林 群， 李婷玉， 陳宇亮

(1.中核華辰建筑工程有限公司， 福建 莆田 351100； 2.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙，410015)

近年來，高速公路的早期病害所帶來的的路面耐久性問題日益突出，耐久性不夠是目前高速公路的主要問題之一[1]。超限超載車輛大幅增長是導致路面發(fā)生破壞的重要原因[2]。因此，提出適合重載交通的長壽命耐久性路面結構就成為一個刻不容緩的關鍵技術問題。

剛性基層瀝青路面結構強度高、水穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強，避免了半剛性基層強度衰減快，疲勞壽命短等缺陷，并且服役后期維修簡單[3-4]。剛柔復合式路面因其較強的承載能力和優(yōu)異的耐久性能[5]，已經(jīng)成為有較高承重要求的高速公路耐久性路面結構發(fā)展方向之一。我國對這種剛柔復合式路面結構形式進行了系統(tǒng)深入的研究，張艷紅[6]等的研究結果表明層間結合不連續(xù)將導致結構內(nèi)應力、應變驟增；長安大學的惠冰[7]等為提高層間黏結強度，對黏結界面進行不同深度、不同寬度和不同間距的刻槽處理；陶可[8]通過研究得出最佳黏結材料以提高復合式路面性能。通過分析已有研究可知，剛性基層與瀝青面層層間結構是薄弱環(huán)節(jié)，其結合技術是關鍵，AC層與CRC層的層間良好的抗剪性能和抗拉性能可有效防止結構破壞。綜上，本文對剛性基層與瀝青面層的層間結合技術開展室內(nèi)強度及小型加速加載試驗研究，以提出最優(yōu)的層間結合技術。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1.1.1基層材料

水泥采用湖南金磊南方水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料產(chǎn)自蓮花碎石場，細集料為天然河砂，混凝土拌和用水為飲用水。各材料性能指標滿足規(guī)范要求。

減水劑采用長沙利諾弗克建材有限責任公司的“LNK-G200”緩凝高效減水劑，摻量為水泥用量的1.2%，減水率為15%～20%。

1.1.2層間黏結材料

試驗選用2種不同瀝青作為黏結層材料，分別為重交70#瀝青和SBS改性瀝青，其各項力學指標皆滿足技術標準要求。

1.1.3面層材料

面層選用AC-20C型和SMA-13型瀝青混合料。瀝青為SBS改性瀝青；粗細集料均為輝綠巖，粗集料壓碎值為11.1%，細集料表觀相對密度2.717 g/cm3。礦粉選用石灰?guī)r礦粉，表觀密度2.710 g/cm3。各組成材料其他各項性能指標均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗方案

為探究不同界面處理方式、不同黏結材料及其用量、不同工作條件等對剛柔組合路面結構的界面黏結性能的影響，本文分別對比分析裸化、拉槽和光面；SBS改性瀝青和重交70#瀝青；不同溫度以及不同加荷速率對復合結構的抗剪切性能和抗拉拔性能的影響。

經(jīng)試驗室試拌，確定基層材料試驗室基準配合比為：水泥375 kg/m3,砂729.8 kg/m3,碎石1190.7 kg/m3,水150 kg/m3,減水劑4.5 kg/m3。

此配比下新拌混凝土坍落度為45mm，含氣量為4.0%；硬化后的7d和28d抗折強度分別為6.24和6.94MPa，7 d和28d抗壓強度分別為41.1和50.5MPa。

AC-20+SBS瀝青混合料的級配組成如表1所示，最佳油石比由馬歇爾試驗確定為4.5%。SMA-13+SBS瀝青混合料的級配組成如表2所示，最佳油石比由馬歇爾試驗確定為5.9%。

表1 AC-20礦料級配范圍及設計級配組成Table 1 Grading range and grading composite of AC-20孔徑/mm設計級配級配上限級配下限26.500100.010010019.00093.41009016.00082.7927813.20068.980629.50050.172504.75031.856262.36023.344161.18018.333120.60014.02480.30011.41750.1508.51340.0755.973

表2 SMA-13礦料級配范圍及設計級配組成Table 2 Grading range and grading composite of SMA-13孔徑/mm設計級配級配上限級配下限16.00010010010013.20095100909.5006375504.7502734202.3602026151.1801924140.6001620120.3001316100.150121590.07510128

