工艺、材料及结构厚度对路面层间黏结性的影响

陈 豫，陈浙江，石德景，李寿伟，罗金泉，蒋应军

(1.婺城区公路管理段，浙江 金华 321000； 2.金华市公路管理局，浙江 金华 321000；3.武义县公路管理段，浙江 金华 321000； 4.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

中国高等级公路典型沥青路面结构为表面层4 cm AC-13+中面层6 cmAC-20+下面层8～12 cm AC-25或ATB-25或ATB-30，干线公路典型结构为表面层4 cmAC-13+下面层6 cmAC-20或者上面层5 cmAC-13+下面层7 cmAC-20，且设计时沥青路面采用层间完全连续假设[1]。但是，受传统摊铺技术限制，施工普遍采用分层摊铺和逐层压实，两结构层间通常不是连续施工，而是“冷+热”施工，层间无法形成粗集料嵌锁联结；为了减少离析，便于压实，传统摊铺技术的沥青面层压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2～3倍[2]；同时，受工期限制，路基、绿化、通信等工程交叉施工会造成已铺中面层或下面层污染等，这些问题严重影响沥青各结构层层间结合效果[3]。层间黏结不足会影响路面结构的稳定性和耐久性，导致路面层间发生剪切滑移破坏[4-5]。尽管工程实践中会采取洒黏层油技术措施，但两结构层间难以形成真正意义上完全连续接触状态，严重影响路面设计可靠性、路面耐久性以及工程造价[6]。沥青路面双层一体摊铺技术是将两层沥青结构层一次摊铺碾压完成的新型施工技术[7]。双层摊铺技术采用“热+热”施工工艺，两层之间粗集料可以形成相互嵌锁联结，同时可避免沥青面层压实厚度与集料公称最大粒径之间3倍原则的限制[8-9]。长安大学石福周等对双层摊铺机的构造进行了介绍，分析了双层摊铺技术的机械配置、施工组织方法与质量控制方法[10]；重庆交通大学梁乃兴研究了双层摊铺沥青混合料的施工控制过程，探讨摊铺速度与卸料时间的关系、摊铺速度与料仓体积的关系、摊铺速度与输料量的关系[11]；广州市政邱丽鹏认为双层沥青摊铺设备及工艺可以提高抗车辙能力和层间黏结力，可以不使用黏层油，节约材料成本[12]。已有相关研究是在现有典型路面结构层厚度与混合料类型的基础上，对双层摊铺设备及施工技术、评价其层间摊铺过程中的沥青温度散失、压实特性、双层一次摊铺路面使用性能等方面进行研究，对结构层厚度和混合料类型对双层一次摊铺路面层间黏结性能影响的研究相对较少。因此，本文以路面结构总厚度是10 cm的双层路面结构为研究对象，研究不同厚度和混合料类型组合对双层一次摊铺路面层间黏结性能的影响规律。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)沥青。上、下面层均采用新加坡Esso A-70号道路石油沥青，其技术指标见表1。

(2)粗集料。上面层粗集料采用商洛市商州区兴达采石场生产的斜长角闪岩集料，其技术指标见表2。

下面层粗集料采用洛南县正泰矿业有限公司生产的集料，其技术指标见表3。

表2 上面层粗集料技术指标

(3)细集料。上、下面层细集料均采用洛南县正泰矿业有限公司生产的石灰岩碎石并自行加工，其技术指标见表4。

(4)矿粉。采用洛南县正泰矿业有限公司加工生产的石灰岩矿粉，其技术指标见表5。

(5)黏层油。黏层采用SBS(I-C)改性沥青，其技术要求见表6。

表3 下面层粗集料技术指标

表4 细集料技术指标

表5 矿粉技术指标

1.2 试验方案

(1)混合料类型。研究混合料类型对双层路面层间黏结性能的影响，上面层拟采用AC-13或AC-16，下面层拟采用AC-20或AC-25。各类型混合料矿料级配见表7。各类型混合料最佳油石比下的马歇尔试验结果见表8。

表6 SBS(I-C)改性沥青技术指标

(2)结构层厚度。研究路面结构层厚度对双层路面层间黏结性能的影响，双层路面结构总厚度为10 cm，结构层厚度拟采用上面层3 cm+下面层7 cm、上面层4 cm+下面层6 cm、上面层5 cm+下面层5 cm三种组合类型。

(3)施工工艺。研究双层路面结构分层摊铺碾压工艺(传统摊铺)和双层路面结构一次摊铺碾压工艺(双层摊铺)对路面层间黏结性能的影响。

表7 不同混合料级配

表8 最佳油石比下的马歇尔试验结果

传统摊铺剪切试件尺寸为直径152.4 mm、高100 mm，结构层厚度拟采用上面层3 cm+下面层7 cm、上面层4 cm+下面层6 cm、上面层5 cm+下面层5 cm。制备工艺如下。

