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摘 要

為了給瀝青路面黏層設計提供依據(jù)，揭示黏層黏結效果的影響規(guī)律，采用直剪試驗方法評價了瀝青黏層的黏結效果，針對影響?zhàn)涌辜魪姸鹊膸讉€因素，如乳化瀝青性質、灑布量、瀝青混合料類型、水環(huán)境、荷載及老化作用等對黏層黏結效果的影響進行了測試分析。試驗結果表明：(1)乳化瀝青最佳灑布量在0.4~0.6kg/㎡，此時黏層抗剪強度和抗剪強度增長率最大，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物60℃動力黏度指標與黏層抗剪強度和抗剪強度增長率具有較強的相關關系，可作為黏層用乳化瀝青的篩選指標；(2)下面層瀝青混合料為AC-20，上面層瀝青混合料為PA-13(PA-13＋AC-20)抗剪強度最小，“SMA-13＋AC-20”和“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度分別提高了22.6%和34.4%，這與瀝青混合料上面層與下面層的接觸面積相關；(3)動水沖刷相比凍融循環(huán)對黏層的損傷作用更為顯著，15000次沖刷后，0.6kg/㎡灑布量下，“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度降低45.3%，“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度降低62.7%，動水沖刷對上面層為PA-13混合料的黏層的損傷更嚴重；(4)荷載和老化作用可增大黏層的抗剪強度和抗剪強度增長率，老化對上面層為PA-13瀝青混合料的黏層抗剪強度和抗剪強度增長率增大作用更為顯著。

關鍵詞 

道路工程 | 層間黏結效果 | 直剪試驗 | 乳化瀝青黏層 | 影響因素

0、引言

半剛性基層瀝青路面是我國高等級道路建設的主要路面結構形式，隨著半剛性基層瀝青路面施工實踐積累、運營年限的增長和研究的深入，瀝青層間黏結不良引發(fā)的道路病害已成國內(nèi)外道路工作者關注的熱點問題[1-3]瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。層間結合不良將導致瀝青路面層間滑移，瀝青路面的整體性削弱，車輛荷載將不再像設計時分配和傳遞，路面的承載能力減弱，進而引發(fā)路面出現(xiàn)開裂和坑洼等2次破壞[4]。孫立軍教授對路面進行了大量的鉆芯調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有層間脫開現(xiàn)象的芯樣占比70%，其中脫開面有剝落痕跡的芯樣占比高達90%，可見實際工程中瀝青路面層間黏結問題較為普遍[5]。

目前，國內(nèi)外針對瀝青路面層間黏結問題已經(jīng)取得了較豐碩的研究成果，主要集中在力學計算和室內(nèi)試驗兩個方面。ZIAR H.等[6]采用三維有限元模型分析了重復荷載作用下路面層間黏結的疲勞性能，并結合top-down路面開裂形式預測了瀝青路面的疲勞壽命。羅要飛等[7]采用Bisar軟件，借助剪切彈性柔量接觸模型，分析了層間接觸條件對路面結構力學特性的影響，當層間接觸從連續(xù)變滑動時，瀝青路面疲勞壽命降低52.3%~83.0%。劉能源[8]和李嘉等[9]采用數(shù)值分析法和解析法分析了不同路面和橋面鋪裝層間狀態(tài)對路面力學的影響規(guī)律。蘇新國等[10]采用瀝青路面層間扭轉剪切試驗儀，對影響瀝青路面層間黏結性能的瀝青混合料類型、乳化瀝青種類、乳化瀝青灑布量、溫度的影響因素進行了對比分析。郭寅川等[11]采用多功能剪切儀，分析了普通瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青3種常用的黏層材料在不同溫度及灑布量條件下的黏結性能。周文等[12]采用便攜式直剪儀進行了層間剪切強度試驗，對溫度、黏層類型、正壓力、瀝青灑布量和混合料類型等影響因素進行了研究。劉麗等[13]采用剪切疲勞試驗分析了有無黏層油、黏層油種類和層間污染對路面層間剪切疲勞性能的影響。這些理論計算和室內(nèi)試驗研究結果均表明層間黏結對路面結構性能的具有重要影響，目前室內(nèi)試驗層間研究多關注瀝青層和下層無機結合料層間的力學性能，瀝青混合料黏層的黏結狀態(tài)研究較少，目前的研究多關注材料種類、材料用量和溫度對黏層黏結性能的影響，沒有研究荷載、凍融和動水沖刷等外界環(huán)境作用對層間黏結的影響。此外，瀝青路面黏層采用的乳化瀝青品種繁多，品質不一，如何篩選，缺乏黏層材料的最佳評價指標。目前層間剪切試驗方法很多，本研究采用測試比較方便的復合圓柱體試件直剪試驗來測試瀝青面層層間黏結狀態(tài)，分析了黏層上下層材料、水環(huán)境、荷載和老化環(huán)境等因素對層間黏結的影響，通過系統(tǒng)研究給瀝青黏層的應用提供支持。

