水泥混凝土板沥青铺装层间抗剪强度协调性分析

周志刚，邓长清，虢 柱，俞文生，2，杨志峰，2

（1.长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南长沙 410004；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西南昌 330000）

尽管现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50－2006）［1］对水泥混凝土桥面和水泥混凝土路面板等情形下沥青铺装层所形成的复合式路面结构提出了设计要求和方法，但随着交通量尤其是重型车辆的增加，这些复合式路面的沥青铺装层病害日益普遍，表现为变形、推移、网裂、坑槽、剥落及横向裂缝等形式。其中一个主要原因是水泥混凝土板与沥青铺装层之间的抗剪强度不足，不能承受车辆的反复作用。为此，人们对水泥混凝土板与沥青铺装层间抗剪强度开展了一系列研究工作［2－13］。研究发现，其层间抗剪强度与环境（如：温度和水）［2，6－7］、层间条件［3－4，7，9］、铺装材料［4－5，8，13］、交通荷载［5，10，11］及线形（如：长大纵坡和弯道）［12］等因素有关。交通重载、高温或冰冻、铺装层渗水、长大纵坡、不良的沥青混凝土铺装材料配合比或施工不当等均会对铺装层的寿命产生不利影响。层间条件包括水泥混凝土板表面构造（粗糙程度）和水泥混凝土板与沥青铺装层层间结合方式等。众所周知，抗剪强度指标包括粘聚力和摩阻角。水泥混凝土板沥青铺装层层间抗剪强度的粘聚力来源于层间粘结材料。层间粘结材料种类及用量直接影响到层间粘聚力的强弱。层间抗剪强度的摩阻角来源于层间界面上、下材料表面的相互咬合嵌锁。根据水泥混凝土板沥青铺装层间抗剪强度试验，在不同层间粘结材料和不同水泥混凝土板表面处理的组合下，其层间抗剪强度各有差异［3，5－10，11］。但这些研究工作并未涉及水泥混凝土板表面构造和与他直接结合的沥青铺装下层材料之间匹配协调性的问题。如：在水泥混凝土桥面沥青铺装结构普遍使用同步封层的工程背景下，水泥混凝土板表面构造形态、同步碎石粒径和撒布量及沥青铺装下层混合料级配三者之间协调性如何？它会直接影响层间抗剪强度的强弱，特别是其摩阻角。另外，关于水泥混凝土板沥青铺装层间强度，普遍采用垂直斜剪试验［2，4，8，13］、无正压力的直剪试验［4，6－7，9，12］和拉拔试验［5－6，9，11，13］等方式进行测试。但这些方式均未能正确地反映粘聚力和摩阻角形成的抗剪强度状态。因此，作者拟利用自研的可施加正压力的剪切试验仪，对水泥混凝土板表面构造形态、同步碎石粒径和撒布量及沥青铺装下层混合料级配等几种因素进行正交试验，对比分析它们对层间抗剪强度的影响强弱，提出协调性设计方案，以期指导水泥混凝土板上沥青铺装层的设计与施工。

1 直接剪切试验方法设计

1.1 沥青铺装材料的设计

根据水泥混凝土桥面或路面板沥青铺装实际工程情况，选用AC－20沥青混凝土作为直剪试验中复合式试件的沥青铺装层。沥青混合料的沥青和防水粘结层涂料均为SBS I－D沥青。沥青25℃针入度为5.4mm，5℃延度为29cm，软化点为74.5℃。碎石的表观相对密度为2.740，吸水率为0.730%，毛体积相对密度为2.700。沥青混合料所用沥青、粗集料、细集料及矿粉均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTC F40－2004）［14］技术要求。

AC－20沥青混凝土选用4种级配（AC－20C、AC－20级配中值、AC－20级配上限及AC－20下限），以对比研究沥青铺装材料不同级配对层间抗剪强度的影响（见表1）。其中AC－20C最佳沥青用量为4.1%，毛体积密度为2.465g／cm3，空隙率为4.1%，矿料间隙率为12.1%，流值为0.25mm。60℃的动稳定度为4 197次／mm，冻融劈裂残留强度比为87%，浸水马歇尔试验的残留稳定度为91%，－10℃的低温弯曲试验的极限应变为3 098×10－6，均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTC F40－2004）［14］技术要求。采用沥青膜厚度［15］确定AC－20级配上限、下限及中值的最佳油石比。