1.3 試件制作方法

瀝青混合料層間剪切試件的制作包括3個步驟[9-10]：

a. 澆筑混凝土基層及表面處理。在直徑為100 mm的自制圓形試模中澆筑水泥混凝土試件。采用裸化或拉毛技術對混凝土板的表面進行處理，使表面比較粗糙，如圖1所示。并且留出試件不做表面處理，用來對比裸化、拉槽和不做表面處理的效果。裸化深度控制在2～3 mm，以露出碎石為準。而拉槽是在試件剛剛成型后馬上進行。

圖1 拉槽的水泥塊試件Figure 1 Concretespecimen with grooves

b. 層間結構。在連續(xù)配筋混凝土基層和瀝青面層之間鋪設1cm的應力吸收層：采用改性瀝青同步碎石封層，4.75～9.5mm單粒徑碎石的用量為鋪滿面積的60%～70%。

c. 成型瀝青混凝土面層。面層為SBS改性瀝青混合料。在黏結層冷卻至室溫以后，將拌和好的瀝青混合料倒入試模中的黏層上，然后輾壓成型，輾壓成型后讓試模在室溫下冷卻，冷卻12h后進行脫模，整個試件的高度為100mm，半徑為50.8mm。成型后的試件見圖2。

圖2 剛柔復合試件Figure 2 Rigid and flexible composite specimen

2 試驗結果分析

2.1 層間結構的確定及其影響因素分析

2.1.1表面處理方式、黏結材料及其用量對抗剪及抗拉強度影響

如前所述，采取裸化、拉槽和光面3種界面處理方式，對比研究層間黏結性能的影響。為比較3種不同表面處理方式的影響，先固定黏結層材料和改性瀝青用量，黏結層材料取為SBS改性瀝青，其用量選為1.6kg/m2。成型試件，在60℃條件下進行剪切試驗，以模擬高溫條件的剪切破壞。在15℃條件下進行拉拔試驗，以模擬常溫的受拉破壞。試驗結果見圖3。

圖3 界面處理方式對黏結強度的影響Figure 3 Influence of interface treatment on bond strength

由圖3可知，當層間采用裸化處理時，其60℃抗剪強度和15℃抗拉強度分別為0.696和1.179MPa，均大于拉槽和光面處理。究其原因，界面層的抗剪強度主要取決于界面水泥層與碎石和面層瀝青混合料的摩擦力。裸化結構的構造深度最大，其抗剪強度和抗拉強度最大。而光面結構無論是在構造深度還是摩擦力方面都較小，故其黏結性能最弱。拉槽處理介于裸化和光面之間。故采用裸化技術作為界面處理的優(yōu)選方案。

為了確定層間黏結材料的影響，混凝土表面采用裸化技術，固定瀝青用量為1.6kg/m2。對比重交70#瀝青與SBS改性瀝青對層間結合效果的影響。試驗結果見圖4。

圖4 瀝青類型對黏結強度的影響Figure 4 Influence of asphalt type on bond strength

從圖4可以看出，采用SBS改性瀝青作為黏結材料，復合試件的抗剪強度和抗拉強度分別為0.696和1.179MPa，相比于重交70#瀝青，其抗剪強度和抗拉強度分別提高10%和18%。這是因為SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性能均好于70#瀝青。這也與瀝青原材料試驗中SBS改性瀝青的軟化點大于70#瀝青相對應。同時，對SBS改性瀝青補做了一組10℃的延度試驗，其延度也大于70#瀝青。由此可見，采用較好的層間黏結材料能提高復合試件的層間結合性能。

為了確定SBS改性瀝青的最佳用量，層間采用裸化處理，以1.2kg/m2為初始用量，每級以0.2kg/m2遞增，直至2.4kg/m2，每次試驗做3次平行試驗取其平均值，來確定最優(yōu)的瀝青用量，試驗結果見圖5。

圖5 瀝青用量與界面強度的關系Figure 5 Relationship between asphalt content and interface strength