1、原材料及試驗方法

1.1原材料及配合比

(1)乳化瀝青。為了分析乳化瀝青性質對黏層黏結性能的影響，采用4種指標差異較大的乳化瀝青進行試驗：1＃為普通乳化瀝青，2＃和3＃乳化瀝青為SBR改性乳化瀝青，4＃乳化瀝青為SBR和SBS復合改性乳化瀝青。對比分析乳化瀝青性能對層間黏結的影響，乳化瀝青的技術性質如表1所示。

(2)瀝青混合料原材料及配合比。分別采用連續(xù)密級配瀝青混合料AC-13、瀝青瑪蹄脂碎石瀝青混合料SMA-13和排水瀝青混合料PA-13做瀝青上面層，連續(xù)密級配瀝青混合料AC-20做瀝青下面層，模擬黏層所處上下面層的應用環(huán)境。4種瀝青混合料的級配如表2所示。其中SBS改性瀝青AC-13油石比為5.1%，SBS改性瀝青SMA-13油石比為6%，高黏改性瀝青PA-13油石比為4.7%，70＃瀝青AC-20油石比為4.5%。4種混合料的礦料均為玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉。采用瀝青的基本性質如表3所示。

1.2試驗方法

(1)直剪試驗方法。采用旋轉壓實儀成型直徑150mm，厚50mm的瀝青混合料下面層，成型完畢養(yǎng)生24h后，在其表面噴灑乳化瀝青形成黏層，養(yǎng)護5h乳化瀝青完全破乳后，采用旋轉壓實儀在其上成型直徑150mm，厚50mm的瀝青混合料上面層，形成了50mm厚下面層＋乳化瀝青黏層＋50mm厚上面層的復合圓柱試件。對于碾壓試驗試件，采用復合車轍模及輪碾儀成型長×寬×高＝300mm×300mm×50mm的車轍板塊，在其上噴灑乳化瀝青，再在其上成型長×寬×高＝300mm×300mm×50mm的車轍板塊(各階段養(yǎng)生時間一致)，形成復合車轍試件，輪碾到一定次數(shù)后，取芯成直徑150mm的復合圓柱試件進行試驗。

試驗時，首先用游標卡尺測量試件直徑。試驗溫度擬定時，考慮到黏性較低的乳化瀝青黏層在高溫下容易直接黏結失效，很難對其量化，因此，參考文獻[10]在常溫(20±1)℃環(huán)境下進行了直接剪切試驗。將試件置于(20±1)℃的恒溫箱中保溫4h，然后取出安裝試件。本研究采用的試驗夾具如圖1所示。然后，將試件安裝到下剪切環(huán)上，再放入上壓頭和上剪切環(huán)，使試件黏層位置位于上下剪切環(huán)垂直間距之間，且上下剪切環(huán)中間垂直間距應不小于5mm，調(diào)整上剪切環(huán)，使上剪切環(huán)正好接觸到試件表面，開始加載，加載速度為(50±2)mm/min[14]。

