层间接触状态对刚柔组合路面结构性能影响研究

林 群， 李婷玉， 陈宇亮

(1.中核华辰建筑工程有限公司， 福建 莆田 351100； 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙，410015)

近年来，高速公路的早期病害所带来的的路面耐久性问题日益突出，耐久性不够是目前高速公路的主要问题之一[1]。超限超载车辆大幅增长是导致路面发生破坏的重要原因[2]。因此，提出适合重载交通的长寿命耐久性路面结构就成为一个刻不容缓的关键技术问题。

刚性基层沥青路面结构强度高、水稳定性好、抗冲刷能力强，避免了半刚性基层强度衰减快，疲劳寿命短等缺陷，并且服役后期维修简单[3-4]。刚柔复合式路面因其较强的承载能力和优异的耐久性能[5]，已经成为有较高承重要求的高速公路耐久性路面结构发展方向之一。我国对这种刚柔复合式路面结构形式进行了系统深入的研究，张艳红[6]等的研究结果表明层间结合不连续将导致结构内应力、应变骤增；长安大学的惠冰[7]等为提高层间黏结强度，对黏结界面进行不同深度、不同宽度和不同间距的刻槽处理；陶可[8]通过研究得出最佳黏结材料以提高复合式路面性能。通过分析已有研究可知，刚性基层与沥青面层层间结构是薄弱环节，其结合技术是关键，AC层与CRC层的层间良好的抗剪性能和抗拉性能可有效防止结构破坏。综上，本文对刚性基层与沥青面层的层间结合技术开展室内强度及小型加速加载试验研究，以提出最优的层间结合技术。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

1.1.1基层材料

水泥采用湖南金磊南方水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，粗集料产自莲花碎石场，细集料为天然河砂，混凝土拌和用水为饮用水。各材料性能指标满足规范要求。

减水剂采用长沙利诺弗克建材有限责任公司的“LNK-G200”缓凝高效减水剂，掺量为水泥用量的1.2%，减水率为15%～20%。

1.1.2层间黏结材料

试验选用2种不同沥青作为黏结层材料，分别为重交70#沥青和SBS改性沥青，其各项力学指标皆满足技术标准要求。

1.1.3面层材料

面层选用AC-20C型和SMA-13型沥青混合料。沥青为SBS改性沥青；粗细集料均为辉绿岩，粗集料压碎值为11.1%，细集料表观相对密度2.717 g/cm3。矿粉选用石灰岩矿粉，表观密度2.710 g/cm3。各组成材料其他各项性能指标均满足规范要求。

1.2 试验方案

为探究不同界面处理方式、不同黏结材料及其用量、不同工作条件等对刚柔组合路面结构的界面黏结性能的影响，本文分别对比分析裸化、拉槽和光面；SBS改性沥青和重交70#沥青；不同温度以及不同加荷速率对复合结构的抗剪切性能和抗拉拔性能的影响。

经试验室试拌，确定基层材料试验室基准配合比为：水泥375 kg/m3,砂729.8 kg/m3,碎石1190.7 kg/m3,水150 kg/m3,减水剂4.5 kg/m3。

此配比下新拌混凝土坍落度为45mm，含气量为4.0%；硬化后的7d和28d抗折强度分别为6.24和6.94MPa，7 d和28d抗压强度分别为41.1和50.5MPa。

AC-20+SBS沥青混合料的级配组成如表1所示，最佳油石比由马歇尔试验确定为4.5%。SMA-13+SBS沥青混合料的级配组成如表2所示，最佳油石比由马歇尔试验确定为5.9%。

表1 AC-20矿料级配范围及设计级配组成Table 1 Grading range and grading composite of AC-20孔径/mm设计级配级配上限级配下限26.500100.010010019.00093.41009016.00082.7927813.20068.980629.50050.172504.75031.856262.36023.344161.18018.333120.60014.02480.30011.41750.1508.51340.0755.973

表2 SMA-13矿料级配范围及设计级配组成Table 2 Grading range and grading composite of SMA-13孔径/mm设计级配级配上限级配下限16.00010010010013.20095100909.5006375504.7502734202.3602026151.1801924140.6001620120.3001316100.150121590.07510128