(1)第1步，剪切试件下层制作。根据试件下层混合料密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合下面层混合料，装入直径为152.4 mm和高为115 mm的马歇尔试模并充分捣实，然后用马歇尔击实仪双面击实下面层混合料，直至试件下层厚度达到预定高度后停止击实，剪切试件制作完成。

(2)第2步，黏层油撒布。将下面层混合料试件冷却至少24 h后洒布0.45 kg·m-2的黏层油，养生至少2 h。

(3)第3步，剪切试件上层制作。根据试件上层混合料密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合上面层混合料，放入已装有下面层混合料的马歇尔试模并充分捣实，然后用马歇尔击实仪双面击实上、下面层混合料，当击实上、下面层总厚度达到10 cm后停止击实，剪切试件制作完成。

双层摊铺剪切试件尺寸为直径152.4 mm、高100 mm，结构层厚度拟采用上面层3 cm+下面层7 cm、上面层4 cm+下面层6 cm、上面层5 cm+下面层5 cm。制备工艺如下。

(1)第1步，下层摊铺。根据下层试件密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合下面层混合料，装入直径为152.4 mm和高为115 mm的马歇尔试模并充分捣实，进行人工初平初压后放入175 ℃烘箱中保温。

(2)第2步，上层摊铺。根据上层试件密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合上面层混合料，取出烘箱中装有下面层混合料的马歇尔试模，再装入拌合好的上面层混合料并充分捣实，再用马歇尔击实仪双面击实上、下面层混合料，当击实上、下面层总厚度达到10 cm后停止击实，双层摊铺剪切试件制作完成。

1.3 层间剪切试验方法

采用路面材料剪切仪在室内条件下进行层间剪切试验，剪切速率为10 mm·min-1。试验开始后向剪切试件层间黏结位置逐级施加水平剪力T，直到达到最大剪力发生剪切破坏。层间剪切试验通常持续到较大的相对剪切位移为止，层间抗剪强度

式中：τ为试件的层间抗剪强度(MPa)；Tmax为试件发生剪切破坏时的最大水平剪力(kN)；A为试件的横断面面积(mm2)。

2 试验结果及分析

不同摊铺工艺、路面结构厚度及混合料类型的剪切试件层间剪切试验结果，见表9。

由表9可知，传统摊铺工艺下的双层路面不同结构组合层间抗剪强度试验结果非常接近，变化范围在0.25～0.32 MPa。这是因为层间接触为“冷+热”的传统摊铺工艺，是要等下面层混合料已经充分冷却、硬结，并形成一定的强度后再铺筑上层混合料；此时上面层沥青混合料无法渗透到致密冷却的下面层，层间黏结强度主要由黏层油提供，骨料间的嵌挤作用较少，所以层间黏结作用比较弱[13-17]。考虑到不同混合料类型和结构层厚度对层间黏结强度的影响并不大，以及试验方法和操作误差的影响，在分析摊铺工艺对层间黏结性能的影响时以平均值0.28 MPa作为传统摊铺工艺的层间抗剪强度。

2.1 摊铺工艺的影响

摊铺工艺对双层沥青路面层间黏结性能的影响见图1，图中“16+25”和“3+7”一起表示双层路面结构为3 cm AC-16+7 cm AC-25，其他类比。图中双层摊铺为τs，传统摊铺为τc,τs/τc表示在混合料类型、结构层厚度一致的条件下，双层摊铺剪切试件和传统摊铺剪切试件层间抗剪强度之比，τs/τc比值越大，表示层间黏结性能越好。

由图1可知，在混合料类型、结构层厚度一致的条件下，双层摊铺工艺相比较传统摊铺工艺层间抗剪强度有显著提高，且当混合料类型为AC-16+AC-25和AC-16+AC-20组合时提升幅度最大。AC-16+AC-25的组合时，双层摊铺工艺相比较传统摊铺工艺层间抗剪强度可平均提高达80%以上，AC-16+AC-20的组合时，双层摊铺工艺相比较传统摊铺工艺层间抗剪强度可平均提高达50%以上。

表9 不同摊铺工艺、路面结构厚度及混合料类型的剪切试件层间剪切试验结果

图1 摊铺工艺对路面层间黏结性能的影响

这是因为层间接触为“热+热”的双层摊铺工艺是在高温条件下进行两层混合料的同时摊铺，两层混合料中沥青会产生一定黏结作用，并且在压实过程中两层沥青混合料的粒料之间能够相互嵌挤，相互融合，黏结更为紧密，从而使得层间形成相互嵌锁作用；并且双层摊铺工艺减少了层间处治工序，不但节约了黏层油的使用，还从根本上解决了沥青路面层间不连续性的问题，使路面结构层间黏结能力显著增强[18-20]。因此采用“热+热”接触的双层摊铺工艺能显著提高双层沥青路面的层间黏结性能。

