新旧沥青路面拼接方案室内试验研究

张利东，张羽彤，郑炳锋，朱富万，*

(1. 吉林省高等级公路建设局，长春 130033; 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

随着我国经济的快速发展，一大批高速公路已经或即将进入改扩建阶段。目前常用的扩建方案为双侧拓宽至八车道[1-2]，而采用何种拼接技术，如何确保新老路面拼接的质量，如何确保新建车道与旧车道之间衔接成一个整体，是改扩建工程中的一大难点。目前国内已完工的高速公路改扩建工程，多采用台阶开挖与涂刷界面材料的拼接工艺，如沪宁高速、西宝高速、安新高速等[3-6]，常用的基层拼接材料主要为水泥净浆，优点是造价低，但其拼接强度及耐久性存在不足；而面层拼接材料主要为沥青基材料，采用较多的为乳化沥青，施工操作便捷。

为了保证拼接结构的使用品质，本文对目前常用的新旧基层、面层拼接方案进行比选研究，提出适用于高速公路改扩建工程的沥青路面面层与基层拼接界面处治方案。

1 新旧路面基层拼接方案研究

本文采用的材料参数：

(1) 水泥为PO42.5，经3 mm标准筛筛除块状结团。

(2) 乳化沥青为普通乳化改性沥青。

(3) 界面剂采用上海某公司生产的混凝土界面处理剂。其中，混凝土界面处理剂为双组份水性高分子环氧乳液，由A、B两种组分构成。

1.1 拉拔强度研究

(1) 试验方案

先从中部将水稳试件切割为2个半体，针对切割的半体水稳试件，对切割面采用5种处理方式，分别为：

界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶4；

界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶6；

界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶8；

水泥净浆(水泥净浆的水灰比采用0.6)；

乳化沥青∶水泥=2∶1。

5种处理方式下的涂层厚度均约 2～3 mm，将试件在25℃室温条件下养生4天，待表面处理剂凝固，分别用高性能结构AB胶将拉拔试验所用拉拔扣粘结于表面。每个半体试件粘5个拉拔扣，拉拔扣直径为20 mm，其后在25℃室温条件下继续养生1天，待AB胶强度形成时，进行拉拔试验。

(2) 试验结果分析

各组试验具体测试结果如图1所示。

图1 不同界面处理情况下的拉拔强度

从拉拔试验结果图1中可以看出，界面处理采用界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶6时的拉拔强度最高，达到2.40 MPa，同时具有较低的变异系数，采用水泥净浆的拉拔强度最低，仅为0.48 MPa。

1.2 劈裂强度研究

1.2.1 试验方案

试验步骤：

(1) 在模具中成型60 cm×60 cm×15 cm的水稳板，分两层进行击实，第一层约9 cm，第二层约6 cm，标准温度25℃条件下湿养，龄期14天。

(2) 待强度形成之后，沿直线将水稳板切割为4部分，取其二放入模具两侧。

(3) 在中间空区拌制新水泥稳定石料并进行新老水稳板复合分层振动成型，接缝处分别采用界面剂组分A、B与水泥质量比为1∶3∶6，以及乳化沥青:水泥=2∶1共两种界面处理剂进行处理，界面剂的涂刷量如表1所示。

表1 复合水稳界面处理剂量统计表

(4) 待复合板体成型后，在标准温度25℃条件下湿养，龄期28天，强度形成后按照图2所示进行钻芯取样，芯样直径15 cm。

图2 水稳板体取芯方案

1.2.2 劈裂试验

为了研究水泥稳定碎石基层接缝处的抗拉强度和抗疲劳性能，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》劈裂强度试验方法(T0806—94)，测试仪器为多功能路面材料强度试验仪，测试压条的宽度采用18.75 mm，弧面半径为75 mm，温度20℃，加载速度0.5 kN/s，压力施加方向平行于试件接缝。

试件分为4种，即界面剂A∶B∶水泥=1∶3∶6的3个涂刷量，还有乳化沥青∶水泥=2∶1等，每种试件各3个，进行劈裂试验，按规程计算劈裂强度、平均值、变异系数，试验结果如表2所示。

从表2可以看出，D方案的劈裂强度值最高，达0.848 MPa，而C方案的劈裂强度变异系数最小，为4.81%，此外采用界面剂的3种方案劈裂强度均高于采用乳化沥青拼接方案。

表2 复合水稳劈裂强度结果

1.2.3 冻融劈裂试验

在水泥稳定碎石的设计过程中，一般是不要求进行冻融劈裂试验的，为防止界面处存在的孔隙导致路面使用过程中的水损害、界面的开裂，本研究提出采用冻融劈裂试验评价水泥稳定碎石的界面强度。试验过程为将芯样在25℃恒温水槽中浸泡2 h，然后在0.09 MPa压力下浸水抽真空15 min，再放到-18℃冰箱中放置16 h，取出试件立即放入60℃的恒温水槽中保持24 h，接着再放入25℃的恒温水槽中浸泡2 h后测其劈裂强度。