1.3 试件制作方法

沥青混合料层间剪切试件的制作包括3个步骤[9-10]：

a. 浇筑混凝土基层及表面处理。在直径为100 mm的自制圆形试模中浇筑水泥混凝土试件。采用裸化或拉毛技术对混凝土板的表面进行处理，使表面比较粗糙，如图1所示。并且留出试件不做表面处理，用来对比裸化、拉槽和不做表面处理的效果。裸化深度控制在2～3 mm，以露出碎石为准。而拉槽是在试件刚刚成型后马上进行。

图1 拉槽的水泥块试件Figure 1 Concretespecimen with grooves

b. 层间结构。在连续配筋混凝土基层和沥青面层之间铺设1cm的应力吸收层：采用改性沥青同步碎石封层，4.75～9.5mm单粒径碎石的用量为铺满面积的60%～70%。

c. 成型沥青混凝土面层。面层为SBS改性沥青混合料。在黏结层冷却至室温以后，将拌和好的沥青混合料倒入试模中的黏层上，然后辗压成型，辗压成型后让试模在室温下冷却，冷却12h后进行脱模，整个试件的高度为100mm，半径为50.8mm。成型后的试件见图2。

图2 刚柔复合试件Figure 2 Rigid and flexible composite specimen

2 试验结果分析

2.1 层间结构的确定及其影响因素分析

2.1.1表面处理方式、黏结材料及其用量对抗剪及抗拉强度影响

如前所述，采取裸化、拉槽和光面3种界面处理方式，对比研究层间黏结性能的影响。为比较3种不同表面处理方式的影响，先固定黏结层材料和改性沥青用量，黏结层材料取为SBS改性沥青，其用量选为1.6kg/m2。成型试件，在60℃条件下进行剪切试验，以模拟高温条件的剪切破坏。在15℃条件下进行拉拔试验，以模拟常温的受拉破坏。试验结果见图3。

图3 界面处理方式对黏结强度的影响Figure 3 Influence of interface treatment on bond strength

由图3可知，当层间采用裸化处理时，其60℃抗剪强度和15℃抗拉强度分别为0.696和1.179MPa，均大于拉槽和光面处理。究其原因，界面层的抗剪强度主要取决于界面水泥层与碎石和面层沥青混合料的摩擦力。裸化结构的构造深度最大，其抗剪强度和抗拉强度最大。而光面结构无论是在构造深度还是摩擦力方面都较小，故其黏结性能最弱。拉槽处理介于裸化和光面之间。故采用裸化技术作为界面处理的优选方案。

为了确定层间黏结材料的影响，混凝土表面采用裸化技术，固定沥青用量为1.6kg/m2。对比重交70#沥青与SBS改性沥青对层间结合效果的影响。试验结果见图4。

图4 沥青类型对黏结强度的影响Figure 4 Influence of asphalt type on bond strength

从图4可以看出，采用SBS改性沥青作为黏结材料，复合试件的抗剪强度和抗拉强度分别为0.696和1.179MPa，相比于重交70#沥青，其抗剪强度和抗拉强度分别提高10%和18%。这是因为SBS改性沥青的高温稳定性及低温抗裂性能均好于70#沥青。这也与沥青原材料试验中SBS改性沥青的软化点大于70#沥青相对应。同时，对SBS改性沥青补做了一组10℃的延度试验，其延度也大于70#沥青。由此可见，采用较好的层间黏结材料能提高复合试件的层间结合性能。

为了确定SBS改性沥青的最佳用量，层间采用裸化处理，以1.2kg/m2为初始用量，每级以0.2kg/m2递增，直至2.4kg/m2，每次试验做3次平行试验取其平均值，来确定最优的沥青用量，试验结果见图5。

图5 沥青用量与界面强度的关系Figure 5 Relationship between asphalt content and interface strength