直剪試驗典型“荷載-位移”曲線如圖2所示。

采用式(1)計算試件的抗剪強度，采用式(2)計算試件的抗剪強度增長率。其中抗剪強度增長率是指單位變形所需的應力，反映結構層滑移的難易程度，抗剪強度增長率越大，層間黏結越好。

(2)凍融及沖刷試驗方法。按照文獻[15]中瀝青混合料凍融劈裂試驗(T0729-2000)的凍融條件進行試驗。將復合圓柱試件真空飽水，在(-18±2)℃下冷凍(16±1)h，取出立即放入(60±0.5)℃保溫24h，為1個凍融循環(huán)，凍融循環(huán)次數(shù)結束后，將試件取出放到(20±1)℃的環(huán)境中控溫4h后進行直剪試驗。

按照文獻[16]進行沖刷試驗，將復合圓柱試件放入沖刷試驗儀試驗腔中，加水后水溫升至60℃開始試驗，沖刷試驗儀可以對試件施加近似洛倫茲函數(shù)的水壓，峰值為276kPA，半峰寬(1±0.5)s，1個壓力循環(huán)完成為1次沖刷，達到設置沖刷次數(shù)后，將試件取出放到(20±1)℃的環(huán)境中控溫4h后進行直剪試驗。

(3)碾壓及老化試驗方法。按照文獻[15]中瀝青混合料車轍試驗方法(T0719-2011)進行60℃碾壓作用，將碾壓到規(guī)定次數(shù)的復合車轍板取芯后將試件取出放到(20±1)℃的環(huán)境中控溫4h后進行直剪試驗，直剪試驗時讓上層瀝青混合料沿輪跡方向滑下。

老化試驗方法為：將直徑150mm的復合圓柱試件放入60℃的烘箱至規(guī)定時間，進行試件的老化，然后取出放到(20±1)℃的環(huán)境中控溫4h后進行直剪試驗。

2、試驗結果與分析

2.1黏層油對黏層黏結效果的影響分析

采用70＃瀝青AC-20做下面層，SBS改性瀝青AC-13做上面層，分別采用1＃~4＃乳化瀝青做黏層，參考文獻[17]，黏層用乳化瀝青用量范圍為0.2~1.0kg/㎡，瀝青灑布量分別為0.2，0.4，0.6，0.8和1.0kg/㎡，成型復合圓柱試件進行直剪試驗，分析乳化瀝青性質及乳化瀝青灑布量對層間黏結的影響。層間抗剪強度和抗剪強度增長率隨乳化瀝青摻量的變化分別如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，4種乳化瀝青做黏層成型的復合圓柱試件的抗剪強度和抗剪強度增長率都呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，這是因為，隨著乳化瀝青灑布量的增多瀝青黏結能力逐漸增強，乳化瀝青破乳后在層間與上下瀝青混合料層表面結合形成越來越多的結構瀝青，因此黏結強度逐漸增強，當乳化瀝青灑布量超過最佳用量時，破乳后的瀝青逐步形成自由瀝青，越來越多的自由瀝青成為直剪過程中的“潤滑劑”，因此強度逐漸降低。4種乳化瀝青黏層復合圓柱試件的直剪試驗結果表明，黏結性能優(yōu)劣排序為：4＃＞3＃＞2＃＞1＃。從曲線變化規(guī)律可以看出，最佳乳化瀝青灑布量一般為0.4~0.6kg/㎡。

為了分析黏層的黏結強度與乳化瀝青指標的關系，采用0.4kg/㎡和0.6kg/㎡兩個乳化瀝青灑布量的直剪試驗結果與乳化瀝青指標進行回歸分析，結果如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯鄬碚f乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點和60℃動力黏度與層間黏結強度關系很大，尤其是60℃動力黏度與直剪試驗結果的相關系數(shù)R^2達到0.95~0.98，可見乳化瀝青的60℃動力黏度是篩選黏層乳化瀝青的有效指標。乳化瀝青的指標與層間抗剪強度的相關性優(yōu)劣排序為：60℃動力黏度＞軟化點＞恩格拉黏度＞蒸發(fā)殘留物含量＞針入度。