试件的制作同劈裂强度试验一样，按照预定方案进行冻融后劈裂试验，并计算劈裂强度、平均值、TSR。从表3可以看出，方案D的冻融劈裂强度比最大，方案C次之。

表3 复合水稳冻融循环后劈裂强度结果一览表

1.3 基层拼接方案比选

综合以上研究结果，从以下3个方面对A、B、C、D方案进行综合比选。

(1) 芯样表观情况

从芯样表面情况来看，4种方案的芯样均存在孔洞，侧壁光滑，芯样完整无松散现象，接缝处密实，无气泡、空隙，粘结效果良好。方案A处理的芯样在冻融过程中，接缝表面会渗出小颗粒状沥青，表明乳化沥青中的沥青质渗出，可能会影响到接缝的粘结和强度。

(2) 劈裂、冻融劈裂试验破坏形态

图3界面处理剂为乳化沥青水泥浆，图4界面处理剂为302砼界面剂。对比后可以发现，二者达到破坏极限时的受力情况不一样，用乳化沥青水泥浆处理的试件破坏时，是由劈裂压力产生的间接拉应力超过界面剂的抗拉极限强度而发生界面剂的“脆断”；而用砼界面剂处理过的试件破坏，是由劈裂压力产生的间接拉应力超过水稳碎石与界面剂整体的抗拉极限强度而发生材料的“屈服断裂”，界面剂和水稳材料有效地融合为一个整体，达到了协同受力的目的。

图3 乳化沥青水泥浆

图4 302砼界面剂

(3) 劈裂、冻融劈裂试验

无论是从劈裂强度试验结果，还是从冻融后劈裂强度比、劈裂强度损失值来看，方案D均是效果最好的处理方案，方案C次之。分析劈裂试验的变异系数，方案D变异系数为8.05%，方案B变异系数高达11.74%。相比之下，方案C的强度虽相对较低，约为方案D的74%，但变异系数很小，约为4.81%，保证了拼接强度和拼接施工质量。

(4) 比选结果

综上所述，本研究推荐新旧基层拼接采用方案C，即砼界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶6，涂刷量采用4～6 kg/m2，涂刷层厚约2.4 mm。

2 新旧沥青面层拼接方案研究

新旧沥青面层拼接界面处治方案初选改性乳化沥青、SBS改性沥青、水性环氧沥青，首先通过复合马歇尔试件劈裂强度选择界面剂。改性乳化沥青、SBS改性沥青、水性环氧沥青的复合马歇尔试件劈裂强度对比如图5所示。

图5 复合马歇尔试件劈裂试验

水性环氧沥青处治的复合马歇尔试件劈裂强度最高，为0.91 MPa。此外，水性环氧沥青施工过程中无需加热，因此，选用水性环氧沥青作为新、旧沥青面层拼接界面处治方案。

考虑到水性环氧沥青容易流淌，掺加一定量的矿粉，根据试拌，选择水性环氧沥青与矿粉质量分别为1∶1.1、1∶1.3、1∶1.5，复合马歇尔试件劈裂强度对比，如图6所示。

图6 水性环氧沥青处治的复合马歇尔试件劈裂试验

根据复合马歇尔试件劈裂强度试验结果，水性环氧沥青与矿粉质量比例为1∶1.1。为了验证上述比例，进行复合马歇尔试件冻融劈裂、浸水马歇尔试验。试验结果如表4、表5所示。从试验结果可以看出，水性环氧沥青与矿粉质量比例为1∶1.1的拼接方案TSR为60.5%， MS0为88.2%，明显优于其余两种方案，表明采用水性环氧沥青与矿粉质量比例为1∶1.1进行新、旧沥青面层拼接界面处治具有一定的抗水损害性能，因此，本研究推荐新旧面层拼接方案为水性环氧沥青与矿粉质量比例为 1∶1.1。

3 结论

本文通过开展高速公路改扩建工程新旧路面基层与面层拼接方案室内试验研究，通过拉拔强度、劈裂强度试验对拼接材料的配方、用量进行比选，得出以下主要结论，推荐方案有待试验路数据进一步检验。

表4 冻融劈裂试验结果

表5 浸水马歇尔试验结果

(1) 通过对比3种基层拼接方案，推荐采用砼界面剂拼接方案，能够提供最优的抗拉拔强度。

(2) 通过成型基层复合板试件，采用劈裂试验与冻融劈裂试验评价基层拼接材料的劈裂强度，综合拉拔强度、劈裂强度及破坏形态，推荐新旧基层拼接采用方案C，即砼界面剂组分A∶B∶水泥=1∶3∶6，涂刷量采用4～6 kg/m2，涂刷层厚约2.4 mm。

(3) 通过成型沥青混合料复合试件，采用劈裂试验对新旧沥青面层的拼接材料进行研究，推荐新旧面层拼接方案为水性环氧沥青与矿粉质量比例为1∶1.1，该方案劈裂强度可达1.07 MPa，并且具有良好的抗水损害性能。