由图5可知，沥青用量对沥青混合料层间抗剪强度和拉拔强度的影响较为显著，抗剪强度和拉拔强度随着沥青用量的增大先增大后减小，在2.0kg/m2时最大。这是因为在水泥混凝土界面上涂抹黏结层沥青分子会形成一层结构沥青。当结构沥青过少时，水泥混凝土与沥青面层难以形成有效黏结。在该阶段，抗剪强度和拉拔强度随结构沥青用量的增大而增大，在沥青用量最佳时抗剪强度和拉拔强度达到峰值。此后，进一步增加沥青用量，多余的自由沥青会起到润滑的作用，反而不利于界面强度的形成。因此，在施工时应当严格控制沥青用量，以保证结构层有足够的黏结强度。

为了确定上面层级配的影响，混凝土表面采用裸化技术，固定采用SBS改性沥青用量为2.0kg/m2，对比AC-20级配和SMA-13级配的抗剪强度和拉拔强度，试验结果见表3。

从试验结果可知，相较于SMA-13级配SBS沥青混合料，AC-20级配SBS沥青混合料的层间抗剪性能和拉拔性能提高了约10%，这是因为AC-20级配更粗，容易形成嵌挤的缘故。所以，后续分析中重点对层间结合能力相对较弱的SMA-13级配SBS沥青混合料展开。

表3 不同类型沥青混合料60 ℃剪切和15 ℃拉拔试验结果Table 3 60 ℃ shear strength and 15 ℃ drawing strength of Different types of asphalt mixtures级配类型剪切强度/MPa拉拔强度/MPa SMA-130.6961.179AC-200.7661.282

综上所述，为了黏结层获得最好的层间强度，其最终设计方案为：混凝土表面采用裸化处理后，采用改性沥青同步碎石封层，SBS改性沥青用量为2.0kg/m2，9.5～19mm单粒径碎石的用量为满铺面积的60%～70%(约12～16kg/m2)。

2.1.2工作条件的影响

考虑到层间剪切破坏是CRC+AC复合式路面结构的主要破坏形式，为了分析工作条件对层间抗剪强度的影响，在不同温度及加载速度条件下对复合试件(上面层为SMA-13)进行剪切试验，不同温度及不同加载速率下的层间剪切试验结果如图6和图7所示。

图6 试验温度与层间剪切强度的关系Figure 6 Relationship between test temperature and interlaminar shear strength

如图6所示，复合试件层间剪切强度基本上是随温度的增加而线性减小，其关系为：

τ=0.95-0.027T，R2=0.98

(1)

式中：τ为剪切强度，MPa；T为试验温度，℃。

从图7可知，在上述加载范围内，复合试件层间剪切强度基本上是随加载速度的增加而线性减大，其关系为：

τ=0.65-0.05V，R2=0.95

(2)

式中：τ为剪切强度，MPa；V为加载速度，mm/min。

由图6可知，复合试件层间抗剪强度随温度的

图7 加载速度与层间剪切强度的关系Figure 7 Relationship between loading rate and interlaminar shear strength

增大而线性减小，这主要是因为，温度升高时，其层间黏结作用的沥青变软，黏结力降低，抵抗外界剪切力的能力下降[11]。

图7所示复合试件抗剪强度随加载速度的增大而线性增大。这主要是因为，当外界荷载施加于受荷材料，受荷材料在承受荷载到破坏有一定的反应时间，当加载速度增加，试验最终测出的剪切强度也随之增加。综上，在夏季高温条件下，层间抗剪强度将会大幅降低，此时，应尽量控制重载车辆的吨位，防止路面结构发生层间破坏和剪切、推移病害。

3 结论

a. 构造深度对层间性能影响较大，构造深度越大，层间抗剪切能力越好。当层间采用裸化处理时，其抗剪强度和抗拉强度均大于拉槽和光面处理时对应的抗剪强度和抗拉强度。

b. 相比于重交70#沥青，SBS改性沥青作为黏结材料的复合试件的抗剪强度和抗拉强度均较高，且在用量为2.0 kg/m2时，层间抗剪切强度最大。

c.层间抗剪切强度与环境温度呈线性负相关。因此，为使刚柔组合路面保持较好的路面结构性能，在选择有利的界面结构的同时，考虑在夏季高温时严格控制路面荷载。