2.2瀝青混合料類型對黏層黏結效果的影響分析

分別采用SMA-13，AC-13和PA-13瀝青混合料做上面層，采用4＃乳化瀝青及0.4kg/㎡和0.6kg/㎡兩個乳化瀝青灑布量形成黏層，采用AC-20瀝青混合料做下面層，成型復合圓柱試件進行直剪試驗，分析瀝青面層結構組合對層間黏結強度的影響，試驗結果如圖7和圖8所示?？梢钥闯觯瑸r青路面結構組合對黏層黏結性能影響的優(yōu)劣為：“AC-13＋AC-20”＞“SMA-13＋AC-20”＞“PA-13＋AC-20”，相對“PA-13＋AC-20”，在0.6kg/㎡乳化瀝青灑布量下，“AC-13＋AC-20”和“SMA-13＋AC-20”組合下黏層抗剪強度分別高出了34.4%和22.6%，抗剪強度增長率分別高出了32.2%和27.8%。

為了分析產(chǎn)生上述結構組合對層間黏結強度影響規(guī)律的原因，將旋轉壓實成型的上面層瀝青混合料底面接觸到未破乳的灑布量為0.6kg/㎡的乳化瀝青上，然后將混合料試件放到白紙上，形成了接觸印跡圖像如圖9所示，然后將圖片導入圖像處理軟件進行二值化處理，如圖10所示，計算接觸點總面積。SMA-13瀝青混合料與下層接觸總面積為10614.93ｍ㎡，AC-13瀝青混合料與下層接觸總面積為14147.05ｍ㎡，PA-13瀝青混合料與下層接觸總面積為396.93ｍ㎡，這與黏層的黏結強度大小規(guī)律一致，根據(jù)摩擦力形成原理，接觸面積越大，摩擦力越大，因此形成的層間抗滑移能力越強，層間黏結越好。

2.3水環(huán)境對黏層黏結效果的影響分析

采用“AC-13＋AC-20”和“PA-13＋AC-20”兩種結構組合，采用4＃乳化瀝青及0.4kg/㎡和0.6kg/㎡兩個乳化瀝青灑布量形成黏層，分別進行3次，6次，9次，12次和15次凍融循環(huán)，分析抗剪強度和抗剪強度增長率對凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，試驗結果如圖11和圖12所示。同時，分別進行了3000次，6000次，9000次，12000次和15000次動水沖刷，分析抗剪強度和抗剪強度增長率隨動水沖刷次數(shù)的變化規(guī)律，試驗結果如圖13和圖14所示。

從圖11和圖12可以看出，隨著凍融次數(shù)的增多，“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率呈現(xiàn)出顯著的降低趨勢，“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率降低不明顯。這是因為，AC-20瀝青混合料為密級配瀝青混合料，采用凍融試驗的靜態(tài)水作用不容易滲入試件內(nèi)部損傷黏層，而PA-13瀝青混合料為開級配瀝青混合料，空隙較大，水容易滲入到黏層，在凍融作用下對其造成損傷。同時，凍融作用下0.6kg/㎡灑布量黏層損傷顯著低于0.4kg/㎡，表明較厚的瀝青膜形成的黏層更容易抵御水的損害作用。經(jīng)過15次凍融損傷后，0.6kg/㎡黏層“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了8.8%和4.4%；“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了31.6%和26.1%。

從圖13和圖14可以看出，隨著動水沖刷作用次數(shù)的增多，兩種結構組合試件的抗剪強度和抗剪強度增長率都呈現(xiàn)出顯著的降低趨勢。這說明，與靜態(tài)水凍融試驗相比，動水沖刷試驗能夠將水滲入到黏層對黏層造成損傷，試驗條件更嚴苛。整體來說0.6kg/㎡灑布量黏層損傷也顯著低于0.4kg/㎡，與凍融試驗規(guī)律一致。經(jīng)過15000次沖刷后，0.6kg/㎡黏層“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了45.3%和30.9%；“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了62.7%和52.2%。兩種水環(huán)境下試驗結果均表明，水對黏層有一定的損傷作用，這與文獻[18]中復合小梁層間試驗的研究成果一致，但沖刷試驗更能模擬不利水環(huán)境，相對文獻[18]損傷更為嚴重，上層瀝青混合料為透水瀝青混合料時更要注意黏層抗水損傷的能力，適當增加黏層油厚度有助于提升黏層抗水損傷能力。

