沥青路面橡胶沥青碎石下封层层间连接性能研究

贾欣悦，张敏江

(沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168)

0 引言

无机结合料稳定类基层沥青路面因其整体强度大、抗永久变形能力强、能适应重交通，已成为干线公路路面结构的主要形式，但由于无机结合料稳定材料基层和沥青混合料面层的材料类型差异性较大，变形协调能力差，造成层间连接性能差，导致在使用过程中发生层间滑移，以及过早出现路面疲劳开裂现象[1-2]。为了解决这个问题，目前人们多在沥青混合料面层与无机结合料稳定材料基层之间实施橡胶沥青碎石封层、乳化沥青碎石封层等下封层技术，以此加强层间连接。并开展了各类下封层材料性能、材料配合比方面的研究，同时利用室内剪切试验，研究了不同下封层材料的抗剪切性能，但现有的研究还不能明确地给出各种下封层技术在实际工程的应用效果。

为此，基于近年来辽宁省大修工程实施下封层技术的应用情况，选择典型路线开展实地调研，分析并提出了层间连接效果指数(Mcon)来比较橡胶沥青碎石封层与其它层间处治技术在加强层间连接方面的实际应用效果，开展室内层间直接剪切试验研究，比较不同下封层技术的层间连接性能，综合实地调研结果及室内试验结论明确橡胶沥青碎石封层相比于其它层间处治技术在提高层间连接性能方面的优势。

1 橡胶沥青碎石下封层及其它层间处治技术的层间连接性能调研及评价

1.1 实地调研路线的确定

为了使实地调研路线具有代表性，在全省范围不同的沥青路面使用性能分区内选择路线，最后选择10条乳化沥青碎石下封层，3条实施透层+粘层及5条实施橡胶沥青碎石下封层的大修路线进行重点调研。调研路线具体信息见表1。

表1 实地调研路线的基本信息

1.2 层间连接性能技术指标及分析

影响各种下封层技术的层间连接性能的因素众多，必须综合各种因素才能得到客观的结论。这些因素可以划分为四个方面：和层间连接性能相关的路面病害情况；调研路线已经作用的交通量大小；现场路面钻芯取样面层和基层的连接状况；调研路线路面结构情况。

(1)路面病害技术指标

研究表明，和层间连接性能相关的路面病害有疲劳开裂和推移，为此定义如下技术指标：

①百米疲劳开裂率(Lf)

百米疲劳开裂率反映结构性病害面积与统计范围内总面积的百分比，计算公式见式(1)。

(1)

式中，Lf—百米疲劳开裂率(%)；

A1、k1—百米路面内单条纵向裂缝折算的开裂面积(m2)和折减系数；

A2、k2—百米路面内网裂面积(m2)和折减系数；

A3、k3—百米路面内龟裂面积(m2)和折减系数；

k1、k2、k3的取值按照《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2007)中确定的取值方法确定；

A—百米内路面的总面积(m2)。

②百米推移率(Re)：反映层间连接效果，为百米路面范围内的推移面积与路面面积的百分比，如式(2)所示。

(2)

式中，Ae—百米推移面积(m2)；

A—百米路面面积(m2)。

(2)交通量(Ne)

评价路段设计车道已经作用过的大型客车和货车数量，单位106辆。

(3)芯样连接状况评分(Gs)

钻芯取样，观测层间连接状态，对芯样连接状况进行的评分。

(4)路面结构状况

研究表明，面层厚度的大小和路面病害的状况关系密切，所以将调研路段的面层厚度作为调研的技术指标。

1.3 调研结果

根据以上反映层间连接性能的指标分析，经过现场实地调研得到辽宁省干线公路大修工程中重点路线调研指标计算结果见表2。

两组急性阑尾炎合并糖尿病患者的性别、年龄等方面相比较，差异无统计学意义（P＞0.05），表示两组间能够对比。

表2 大修工程中重点路线层间处治技术调研指标汇总表

1.4 橡胶沥青碎石下封层技术应用效果评价

1.4.1评价指标的提出

为了对辽宁省干线公路沥青路面下封层技术应用重点路线调研的结果进行评估，定量评价下封层技术应用的层间连接作用效果，提出沥青路面下封层技术层间连接效果指数Mcon及其确定方法，见式(3)。

Mcon=ηneηth(λtuiStui+λpiSpi+λxinSxin)

(3)

式中，ηne—交通量影响系数，该参数根据所调查路线交通量与所有调查路线交通量最大值的比值而定；

ηth—面层厚度影响系数，按式(4)计算。

(4)

式中，hmin—调研路线中面层(或加铺层)厚度的最小值(cm)；

h—评价路段面层(或加铺层)的厚度。

式(3)中，Stui—下封层技术在抑制推移病害发生方面的效果评分，采用百分制。从辽宁省干线公路沥青路面下封层技术应用重点路线调研的结果来看，重点调研路线的百米推移率(Re)在0～14.3%之间，故当Re为0%时，令Stui为100；当Re为14.3%时，令Stui为0，当Re介于0～14.3%之间时，按线性插值计算Stui；

Spi—抑制疲劳开裂方面的效果评分，根据评价路线的百米疲劳开裂率(Lf)来确定，进行归一化处理，采用百分制。由调研结果来看，对于全部实地调研路线，Lf在0～2.6之间，当Lf为0时，令Spi为100；当Lf为2.6时，令Spi为0；当Lf介于0～2.6之间时，按线性插值计算Spi；

