沥青路面的层间黏结性能及其影响因素分析

黄光鹏

（广东恒州路桥建设有限公司,广东 韶关 512023）

沥青路面的层间黏结性能及其影响因素分析

黄光鹏

（广东恒州路桥建设有限公司,广东 韶关 512023）

分析了沥青路面的层间黏结性能产生机理,以及这种层间黏结对路面剪切和弯沉的抵抗效应。从黏层性能和上下沥青面层差异性两个方面深入分析了影响沥青面层层间黏结性能的主要因素,主要包含黏结材料、黏层污染程度、施工温度、层间级配差异、层间结构组成五个因素,最后提出了设计施工措施,使得沥青面层黏结良好形成整体受力和变形。

沥青路面；层间黏结性能；形成原理；影响因素；剪切推移

0 引言

沥青路面因其行车噪声低、振动小、不扬尘等诸多优势,使得其在高速公路和城市道路的建设中广泛采用。行车作用下,沥青路面不仅受到竖向力作用发生弯沉效应,还会受到车辆制动作用产生的水平力作用,产生剪切效应。由于我国交通运输业的大力发展,近年来交通量和荷载等级也在不断提高,这使得超载重载路段的道路路面损坏更为严重,而重车作用下产生的水平力则非常显著。如果沥青路面层混合料之间的层间黏性性能不足,则在外界剪切力作用下很容易发生推移、车辙和拥包等病害。这些病害的发生一方面对行车平稳和安全形成了隐患,同时影响了交通集散效果；另一方面为了延长道路的使用寿命,每年都需要花费较多的人力和物力进行路面层的修复、替换和养护。

实际上,多数研究表明我国大部分的沥青面层的病害问题与沥青面层的层间黏结性能不好高度相关[1-2],一直以来设计和施工人员在沥青层间黏结问题上均重视不足,甚至对于在沥青层间是否需要喷洒黏层油存在疑虑。然而,沥青面层层间黏结的性能直接影响到沥青面层是否能够作为连续体进行工作,是否具有足够的面层承载力。因而需要在原理层次掌握沥青路面的层间黏结性能,掌握沥青层间黏结的影响因素,从而在设计和施工中找到解决对策。论文首先分析面向剪切效应的沥青层间黏结性能形成机理,分析影响层间黏结的主要因素及其关系,最后提出在沥青路面设计和施工中可以采用的改善措施,增强沥青路面的纵向抗剪切效应。

1 沥青路面的层间黏结性能

沥青路面的基本层间结构可以由图1表示,在道路沥青铺装层设计中往往采用多层沥青混凝土进行施工,而层间通过一个黏层（黏结材料）进行连接。在车辆荷载作用下,沥青上面层直接承受竖向压力和水平摩擦力,这两个荷载都是通过轮胎和路面的接触面积进行传递,应力向下传递的过程就是检验沥青面层整体性的过程,对于具有软弱层的铺装路面,则会形成颗粒之间的错位,形成初始裂缝,影响上下层的黏结性能。当荷载传递到面层之间时,如果上下面层的黏结性能足够好,则黏性力大于剪切力,不会出现明显的面层之间的错动,也不会产生病害。如果上下面层黏结性能不好,不能共同作为整体进行受力,则上部荷载传递不到下面层,导致上面层受力过大,同时缺少下面层对上面层的嵌固约束效应,导致出现上下面层错动,呈现出来的病害性态就是上部面层鼓动、推移和车辙等病害。

图1 沥青面层构造示意图

通过上述分析,在水平荷载作用下（例如车辆制动力）,沥青面层的黏结性能好坏直接影响到沥青路面的工作性能。此外,在竖向荷载作用下,沥青面层呈现弯沉效应,而如果沥青面层之间黏结性能不好,其抗弯能力相当于两个独立的上下面层,这显然要远低于作为整体面层的抗弯性能,因此面层的黏结性能同时也影响到竖向荷载作用下的沥青路面受力性能。这也是层间黏结性能差不仅会引起剪切裂缝,还会引起弯沉裂缝的原因。因而,保证沥青上下面层的黏结性能具有上下层结合协同受力的作用意义。

2 黏结性能影响因素分析

通过对沥青面层黏结机理与受力模式的关联性分析,可以得到如下结论[3-4]:黏层性能和上下沥青面层差异性是决定上下面层能够协同受力变形的影响因素,具体而言,黏结材料、黏层污染程度、施工温度影响了黏层性能,而层间级配差异、层间结构组成则影响上下沥青面层差异性,以下针对上述五个因素进行详细分析。

2.1 黏结材料

沥青面层黏结性能主要来源于黏结材料本身,因此其物理特性对于黏结好坏起到了关键性的影响。目前,基质沥青、SBR乳化沥青和SBS改性沥青等都能提供黏结能力。这几种黏结材料的抗剪切性能也得到试验测试,相关试验结果见表1,研究发现在相同试验温度和洒布数量的情况下,黏结材料不同其抗剪强度差别很大,直接利用基质沥青可以获得一定的黏结效果,但抗剪强度不足以抵抗外界荷载作用。选用SBS改性沥青的黏结性能要好于SBR改性沥青。

