路面结构性能的影响，本文在水泥板铺筑完粘结层后在不同温度（5度以下与5度以上）下铺筑热沥青混合料，对比分析其对层间剪切的影响。

2.4不同薄层沥青类型的影响

不同级配的沥青混合料也对成型后沥青路面的抗剪性能产生影响。本文采用SMA-10、HVE两种不同沥青薄层，每种沥青采用相同油量，并对上面层石料进行精配，使用车辙碾压成型仪在水泥板上进行加铺成型。钻芯取样后进行剪切试验，比对不同薄层的剪切能力。

3界面抗剪试验结果及分析

3.1层间界面抗剪试验结果

本文采用正交试验方法对界面处治、粘结层处理、成型温度、沥青级配类型四种不同条件的试件进行剪切试验，总计共16大组试验试件。但是实际试验过程中，由于剪切破坏的过程伴随着层间的位移，层间接触面的面积会逐渐变小，故需要对试验所获得的抗剪强度结果进行修正。层间剪切性能试验结果修正机理如下：

图8 层间接触面面积换算图

如图8所示，所取圆形芯样本里上下面层形状可用下面两个式子表示

当时，实际层间接触面积可通过式子（4）进行换算：

当时，实际层间接触面积可通过式子（5）进行换算：

对式（4）、（5）进行化简可得，当时，实际层间接触面积可表示为：

所有对比试件剪切应力结果、剪切应力修正结果以及计算得到剪切破坏能汇总如下表所示：

表1试件剪切应力结果、剪切应力修正结果以及计算得到剪切破坏能汇总表

3.2层间剪切试验结果分析

根据以上所有试验结果，分别统计界面处治、粘结层处理、成型温度、沥青级配类型四种不同条件下结构的剪切性能，如下表2~表5所示。

表2 界面处治对剪切性能影响情况表

表3 粘结层处理对剪切性能影响情况表

表4 成型温度对剪切性能影响情况表

表5 沥青级配对剪切性能影响情况表

从上表的数据分析，有界面处治的剪切应力均值比无界面处治的大12%，有界面处治的剪切破坏能均值比无界面处治的大33%。这是由于通过界面处治增加了水泥板与粘结层界面的粗糙程度，进而提高水泥板与粘结层的摩擦阻力，有利于提高层间的抗剪切能力。实际工程中，在粘结层施工前应对下面层进行抛丸和凿毛处理。

破坏粘结层与无破坏粘结层相比，破坏粘结层的剪切应力偏小，剪切破坏能偏大。粘结层破坏使层间抗剪强度降低约0.4%，粘结层破坏与否对剪切应力和破坏能的影响不明显。虽然从试验结果来看粘结层破坏与否对路面结构的剪切性能影响不大，但在实际施工过程中还需做好现场粘结层的保护工作。

成型温度5度以上与5度以下相比，成型温度5度以上的剪切应力偏小，约为0.47%，剪切破坏能偏大。成型温度对剪切应力和破坏能的影响不明显。

SMA-10沥青的剪切应力均值比HVE沥青的剪切应力均值大16%；HVE沥青的破坏能均值比SMA-10沥青的破坏能均值大22%，由此可知沥青级配对层间抗剪性能有较大的影响。

综上可知，沥青路面层间抗剪性能主要取决于上面层沥青提供的粘结力以及下面层粗糙水泥板提供的摩擦阻力。上面层沥青的粘稠性决定了其提供的粘结力大小，粘结力随着沥青的粘稠性提高而增大，进而提高层间的抗剪性能。下面层水泥板的粗糙程度越大，摩擦阻力越大，层间抗剪能力越高。而粘结层破坏与否以及成型温度对沥青路面层间抗剪性能影响不大。

4结语

沥青路面层间抗剪性能是影响路面结构耐久性能的一个重要因素，而由于层间结合关系的复杂性，本文对路面层间状态进行更加深入的分析研究。根据以上分析得出以下结论：

（1）有界面处治层间状态的抗剪强度比无界面处治的大12%，界面处治增大水泥板粗糙程度，粗糙程度越大，摩擦阻力越大，层间抗剪能力越高。

（2）粘结层破坏使层间抗剪强度降低约0.4%，成型温度在5℃以上比5℃以下层间抗剪强度降低约0.47%，粘结层破坏与否以及成型温度对剪切应力和破坏能的影响不明显。

（3）SMA-10沥青的抗剪强度比HVE沥青的抗剪强度大16%，由此可知沥青的粘稠性决定了其提供的粘结力大小，粘结力随着沥青的粘稠性提高而增大，进而提高层间的抗剪性能。

参考文献

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