1.2 水泥混凝土板的制作及表面处理

水泥混凝土配合比设计为水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.45∶1.43∶2.66，制作成305mm×400mm×40mm的水泥混凝土板。养生24h后，进行水泥混凝土板表面处理。实际工程中，为提高水泥混凝土板与沥青铺装层之间的粘结强度，在撒布层间粘结材料前，先对水泥混凝土板面进行拉毛、凿毛、刻槽、铣刨、抛丸及露石等方式处理。由于室内试验设备所限，作者采用人工凿毛模拟现场水泥混凝土表面处理方式。凿毛间距分别为3.0，3.5和4.0cm，凿毛深度范围为1～5mm。用铺沙法测定3种凿毛间距的平均构造深度分别为0.44，0.42和0.40mm。凿毛养生28d后，喷洒SBS改性沥青涂料，撒布量为1.4kg／m2［12］，并按设计撒布量撒布未预拌的单一粒径碎石。

表1 试验用的沥青混合料级配Table 1 Asphalt mixture gradation

1.3 复合式试件的制作

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20－2011）［15］中沥青混合料试件制作方法（轮碾法），采用欧标轮碾压实机CRT－RC2S碾压试件，制作尺寸为305mm×400mm×90mm复合车辙板（2层），其中，水泥混凝土板厚40mm，沥青混凝土厚50mm。将其切割成80mm×80mm×90mm的块状试件，其中，车辙板边缘的20mm部分不得使用。对2个相同试件的水泥混凝土底面用水泥砂浆粘结，形成80mm×80mm×190mm左、右对称的长条形试件，然后养生一周。

1.4 直剪试验方式

本研究直接剪切试验通过自行设计制作的剪切试验仪进行。利用材料试验系统（Material Test System 810，简称为MTS），实现环境温度、剪切加载及变形的模拟和记录。

MTS沿着复合式试件的对称面竖向加载，提供对称的剪切推力。另外，利用设计的加载装置进行水平加压，实现正压力加载。在控制的环境温度下，进行带正压力的对称直接剪切试验。加载速率取10mm／min。

2 正交试验设计

影响水泥混凝土板沥青铺装层层间抗剪强度的因素很多，本研究分析沥青铺装层集料、同步碎石及水泥混凝土表面构造形态三者之间机械嵌锁能力对层间抗剪强度的影响，即考察沥青铺装层材料级配、同步碎石粒径和撒布量及水泥混凝土板表面处理4个因素对层间抗剪强度影响的大小顺序和显著性。4个因素中，沥青铺装层材料不考虑混合料公称粒径的差异，在同样的AC－20规范级配范围内，考虑AC－20C、AC－20中值、AC－20上限及AC－20下限等4种级配的影响，即4个水平；同步碎石常用的单一粒径有4.75～9.5mm和9.5～13.2mm［16］2种规格，即2个水平；碎石撒布量工程上规定8kg／m2，其表面覆盖率为60%～70%［16］，此处选择7，8及9kg／m2［11］3个水平；水泥混凝土板表面处理为凿毛，考虑凿毛间距分别为3.0，3.5及4.0cm 3个水平。在试验温度50℃、施加正压力0.7MPa时，不考虑各因素间的交互作用，列出混合正交试验表L12（41×32×21）。考虑不同组次试验时，每次试验取3个水平，试验结果取其算术平均值，其结果见表2。

3 试验结果分析

3.1 层间剪切机理分析

在试验温度50℃、正压力0.7MPa及剪切速率10mm／min时，典型的层间剪应力与位移曲线关系如图1所示。

从图1中可以看出，水泥混凝土板沥青铺装层间剪切破坏的发展经历了3个阶段：

第一个阶段，MTS施加的竖向层间剪应力克服了层间的粘结力和沥青铺装层集料、同步碎石与水泥混凝土板表面之间的机械咬合力，从零逐渐增大到最大值。随着竖向层间剪应力的增大，SBS改性沥青粘结作用增强，沥青铺装层集料连带同步碎石与凹凸不平的水泥混凝土板表面之间产生的机械咬合力逐渐发挥作用，表现为线性过程。随着竖向层间剪应力继续增大，同步碎石与SBS沥青粘结层之间逐渐脱粘，沥青铺装层集料连带同步碎石与凹凸不平的水泥混凝土板表面之间产生相对滑移，表现为非线性过程。此时，层间剪应力主要克服滑动界面上的机械咬合力和未发生相对滑动界面上的粘结力。当咬合力和粘结力到达最大时，试件产生层间剪切破坏。该阶段表现为试件从层间开始产生相对位移，至位移发展的过程。

表2 层间抗剪强度正交试验及其结果Table 2 The test results and orthogonal test of the shearstrength between layers

