浅谈道路结构层间性能评价

摘 要：随着经济的发展和社会的进步，道路结构层间性能评价问题开始受到人们的关注。层间剪切破坏和反射裂缝破坏是当前路面病害的两个主要诱因，目前关于结构抗剪性能和抗裂性能的室內试验种类繁多。本文主要从道路粘性、抗剪和抗震几个方面对道路结构层间性能评价进行分析。

关键词：道路结构；结构层间性能；评价方法

引 言

近年来，我国的道路建设项目不断增加，根据调查分析，我国现有公路中，沥青路面占有相当大的比重，沥青路面具有施工过程快、结构类型多样、养生维修方便、通车时间短等优点，但沥青路面同样存在不可避免的问题。

1 沥青路面层间破坏状况分析

1.1 层间剪切破坏机理

层间剪切破坏是沥青路面层间破坏的常见形式之一，路面各结构层之间的抗剪性能是我国乃至世界上许多国家设计规范手册中较少涉及的力学指标，然而从以往的经验和道路的实际使用情况来看，路面在荷载作用下产生的剪应力所引起的结构破坏是不容忽视的。剪切破坏是沥青路面常见的病害类型，根据破坏发生的位置不同又可将其分为两类：第一类是发生在面层混合料内部的剪切破坏，此类破坏多发生在刹车及启动较为频繁的路段。第二类是发生在结构层之间的剪切破坏，此类破坏多发生在层间结合性能欠佳的路段，破坏产生后容易导致层间发生滑移，进而引起剥落、开裂等病害。

1.2 反射裂缝破坏机理

反射裂缝破坏对于路面结构稳定性和路面使用性能有着重要的影响，路面开裂破坏同样是影响沥青路面使用寿命的主要病害，常见的沥青路面开裂包括疲劳开裂、反射开裂、低温开裂等类型，其中反射裂缝是刚性半刚性基层或旧路面原有裂缝缺陷，在温度与荷载的综合作用下发生扩张，当裂缝扩张产生的应力得不到缓解和释放，会在裂缝周围形成应力集中，造成沥青混凝土底面承受巨大的拉应力，最终导致裂缝向路表扩张（见图1）。

2 道路结构层间粘结性能评价

根据沥青碎石封层推移、拥包的形成原因，可用层间抗拉强度和抗剪强度作为层间粘结性能的评价指标，文中采用直接拉拔和正压扭剪试验分别对沥青碎石封层试件进行层间抗拉和抗剪强度的检测。直接拉拔试验示意如图2所示，用层间破坏时拉拔力的大小表征层间抗拉强度。实验前，按照前述成型方法和各试验水平成型试件，待试件完全固化后，将环粘结剂均匀涂抹在碎石封层表面，将拉头和碎石层粘结，待完全牢固后，进行拉拔试验。按照表1的设计进行正交拉拔试验，每组试验进行3次，分别测试拉拔力的大小，并计算平均值，得到图3和图4所示的各因素对抗拉强度的影响规律。从图3、图4可知：①图3中采用极差的大小来表征各影响因素对碎石封层层间抗拉强度的影响程度，在所选的4个因素中，对层间抗拉强度影响程度的大小关系为：乳化沥青用量（0.233kN）>碎石用量（0.147kN）>纤维长度（0.06kN）>纤维用量（0.05kN）。②在图4（a）中可以发现，层间的抗拉强度随乳化沥青用量的增大而增大，其原因是随着沥青用量的增大，渗透进入原路面内的沥青量相对较多，同时被裹附的碎石面积也增多，结构沥青量增大，使层间结合更加紧密。③由图4（b）可知，当碎石用量为900～1050g时，层间的抗拉强度随着碎石用量的增加而逐渐增大，但当碎石用量大于1050g时，随碎石用量增加，抗拉强度增大幅度有所下降，原因是当碎石撒布量小于1050g时，封层表面会留有较多未撒布碎石的空余面积，随着碎石用量的增加，被裹附的碎石面积进一步增加，使结构沥青量增大，同时封层与拉头的接触面积增大，使抗拉值逐渐增大。当碎石撒布量继续增加时，结构沥青含量增加幅度开始减少，所以拉拔力的增加幅度也相应减弱，并且当撒布量为1200g时，碎石覆盖率接近100%。④从图3和图4（c）、图4（d）可知，纤维长度和纤维用量对抗拉强度的影响水平次于乳化沥青和碎石用量。其中，纤维长度对层间抗拉强度的影响程度较小，而随着纤维用量的增加，抗拉强度先增大后减小，并且当纤维用量为9g时，抗拉强度出现最大值。