由圖5可知，瀝青用量對瀝青混合料層間抗剪強度和拉拔強度的影響較為顯著，抗剪強度和拉拔強度隨著瀝青用量的增大先增大后減小，在2.0kg/m2時最大。這是因為在水泥混凝土界面上涂抹黏結層瀝青分子會形成一層結構瀝青。當結構瀝青過少時，水泥混凝土與瀝青面層難以形成有效黏結。在該階段，抗剪強度和拉拔強度隨結構瀝青用量的增大而增大，在瀝青用量最佳時抗剪強度和拉拔強度達到峰值。此后，進一步增加瀝青用量，多余的自由瀝青會起到潤滑的作用，反而不利于界面強度的形成。因此，在施工時應當嚴格控制瀝青用量，以保證結構層有足夠的黏結強度。

為了確定上面層級配的影響，混凝土表面采用裸化技術，固定采用SBS改性瀝青用量為2.0kg/m2，對比AC-20級配和SMA-13級配的抗剪強度和拉拔強度，試驗結果見表3。

從試驗結果可知，相較于SMA-13級配SBS瀝青混合料，AC-20級配SBS瀝青混合料的層間抗剪性能和拉拔性能提高了約10%，這是因為AC-20級配更粗，容易形成嵌擠的緣故。所以，后續(xù)分析中重點對層間結合能力相對較弱的SMA-13級配SBS瀝青混合料展開。

表3 不同類型瀝青混合料60 ℃剪切和15 ℃拉拔試驗結果Table 3 60 ℃ shear strength and 15 ℃ drawing strength of Different types of asphalt mixtures級配類型剪切強度/MPa拉拔強度/MPa SMA-130.6961.179AC-200.7661.282

綜上所述，為了黏結層獲得最好的層間強度，其最終設計方案為：混凝土表面采用裸化處理后，采用改性瀝青同步碎石封層，SBS改性瀝青用量為2.0kg/m2，9.5～19mm單粒徑碎石的用量為滿鋪面積的60%～70%(約12～16kg/m2)。

2.1.2工作條件的影響

考慮到層間剪切破壞是CRC+AC復合式路面結構的主要破壞形式，為了分析工作條件對層間抗剪強度的影響，在不同溫度及加載速度條件下對復合試件(上面層為SMA-13)進行剪切試驗，不同溫度及不同加載速率下的層間剪切試驗結果如圖6和圖7所示。

圖6 試驗溫度與層間剪切強度的關系Figure 6 Relationship between test temperature and interlaminar shear strength

如圖6所示，復合試件層間剪切強度基本上是隨溫度的增加而線性減小，其關系為：

τ=0.95-0.027T，R2=0.98

(1)

式中：τ為剪切強度，MPa；T為試驗溫度，℃。

從圖7可知，在上述加載范圍內(nèi)，復合試件層間剪切強度基本上是隨加載速度的增加而線性減大，其關系為：

τ=0.65-0.05V，R2=0.95

(2)

式中：τ為剪切強度，MPa；V為加載速度，mm/min。

由圖6可知，復合試件層間抗剪強度隨溫度的

圖7 加載速度與層間剪切強度的關系Figure 7 Relationship between loading rate and interlaminar shear strength

增大而線性減小，這主要是因為，溫度升高時，其層間黏結作用的瀝青變軟，黏結力降低，抵抗外界剪切力的能力下降[11]。

圖7所示復合試件抗剪強度隨加載速度的增大而線性增大。這主要是因為，當外界荷載施加于受荷材料，受荷材料在承受荷載到破壞有一定的反應時間，當加載速度增加，試驗最終測出的剪切強度也隨之增加。綜上，在夏季高溫條件下，層間抗剪強度將會大幅降低，此時，應盡量控制重載車輛的噸位，防止路面結構發(fā)生層間破壞和剪切、推移病害。

3 結論

a. 構造深度對層間性能影響較大，構造深度越大，層間抗剪切能力越好。當層間采用裸化處理時，其抗剪強度和抗拉強度均大于拉槽和光面處理時對應的抗剪強度和抗拉強度。

b. 相比于重交70#瀝青，SBS改性瀝青作為黏結材料的復合試件的抗剪強度和抗拉強度均較高，且在用量為2.0 kg/m2時，層間抗剪切強度最大。

c.層間抗剪切強度與環(huán)境溫度呈線性負相關。因此，為使剛柔組合路面保持較好的路面結構性能，在選擇有利的界面結構的同時，考慮在夏季高溫時嚴格控制路面荷載。