新旧沥青路面黏结界面处理方式对路面性能的影响试验

邵珠涛， 陶家清， 黄杨权， 艾长发， 蒋运兵(1.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 61001； 2.西南交通大学 道路工程四川省重点试验室；

3.中国市政工程西南设计研究总院有限公司； 4.中国水利水电第七工程局有限公司)

近年来，中国道路工程工作重心已逐渐由新建转向养护。在道路养护中，路面养护是一项主要工作，占重要地位。沥青路面作为中国的一种主要路面结构形式，其破坏类型、成因及破坏后的修补措施是路面养护技术研究的热点。在路面破损中，裂缝是沥青路面最常见的破坏形式，根据其形成机理不同，可分为荷载型裂缝、温度裂缝和反射裂缝。因此，裂缝修补一直是当前沥青路面修复的重要研究方向，文献[4-6]研究了不同裂缝修补材料的特性及其裂缝修复方法；文献[7]就贴缝带的3种主要失效模式，提出了以锥入度、软化点、拉拔和低温拉伸4个指标为核心的评价方法和技术要求。坑槽是沥青路面另一种常见的破坏形式，其修补技术也是公路管理部门需要解决的难题，文献[8]指出冷补沥青修补料常被用来进行沥青路面坑槽修补；文献[9]则针对填料式、挖补式、热烘式和喷射式4种坑槽修补技术进行了分析和比较，确定了各种坑槽修补技术合理的使用天气和温度。以上研究主要针对沥青路面修补材料及修补工艺，尚未涉及修补界面，而修补工程均存在界面问题，界面的形态、黏结性能也是影响修补质量的重要因素。鉴于此，该文以修补界面为研究对象，重点考察界面黏结材料类型及用量、黏结面形式等因素，开展正交试验，分析新旧沥青路面黏结界面处理方式对修补路面整体性能的影响。

1 试验材料

1.1 沥青混合料级配材料

试验采用骨架悬浮密实型沥青混合料SMA-13制备含界面黏结缝复合小梁，以模拟含界面接缝的新旧沥青路面。混合料中沥青为高黏弹改性沥青，油石比为6.18%，粗集料为玄武岩碎石，细集料为机制砂，矿粉采用石灰石碱性矿粉，纤维采用木质素纤维，掺量为0.3%。混合料级配组成如表1所示。

表1 SMA-13矿料级配

1.2 黏结剂性质

黏结界面分别采用普通乳化沥青、高黏弹改性乳化沥青、树脂乳化沥青进行黏结，其主要性能见表2。

表2 黏结剂性能指标

2 试验方案与结果

2.1 方案设计

对于新旧沥青路面，影响其界面黏结性能的因素主要包括黏结材料类型及用量、黏结面形式等，以上因素相互作用、相互影响。通过室内试验研究三者对新旧沥青路面黏结界面影响，试验包含2个3水平因素，1个6水平因素(表3)。为方便对试验方案进行正交处理，提高试验结果的精确性，将其转换为2个3因素3水平试验，按表4正交试验表进行方案设计，所得试验方案如表5所示。

表3 试验因素水平

表4 正交试验表

表5 正交试验方案

为研究界面黏结缝对新旧沥青路面性能的影响，对含界面黏结缝复合小梁进行四点弯曲疲劳试验和拉拔试验。已有资料研究表明：沥青混合料最容易发生疲劳破坏的最不利温度为13～15 ℃，该文中小梁四点弯曲疲劳试验选取15 ℃作为试验温度，750 με作为应变水平。对试验结果进行弃差处理，并保证最终有效小梁不少于3根。

2.2 含界面黏结缝复合小梁制作

加工的车辙板模具尺寸为40 cm×30 cm×5 cm，中间设置可拆卸0.5 cm×30 cm×5 cm分隔板，如图1所示。为获得新旧沥青路面的不同黏结面形式，加工了相应形状的辅助活动钢板，如图2所示。

含界面黏结缝的复合小梁成型过程如下：① 根据试验设计的黏结面形式，在车辙板模具分隔板位置放入对应辅助活动钢板，加入拌和好的混合料碾压成型半块车辙板；② 待混合料冷却后，根据表5试验方案，在其黏结面上均匀涂抹相应的乳化沥青材料，在乳化沥青破乳过程中，严格控制周边环境，防止黏结面的污染；③ 待乳化沥青完全破乳后，在已成型的半块车辙板的基础上再成型另半块车辙板，最终形成整块车辙板。成型后的车辙板如图3所示；④ 使用切割机对车辙板试件进行切割，得到6根5 cm×5 cm×40 cm含界面黏结缝的复合小梁。含不同黏结面形式的复合小梁截面如图4所示。