3 道路结构层间抗剪强度

试件成型与拉拔试验相同，试验中，向试件逐渐施加扭矩，直至碎石封层与沥青混合料垫块发生脱离，用层间发生脱离时的扭矩表征层间抗剪强度。按照表1中设计的正交试验进行扭剪试验，每组试验进行3次，分别测试扭矩的大小，并计算平均值，得到各因素对抗剪强度的影响规律。①在所选的4个因素中，对层间抗剪强度影响程度排序为：乳化沥青用量（12.987kN·m）>碎石用量（4.0686kN·m）>纤维用量（2.63kN·m）>纤维长度（1.787kN·m）。②层间抗剪强度随乳化沥青用量的增加而增大，其原因是随着乳化沥青用量的增大，裹附碎石面积也增多，结构沥青含量增大，同时纤维也结合了更多的沥青，形成更加致密的结构，提高了层间抗剪强度。③碎石封层的层间抗剪强度随着碎石用量的增加先增大后减小，在碎石用量为1050g时出现最大值。这是由于当碎石用量较少时，多余的沥青无法有效地和碎石结合，抗剪强度较小，随着碎石用量的增加，自由沥青量减少，结构沥青量增多，抗剪强度逐渐增大；但是，当碎石用量大于1050g时，可能是由于撒布的碎石中有少量未被沥青粘结，在扭剪过程中出现滑动，使扭矩降低。④与影响抗拉强度的规律一致，纤维用量和纤维长度对层间抗剪强度的影响水平次于乳化沥青用量和碎石用量，纤维长度的影响水平最低。层间抗剪强度随着纤维用量的增加而增大，在纤维用量为9g时，扭矩出现最大值，即层间的抗剪强度最大，之后随着用量的增加，抗剪强度呈下降趋势。这是由于玻璃纤维能吸附足够的沥青，减少自由沥青含量，并能形成一定厚度的网状结构，在机械压实作用下，碎石和面层混合料颗粒被压入纤维网，有利于改善层间抗剪性能。但是，当纤维用量继续增加时，纤维吸附及稳定的沥青量不再增加，多余的纤维处于游离状态，形成薄弱层，反而会降低层间抗剪强度。当纤维长度为40mm时，由于纤维过短，纤维丝之间相互不能有效地搭接，无法形成稳定的玻璃纤维网，对层间抗剪强度影响较小；在纤维长度为60mm时，纤维长度适中，玻璃纤维丝之间可以有效地相互搭接，能够与沥青、碎石形成致密的“碎石-沥青-纤维”结构，使层间抗剪强度达到最大值；但纤维长度过长时，在纤维用量一定的情况下，纤维网状结构相对变疏，“加筋”作用减弱，抗剪强度反而降低。

4 道路结构层间抗裂性能评价

沥青路面的低温开裂是路面破坏的主要形式之一。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水份使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生台阶、网裂，加速路面破坏。SHRP规范中评价沥青低温开裂性能的指标，沥青路面使用一定时间后沥青老化，沥青的劲度增大、应力松弛能力变差、拉伸应变减少，在温度的反复作用下沥青路面发生低温开裂。为此SHRP评价沥青结合料低温性能所采用的沥青样品要求先经旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）模拟沥青在施工过程中的热老化，再经过压力老化试验模拟沥青路面经过至少5年的使用期老化。SHRP沥青结合料路用性能规范中提出用弯曲梁流变仪的弯曲蠕变试验及直接拉伸试验评价沥青的低温抗裂性能，用经过RTFOT和压力老化试验的沥青，测定平均最低路面设计温度时的低温弯曲蠕变劲度模量S作为最主要指标。SHRP采用BBR试验来评价沥青低温抗裂性能，它要求605时的S不大于300MPa，同时还要求605时蠕变劲度与荷载作用时间的双对数曲线的斜率m不小于0.30（m值反映沥青劲度的时间敏感性及应力松弛性能，m值越大，沥青的应力松弛性能越好，抗裂性能越好）。

5 结束语

本文对剪切破坏与反射裂缝两种常见道路结构破坏进行了研究，通过对其形成机理的分析，总结了影响层间发生破坏的主要因素，包括温度、竖向力、车辆荷载等。在现有试验方法的基础上，研发出一种多功能层间力测试仪，并对现有的试验方法及评价指标进行了改进。

参考文献

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作者简介：李金男（1983-），汉族，贵州兴仁人，本科，主要从事路桥设计方面的工作。