图1 典型层间剪应力与位移的关系曲线Fig.1 The typical shearing stress versus the displacement

第二个阶段，竖向层间剪应力急剧下降。其原因是：当剪应力达到峰值后，水泥混凝土板与沥青铺装层发生相对滑移，层间界面的粘结力和机械咬合力也随之消失。此时，水泥混凝土板与沥青铺装层层间结合力来自于界面间相对滑移而产生的摩擦力，表现为复合试件层间达到最大竖向剪应力后发生破坏性失稳性，竖向位移增加但竖向剪应力却不断减小，最终降低到剩余强度。

第三个阶段，竖向剪应力克服水泥混凝土板与沥青铺装层相对位移产生的滑动摩擦力，位移的增加对竖向剪应力的大小影响很小，层间只存在竖向运动，相互作用力逐渐趋向于零。

从剪应力－位移图发展过程可知，复合试件在发生剪切破坏的过程中，层间粘结力、水泥混凝土板表面与沥青铺装层集料的机械咬合力和摩擦力依次发挥作用。复合试件层间界面尚未发生相对滑移前，层间粘结力起主导作用；层间界面开始发生滑移但未到达剪切破坏前，机械咬合力起主导作用；位移继续增加至层间发生剪切破坏后，摩擦力起主导作用。层间发生剪切破坏前，剪应力与位移的关系曲线发展缓慢，两者由线性关系发展至非线性关系。当剪应力达到层间剪切破坏时，与之相随的是层间界面产生了明显的大滑移。

3.2 正交试验数据分析

将试验结果按照正交试验法进行直观分析，比较4个因素对层间抗剪强度的影响大小。该法具有简单、直观和计算量小等优点。设为任意列上水平i时所对应试验结果的平均值；R为其中i，j为对应列上的水平号。正交试验结果见表3。

以各因素水平作为横坐标，以层间抗剪强度试验指标的平均值作为纵坐标，作出各因素与抗剪强度指标的关系曲线如图2所示。

表3 层间抗剪强度正交试验结果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test of the shearstrength between layers

图2 因素与指标的趋势Fig.2 The trend of factors and index

从表3和图2中可以看出：

1）在所考虑的因素水平范围内，对于水泥混凝土板沥青铺装层层间抗剪强度，各个因素由大到小的影响顺序为：板表面处理D、铺装层级配A、碎石撒布量B和碎石粒径C。即水泥混凝土板表面处理对层间抗剪强度的影响最大，而同步碎石粒径对层间抗剪强度的影响最小。

2）AC－20级配上限对层间抗剪强度的影响比其他3种级配的都大，是4种级配中集料偏细最多的。16.0mm以下的集料较多，易与9.5mm左右的同步碎石形成更紧密的相互嵌挤咬合，从而提高层间抗剪强度。

3）碎石撒布量8kg／m2、碎石粒径9.5～13.2mm时的层间抗剪强度较碎石撒布量分别为7kg／m2和9kg／m2、碎石粒径4.75～9.5mm的高。碎石撒布量过多（如：9kg／m2）或过少（如：7kg／m2）均会降低层间抗剪强度。粒径9.5～13.2mm的碎石与AC－20沥青铺装层和水泥混凝土板间的嵌挤作用更加明显。凿毛间距为4.0cm时与沥青撒布量1.4kg／m2匹配良好。

4）因素A铺装层级配较好水平为A3级配AC－20上限，因素B碎石撒布量较好水平为B2撒布量8kg／m2，因素C碎石粒径较好水平为C2粒径9.5～13.2mm，因素D板表面处理较好水平为D1凿毛间距4.0cm，最优组合为A3B2C2D1。

4 结论

通过复合试件的直接剪切试验，设计正交试验对比分析了不同因素对复合试件层间剪切强度的影响大小。试验结果表明：

1）水泥混凝土板沥青铺装层间剪切破坏的发展经历了3个阶段。在这3个阶段中，层间粘结力、水泥混凝土板表面与沥青铺装层集料的机械咬合力和摩擦力依次发挥作用。

2）对于水泥混凝土板沥青铺装层层间抗剪强度，各个因素由大到小的影响顺序为：界面处理D、沥青铺装层级配A、碎石撒布量B和碎石粒径C。

3）界面处理并不是越粗糙越好，界面粗糙度应当与相应的最佳沥青撒布量相匹配，才能取得较高的层间剪切强度。较小粒径或较多细集料的连续密集配铺装层能与同步碎石、水泥板间形成更紧密的层间接触状态。当铺装层级配为级配AC－20上限、碎石撒布量为撒布量8kg／m2、碎石粒径为粒径9.5～13.2mm及界面处理为凿毛间距4.0cm时，层间粘结强度最高。

（References）：

［1］中交公路规划设计院.JTG D50－2006，公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.（Highway Planning and Design Institute.JTG D50－2006，Specifications for the design of highway asphalt pavement［S］.Beijing：China Communications Press，2006.（in Chinese））