表1 不同黏结材料的抗剪切性能比较

除了选择黏结材料类型外,黏结剂的含量对于沥青上下面层的黏结性能也是影响很大,用量太少无法达到层间黏结效果,用量过多则会形成富油层而降低上下面层的连接性能,不仅不能起到黏结效果,还会加快病害的发生,因此存在最佳黏结性用量。图2是以SBR乳化沥青为黏结材料,在不同含量下的层间剪应力测试结果下,可以看到在含量0.74 kg/m2时抗剪强度达到最大,这就是最适宜的沥青含量。在保证成本的情况下,设计中可以选择乳化沥青含量在0.50～0.74 kg/m2。

图2 不同含量乳化沥青下的剪切强度

2.2 黏层污染程度

考虑到在实际的沥青路面施工过程中,在铺洒黏结剂到铺设上部面层沥青时存在间歇时间,而间歇时间内各种现场机械的走动以及环境影响会使得黏结面层受到尘土污染。在尘土污染的情况下会降低黏层的黏结效果,使得其抗剪性能降低。以用量0.74 kg/m2的乳化沥青做试验,在污染物为0 g/m2、100 g/m2、200 g/m2、400g/m2的情况下沥青层间变形和剪应力比较见表2,显然污染物含量越多其剪应力越低,污染物高于200 g/m2时层间抗剪性能将不足,因此需要进行污染物的控制。

表2 不同污染物含量下的沥青层间剪应力

2.3 施工温度

沥青的黏结性在不同温度下具有不同的物理状态,因此其黏结性能也差别显著,因此影响面层的抗剪性能。以用量为0.74 kg/m2的乳化沥青为试验,分别在常温25℃、40℃和60℃的环境下进行抗剪性能测试,结果显示:25℃下的剪应力在0.812 MPa左右,而40℃下的抗剪强度直接降到0.223 MPa,仅仅占有常温下的27.46%；60℃的抗剪强度则是 0.106 MPa,是常温 25℃结果的13.05%。说明沥青面层的抗剪性能与施工温度非常敏感,尽量在温度较低的情况下进行施工,慎重不选择高温环境下施工。

2.4 层间级配差异

沥青不同其面层的功能也不同,为了达到设计的受力状态,不同的面层其颗粒级配和密实度、孔隙率等都会不同,这使得层间级配差异较大,而这种差异则使得上下层的黏结成整体的难度越大。显然,层间级配差异越显著,同等条件下黏结性能会越低,抗剪效果较差。因此,设计中在尽可能的条件下,需要保持上下层间的级配差异不至于过大。

2.5 层间结构组成

沥青面层除了层间级配的差异,还可能有面层厚度差异、构成材料差异等,这种差异也会对上下面层的黏结性能形成一定的影响。相关试验表明:上下层分别采用AC-13和AC-20混合料,厚度5 cm+5 cm的抗剪强度为0.579 MPa,厚度4 cm+ 6 cm的抗剪强度为0.758 MPa,而厚度3 cm+7 cm的抗剪强度为0.693 MPa。说明上下面层厚度存在较优组合,且与上下面层混合料类型相关。

3 设计施工措施

通过对沥青面层黏结性能的影响因素分析,在设计和施工中采取措施,保障上下面层的整体黏结性能。

（1）黏层性能方面。首先,需要合理确定黏结材料的类型,基质沥青虽然能够提供粘黏结强度,但仍然不能满足抗剪需求,仍然需要其他沥青材料如乳化沥青和改性沥青来提高黏结强度,同时需要确定合理的沥青材料含量,通过设置最优沥青含量达到最佳黏结性能同时提高经济性。其次,高温下路面层间黏结性能会被大大削弱,因此在铺洒黏层沥青时需要进行适当的冷却,充分发挥其黏结能力,并且在黏层材料与面层粘成整体后再铺筑上一面层混合料。最后,施工中需要保证层间截面的清洁性,尽量做到铺洒时封闭交通,并清理上一面层材料,降低污染物的影响。

（2）层间差异性方面。上下面层的混合料级配应该保持一定的过渡性,出现过大的骨料差异将使得黏结变得困难。此外,层间结构方面,根据设计要求选择的上部面层应该能直接抵御车辆作用,下部面层能够实现受力平顺性；层间厚度上一般来说设计上层厚度略小于下层厚度,以保证下层具有足够的强度,使得层间黏结性良好。

4 结语

沥青路面的层间黏结性能不仅直接影响面层的抗剪切效应,还影响路面的弯沉效应,因此需要保障路面面层间的黏结性能。论文通过分析沥青路面层间黏结机理和特点,详细分析了影响层间黏结性能的因素,通过对这些因素的定量分析,提出设计和施工中采取的应对措施和方法。

[1]陈俊彦.沥青路面层间黏结性能影响因素及改善措施[J].山西交通科技,2014(5):28-30.

[2]孙强,胡腾飞,王光勇.沥青路面层间黏结性能试验研究[J].石油沥青,2015,29(3):46-50.

[3]苏新国,赫,鲁圣弟,等.沥青路面层间黏结效果影响因素[J].长安大学学报 (自然科学版),2013,33(3):21-26.

[4]何锐,武书华,管勤,等.沥青路面层间黏结性能影响因素试验研究[J].中外公路,2015,35(4):272-276.

U416.217

A

1009-7716（2017）07-0237-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.073

2017-03-13

黄光鹏（1979-）,男,湖南邵东人,建筑工程师、一级建造师,从事市政路桥施工工作。