2.4碾壓及老化作用對黏層黏結效果的影響分析

采用“AC-13＋AC-20”和“PA-13＋AC-20”兩種結構組合，采用4＃乳化瀝青及0.4kg/㎡和0.6kg/㎡兩個乳化瀝青灑布量形成黏層，分別采用車轍儀進行2000次，4000次，6000次，8000次和10000次加載，模擬車輛碾壓作用對黏層層間黏結作用的影響，試驗結果如圖15和圖16所示。同時，分別進行5，10，15，20d和30d的老化試驗，模擬老化對黏層黏結強度的影響，試驗結果如圖17和圖18所示。

從圖15和圖16可以看出，隨著荷載作用次數(shù)的增多，不同工況下試件抗剪強度和抗剪強度增長率均呈現(xiàn)增長趨勢，說明車輛荷載作用有助于提高層間黏結。不同乳化瀝青灑布量黏層層間黏結隨荷載作用次數(shù)的增長規(guī)律和幅度相近。10000次荷載作用后，0.6kg/㎡黏層“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別提高了7.7%和2.0%；“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別提高了5.2%和5.4%。

從圖17和圖18可以看出，隨著老化時間的增長，不同工況下試件的抗剪強度和抗剪強度增長率均呈現(xiàn)增長趨勢，在老化的初期(5d)均出現(xiàn)了短時間黏結性能快速增長，后勻速增長，這與瀝青在老化初期輕質組分快速揮發(fā)黏度增長，后期揮發(fā)速度變慢規(guī)律一致，在一定的老化時期內(nèi)，黏層的黏結能力隨老化時間逐步增長?！癙A-13＋AC-20”的黏層黏結強度增長顯著大于“AC-13＋AC-20”，這是因為PA-13瀝青混合料空隙較大，熱空氣更容易接觸到黏層，加速黏層老化。整體來說，0.6kg/㎡灑布量黏層黏結強度隨老化增長高于0.4kg/㎡灑布量。30d老化作用下，0.6kg/㎡黏層“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別提高了36.5%和20.3%；“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別提高了40.6%和28.4%。

3、結論

(1)隨乳化瀝青灑布量的增加，黏層抗剪強度和抗剪強度增長率呈現(xiàn)先增大后降低的規(guī)律，乳化瀝青存在最佳灑布量，為0.4~0.6kg/㎡，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的60℃動力黏度與黏層的黏結強度具有較強的相關性，可做篩選依據(jù)。

(2)結構組合對層間黏結具有較大影響，上面層混合料類型對層間黏結影響的優(yōu)劣排序為：AC-13＞SMA-13＞PA-13，上瀝青混合料與下面層瀝青混合料的接觸面積越大，黏結強度越大。

(3)水對黏層有一定的損傷作用。相比靜態(tài)水作用試驗方法，動水沖刷試驗更能模擬不利水環(huán)境。經(jīng)過15000次沖刷后，0.6kg/㎡黏層“AC-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了45.3%和30.9%；“PA-13＋AC-20”試件的抗剪強度和抗剪強度增長率分別降低了62.7%和52.2%，上層瀝青混合料空隙率較大時要注意黏層抗水損傷的能力。0.6kg/㎡灑布量黏層的抗剪強度和抗剪強度增長率遠遠高于0.4kg/㎡灑布量黏層，適當增加黏層乳化瀝青灑布量有助于提升黏層抗水損傷能力。

(4)碾壓和老化作用對黏層黏結效果具有一定的提高作用。老化初期結構抗剪強度和抗剪強度增長率快速增強，后緩慢增長。排水瀝青混合料做上面層時，黏層老化對黏層抗剪強度和抗剪強度增長率的增長作用更強。