［2］袁玉卿，王选仓.旧水泥路面沥青加铺层间水稳定性分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2013，37（2）：266－269.（YUAN Yu－qing，WANG Xuan－cang.Analysis on the water stability of interlaminar between old cement pavement and asphalt overlay［J］.Journal of Wuhan University of Technology：Transportation Science ＆Engineering，2013，37（2）：266－269.（in Chinese））

［3］李正中，宋晓燕，肖庆一，等.橡胶沥青防水粘结层层间抗剪性能试验分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2012，36（6）：1212－1216.（LI Zhengzhong，SONG Xiao－yan，XIAO Qing－yi，et al.Test analysis on the shear performance of waterproofing and bonding layer for asphalt rubber［J］.Journal of Wuhan University of Technology：Transportation Science ＆Engineering，2012，36（6）：1212－1216.（in Chinese））

［4］汪水银.半刚性基层与沥青面层粘结性能影响因素［J］.交通运输工程学报，2010，10（2）：12－19.（WANG Shui－yin.Influence factors of bond performance between asphalt surface layer and semi rigid base［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2010，10（2）：12－19.（in Chinese））

［5］贾锦绣.沥青路面与桥面铺装抗剪特性研究［D］.西安：长安大学，2011.（JIA Jin－xiu.Research on shearing resistance of asphalt pavement and bridge deck pavement［D］.Xi’an：Chang’an University，2011.（in Chinese））

［6］李海池.混凝土桥面防水粘结材料性能研究［D］.西安：长安大学，2011.（LI Hai－chi.Study on the performance of water－proof binder materials of concrete bridge deck pavement［D］.Xi’an：Chang’an University，2011.（in Chinese））

［7］张娟.水泥混凝土桥面防水粘结层剪切性能研究［J］.公路交通科技，2011，28（10）：29－34.（ZHANG Juan.Shear performance of waterproofing and bonding layers for the concrete bridge deck［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（10）：29－34.（in Chinese））

［8］顾兴宇，王文达.水泥混凝土桥面粘结层抗剪性能要求及简化计算［J］.交通运输工程学报，2010，10（2）：20－25.（GU Xing－yu，WANG Wen－da.Shear property demands of binding layers on the concrete bridge pavement and simplified calculation［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2010，10（2）：20－25.（in Chinese））

［9］王亚玲，周玉利，姚爱玲，等.沥青混凝土桥面铺装结构层间剪切与拉拔试验［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（6）：15－18.（WANG Ya－ling，ZHOU Yu－li，YAO Ai－ling，et al.Test of shear and pull off between the asphalt and the concrete on the bridge deck pavement structure［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2009，29（6）：15－18.（in Chinese））

［10］徐鸥明，韩森，于静涛.层间界面对混凝土桥面铺装结构性能的影响［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（5）：17－20，53.（XU Ou－ming，HAN Sen，YU Jing－tao.Effect of the interlayer interface on the structural performance of concrete bridge deck pavement［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2009，29（5）：17－20，53.（in Chinese））

［11］曾蔚.同步碎石桥面铺装粘结层层间应力分析与应用研究［D］.西安：长安大学，2008.（ZENG Wei.Application study and storey stress analysis on the synchronous crushed stone bonding layer for bridge deck pavement［D］.Xi’an：Chang’an University，2008.（in Chinese））

［12］王毅.长大纵坡水泥混凝土桥桥面铺装防水粘结层研究［D］.西安：长安大学，2008.（WANG Yi.Research on the waterproof and cohesive layer of asphalt concrete pavement for concrete bridge deck of large longitudinal slope［D］.Xi’an：Chang’an University，2008.（in Chinese））

［13］王涓.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究［D］.南京：东南大学，2004.（WANG Juan.Research on the waterproof and cohesive layer of concrete bridge deck asphalt pavement［D］.Nanjing：Southeast University，2004.（in Chinese））

［14］交通部公路科学研究所.JTG F40－2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.（Ministry of Communications of Highway Research Institute.JTG F40－2004，Technical specification for construction of highway asphalt pavement［S］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））

［15］交通运输部公路科学研究院.JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.（Research Institute of Highway Ministry of Transport.JTG E20－2011，Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.Beijing：China Communications Press，2011.（in Chinese））

［16］杨育生，李振霞，王选仓，等.桥面铺装同步碎石防水粘结层的路用性能［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（6）：19－23，58.（YANG Yu－sheng，LI Zhen－xia，WANG Xuan－cang，et al.Road performance of synchronous crushed stone waterproof binding course of the bridge pavement［J］.Journal of Chang'an University：Natural Science Edition，2009，29（6）：19－23，58.（in Chinese））