图1 车辙板模具

图2 不同黏结面形式的辅助活动钢板

图3 成型后的车辙板

图4 含黏结面复合小梁截面

2.3 试验方法

在小梁弯曲疲劳试验方法中，有梯形梁疲劳试验(2PB)和小梁四点弯曲疲劳试验(4PB)，其中，2PB为欧洲广泛使用的疲劳试验方法，4PB则在美国、澳大利亚等地区被广泛使用。中国也广泛采用4PB法。该文采用4PB法测试含黏结面的复合小梁疲劳性能，采用拉拔试验测试复合小梁的黏结面黏结强度。

2.4 试验结果

对表5中的18种试验方案按上述试验方法分别测试其疲劳寿命和黏结强度。每种方案选取6根复合小梁的试验结果并进行弃差处理，保证有效复合小梁不少于3根，得出的试验结果如表6所示。

表6 小梁疲劳寿命和黏结强度试验结果

3 基于正交试验的界面最佳黏结方案确定

分别分析因素A、B、C对复合小梁疲劳寿命和黏结强度的影响，各因素下的水平值分析结果如图5所示。

由图5可以看出：

(1) 对复合小梁疲劳寿命影响最大的因素为黏结面形式C，采用30°斜对接的复合小梁疲劳寿命是采用垂直对接复合小梁的5.54倍，而黏结材料类型A及其用量B对复合小梁疲劳寿命影响较小。因此，为保证含黏结面的新旧沥青路面整体疲劳寿命，采用合适的路面切割面方式显得尤为重要。

图5 试验结果的水平值分析

(2) 对复合小梁黏结强度影响最大的因素为黏结材料种类A，高黏弹改性乳化沥青(A2)为最佳黏结剂，普通乳化沥青(A1)为最差黏结剂。采用高黏弹改性乳化沥青作为黏结剂的复合小梁黏结强度是采用普通乳化沥青作为黏结剂的复合小梁的1.64倍。

(3) 为提高复合小梁的疲劳寿命和黏结强度，在因素A的3个水平中，应选择高黏弹改性乳化沥青作为黏结剂，在因素B的3个水平中，应选择0.6 kg/m2作为黏结剂用量，在因素C的6个水平中，应选择30°斜对接作为黏结面形式。

综上，可以得出，为提高含界面黏结缝沥青路面的整体性能，应对黏结缝进行科学处理，最佳处理方案为：选择30°作为新旧路面切割面倾斜角度，并用0.6 kg/m2的高黏弹改性乳化沥青对新旧沥青路面黏结面进行黏结处理，即C5B2A2。

4 界面黏结缝对路面性能的影响分析

通过以上正交试验，可以得到新旧沥青路面黏结缝最佳黏结方案，但其相对于正常无缝路面的性能差异以及黏结缝优化处理效果还需进一步研究。就此问题，该文考虑工况如表7所示，各工况下的小梁试验结果如表8所示。

表7 研究工况

表8 试验结果

由表8可以看出：① 不对黏结面进行任何处理(即工况1)，其复合小梁的疲劳寿命非常低，当采用最佳方案(即工况2)对复合小梁黏结面进行处理后，可使复合小梁疲劳寿命提高472倍，但也只有无缝(即工况3)小梁的11.3%。因此，采用最佳方案处理新旧沥青路面接缝，可大幅提高路面疲劳寿命，但接缝仍是路面的薄弱处，接缝的存在会大大降低路面的整体疲劳寿命；② 采用最佳方案(即工况2)处理过的复合小梁黏结面是垂直无黏结剂黏结面(即工况1)黏结强度的80倍，但即使是采用最佳方案，其复合小梁黏结面黏结强度仍低于正常无缝小梁。因此，对于修补后的新旧沥青路面，界面黏结缝依然是最容易产生破坏的部位。

5 结论

(1) 新旧沥青路面的黏结界面处理方式对路面性能具有明显影响，黏结面形式对疲劳寿命影响最大，界面黏结材料类型对黏结强度影响最大。

(2) 为提高复合小梁疲劳寿命和界面黏结强度，增加新旧沥青路面的整体寿命，应选择的最佳界面黏结方案为：采用高黏弹改性乳化沥青以0.6 kg/m2的用量均匀涂抹在倾斜角为30°的切割面。

(3) 复合小梁疲劳试验及黏结试验结果有力证明，界面黏结缝是最容易产生破坏的部位，该缝的存在会大大降低修补后所形成的新旧沥青路面的整体寿命。因此，沥青路面修补工程中应采用合适的切割方式，并严控切割界面黏结缝的施工质量。