2.2 混合料类型和结构层厚度的影响

由于传统摊铺路面层间黏结强度主要由黏层油提供，受混合料类型和结构层厚度的影响较少，因此重点研究混合料类型和结构层厚度对双层摊铺路面层间黏结性能的影响。混合料类型和结构层厚度对双层摊铺路面层间黏结性能的影响见表10。表中相对抗剪强度表示不同结构厚度、混合料类型组合的抗剪强度值与其中抗剪强度最小值之比。比值越大，表示层间黏结性能越好。

表10 结构层厚度、混合料类型对双层摊铺路面层间黏结性能的影响

由表10可知， 当结构层厚度为3 cm+7 cm的组合时，混合料类型为AC-16+AC-25的组合相比较AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪强度分别提高了22%、67%和43%；当结构层厚度为4 cm+6 cm的组合时，混合料类型为AC-16+AC-25的组合相比较AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪强度分别提高了18%、68%和44%；当结构层厚度为4 cm+6 cm的组合时，混合料类型为AC-16+AC-25的组合相比较AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪强度分别提高了18%、68%和38%。因此，当结构层厚度组合一定，混合料类型为AC-16+AC-25的组合相较AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25的抗剪强度分别可提高18%、68%和42%。这是因为双层沥青路面层间抗剪强度可以近似用库伦公式(τ=c+σtanφ)表示[21]。当混合料类型采用上面层AC-16或下面层AC-25时，其混合料集料粒径比起上面层AC-13或下面层AC-20要粗许多，所以混合料类型为AC-16+AC-25的组合容易在层间处形成较大的构造深度和层间的嵌挤。黏结力c和内摩阻角φ的增大使得层间摩阻力和抗剪强度进一步增大，从而显著提高了层间黏结性能[22-23]。

当混合料类型一定的条件下，结构层厚度为5 cm+5 cm的组合相比3 cm+7 cm、4 cm+6 cm抗剪强度均有一定的提高，但幅度不大，且抗剪强度随上面层结构层厚度增加而增加。其原因可能是5 cm+5 cm的组合相比较3 cm+7 cm、4 cm+6 cm组合，上面层厚度逐渐增加，随着上面层混合料的增加，混合料的自重对层间黏结位置产生了竖向压力，层间摩阻力和抗剪强度随着竖向正应力σ的增大而略有增大，使层间黏性性能得到一定的改善。

3 结 语

(1)研究了摊铺工艺对沥青路面层间黏结性能的影响。结果表明：双层摊铺工艺相比较传统摊铺工艺层间抗剪强度有显著的提高，且当混合料类型为AC-16+AC-25和AC-16+AC-20的组合时提升幅度最大。AC-16+AC-25的组合下，双层摊铺工艺相比较传统摊铺工艺层间抗剪强度可提高80%以上，AC-16+AC-20的组合可提高50%以上。“热+热”接触的双层摊铺工艺使得两层沥青混合料的粒料之间能够相互嵌挤，相互融合，黏结更为紧密，从而使得层间形成相互嵌锁作用，使路面结构层间黏结性能显著增强。

(2)研究了混合料类型对沥青路面层间黏结性能的影响。结果表明：混合料类型为AC-16+AC-25的组合相比较AC-16+AC-20、AC-13+AC-20和AC-13+AC-25抗剪强度分别提高了18%、68%和42%；AC-16+AC-25的组合容易在层间处形成较大的构造深度和层间的嵌挤，黏结力c和内摩阻角φ的增大使得层间摩阻力和抗剪强度进一步增大，从而显著提高了层间黏结性能。

(3)研究了结构层厚度对沥青路面层间黏结性能的影响。结果表明：结构层厚度为5 cm+5 cm的组合相比较3 cm+7 cm、4 cm+6 cm组合抗剪强度有一定的提高，但幅度不大，且抗剪强度随上面层结构厚度增加而增加；5 cm+5 cm的组合使得层间黏结位置产生了竖向压力，层间摩阻力和抗剪强度随着正应力σ的增大而略有增大，使得层间黏性性能得到一定的改善。

(4)通过对双层沥青路面层间黏结性能的室内试验研究发现，结构层厚度对层间抗剪强度影响不大，为了达到减少路面工程造价和提高路面层间黏结性能的目的，建议双层摊铺路面并采用上面层3 cm AC-16+下层面7 cm AC-25的路面结构形式。

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