Sxin—现场调研钻芯取样时确定的芯样层间连接效果评分，采用百分制，其值等于芯样层间连接状况评分(Gs)；

λtui，λpi，λxin分别表示抑制推移病害发生效果、抑制纵向疲劳开裂效果、芯样层间连接效果的评分系数。经专家问卷讨论，分别取0.2、0.3、0.5。

1.4.2结果和分析

根据实地调研资料，按照式(3)得到三种层间处治技术(橡胶沥青碎石下封层、乳化沥青碎石封层及透层+粘层)的连接效果指数Mcon，计算结果见表3。

由表3可知：橡胶沥青碎石下封层的层间连接效果指数Mcon的平均值为49.96；乳化沥青碎石封层的层间连接效果指数Mcon的平均值为35.91；透层+粘层的层间连接效果指数Mcon的平均值为33.44。乳化沥青碎石封层及透层+粘层的层间连接效果指数的平均值分别为橡胶沥青碎石封层层间连接效果指数的71.88%及66.93%，显然橡胶沥青碎石封层相比于乳化沥青碎石封层以及透层+粘层，在提升层间连接性能方面具有显著的优势。

表3 三种层间处治技术连接效果指数汇总表

2 橡胶沥青碎石下封层及其它层间处治技术的层间连接性能试验研究

2.1 试验原理和方法

层间连接性能试验利用J100-1型岩石直剪仪进行，试验路面结构模型见图1、图2所示。

图1 设橡胶沥青碎石下封层的结构模型

图2 设透层+粘层的结构模型

试验过程中首先需要对试件依次施加5组不同的竖向荷载(控制直剪仪竖向油压表的读数分别为0MPa、4MPa、8MPa、12MPa、16MPa)，然后逐渐增大水平荷载。加载速率的选用与沥青混合料马歇尔稳定度试验及劈裂试验的相同，即50mm/min。随着水平荷载的增加，当剪切面达到最大剪切强度时，试件会沿着剪切面发生剪切破坏。

2.2 试验材料

室内层间直接剪切试验的模型试件所需的材料类型有普通中粒式沥青混凝土AC-16、水泥稳定碎石、橡胶沥青碎石封层材料及透层油(乳化沥青PC-2)。具体试验原材料及试件的材料组成设计均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)、《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中的技术要求[3-4]。

2.3 试验结果

根据试件破坏时直接剪切仪的垂直压力表读数和水平压力表读数画出剪应力(τ)和正应力(σ)的关系曲线，并用最小二乘法进行直线拟合，计算出剪切强度(τ)与正应力(σ)的关系式和材料的摩擦系数φ。φ值越大，层间连接状况越好。图3、图4和图5分别为橡胶沥青碎石下封层、乳化沥青碎石封层及透层+粘层下σ-τ关系曲线。

图3 橡胶沥青碎石封层下的σ-τ关系曲线

图4 透层+粘层下的σ-τ关系曲线

图5 乳化沥青碎石封层下的σ-τ关系曲线

由图3、图4、图5可知，随着正应力的增加，层间抗剪强度不断增大，三种层间处治技术下的σ-τ关系成正比例函数，计算出直线斜率，即橡胶沥青碎石封层、乳化沥青碎石封层和透层+粘层技术的摩擦系数(φ)，见表4。

表4 基面层间不同层间处治技术的摩擦系数(φ)

根据三种层间处治技术下的σ-τ曲线的拟合结果，可得当三种层间处治技术应用在基面层间时，正常荷载作用下的层间抗剪强度，如表5所示。

表5 基面层间不同层间处治技术的层间抗剪强度

由表4和表5可知：

(1)当采用橡胶沥青碎石封层时，层间摩擦系数最大，当层间采用乳化沥青碎石封层、透层+粘层时，结构的层间摩擦系数分别是层间采用橡胶沥青碎石封层时的92.7%和85.2%。

(2)当层间应用橡胶沥青碎石封层时，标准荷载作用下层间抗剪强度最大。当层间采用乳化沥青碎石封层或透层+粘层时，标准荷载下层间抗剪强度分别是层间采用橡胶沥青碎石封层情况的91%及84%。

对比现场橡胶沥青碎石下封层等三种层间处治技术的层间连接性能评价的结论和室内模型试验结论可知，应用橡胶沥青碎石下封层技术，用于加强基层和面层的连接好于乳化沥青碎石下封层技术，更优于只做透层和粘层的处治方法。

3 结束语

(1)经过对辽宁省干线公路沥青路面大修工程中实施橡胶沥青碎石封层及透层进行层间连接效果调研及后评估表明，大修工程实施橡胶沥青碎石封层的层间连接效果的整体情况优于乳化沥青碎石封层及透层+粘层。

(2)封层的层间连接性能试验研究表明，橡胶沥青碎石封层的摩擦系数最大，层间抗剪强度最大，层间连接状况最好；乳化沥青碎石封层及透层+粘层与橡胶沥青碎石封层相比，摩擦系数分别下降了7%和15%，层间抗剪强度分别下降了9%和16%。

(3)辽宁省干线公路沥青路面大修工程中多实施透层来使沥青面层和非沥青材料基层相结合，通过实地调研、室内试验可知橡胶沥青碎石下封层提高层间结合的能力明显优于其他层间处治技术，所以根据研究成果说明推广橡胶沥青碎石下封层在大修工程中的应用具有实际的工程价值。