瀝青路面層間結合評價

1、瀝青路面層間結合評價摘要：公路快速建設與發(fā)展，瀝青路面占得比重越來越多，本文介紹了層間結合的功能，國內外對于瀝青層間結合的研究，施工條件及方法。給出了評價瀝青層間性能的指標及測試方法。1. 引言隨著我國公路建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國高速公路里程不斷增加。尤其是改革開放以來的30年，是我國公路建設最具規(guī)模、最具活力的時期，我國的高等級公路建設像雨后春筍一般得到了突飛猛進的發(fā)展。在高等級公路的建設中，瀝青路面由于平整性好、行車平穩(wěn)舒適、無揚塵、噪音低等優(yōu)點，被廣泛應用于世界各國高等級公路建設。在已通車的高速公路中，瀝青路面占九成以上。在今后的國道主干線建設中，瀝青路面仍將是主要的路面結構形式。隨著世

2、界道路交通的發(fā)展，交通量的不斷增加及軸載的增大，對高等級公路的力學性能及使用性能要求越來越高，由于路面性能不能滿足重交通荷載的要求而造成的路面結構早期破壞現(xiàn)象不勝枚舉，盡管材料組成設計和路面結構設計以及施工控制都滿足相關技術規(guī)范要求。在夏炎熱地區(qū)，很多高等級公路瀝青路面還是出現(xiàn)了波浪、車轍等高溫穩(wěn)定性不足等問題，這不僅降低了路面的行車舒適性，還可能給行車安全帶來隱患。車轍超過一定深度，就會在下雨天形成積水，出現(xiàn)汽車“水漂”現(xiàn)象。因車轍造成的路面橫向和縱向不平整，還容易導致夜間、雨天快速行駛的小汽車在變換車道時失去方向控制，釀成交通事故。瀝青類型、瀝青用量、級配和集料的表面狀況等都是瀝青路面產(chǎn)生

3、車轍的原因，面層結構、道路基層及施工質量也會使瀝青路面產(chǎn)生車轍。就我國目前的工程現(xiàn)狀來看，影響瀝青路面高溫穩(wěn)定性關鍵因素還包括瀝青路面面層層間抗剪強度、瀝青路面面層層間結合效果。我國瀝青路面層結構一般分層考慮，分層壓實，不同位置面層級配有所差異。在施工過程中，瀝青層之間要灑布粘層油稱為粘層。粘層在路面結構計算中不計入厚度，其主要作用是增強層間粘結，使瀝青層粘結為一個整體。瀝青混凝土路面面層層間處理正確與否，對路面的質量和使用壽命有很大影響。瀝青路面面層的瀝青混合料粘結強度的構成主要來自于材料的粘結力c和內摩擦角，瀝青混合料都達到了充分的振實碾壓，使各瀝青混合料結構層都達到了相對平整密實的狀態(tài)，

4、而瀝青路面各層間的結合效果的狀態(tài)仍然不能達到瀝青混合料內部的密實程度，處于瀝青混合料層間接觸而上的石料間產(chǎn)生的嵌擠作用會遠小于處于瀝青混合料內部的石料間產(chǎn)生的嵌擠作用。如果瀝青路面層間結合的作用沒有得到充分重視或者沒有進行有效的層間粘結處理，瀝青路面層間結合部就會成為路面整體結構的薄弱環(huán)節(jié)之一。瀝青路面面層層間抗剪強度成為層間結構強度的主要部分。2. 國內外研究現(xiàn)狀我國在設計路面過程中把層間結合效果假定為完全連續(xù)的，但是完全連續(xù)型路面層間結合效果在實際工程中是不可能達到的，絕大部分瀝青路面層間結合效果是介于完全連續(xù)型和完全滑動模型之間的一種半連續(xù)半滑動狀態(tài)，如果瀝青路面層間結合處理妥當，則瀝青

5、路面層間結合效果更趨近于完全連續(xù)性，而在一些極端的施工條件下（如路面大修工程中路面刨銑后受沙塵污染），瀝青路面層間結合效果會異常松散，甚至更趨近于完全滑動狀態(tài)目前國內對于瀝青路面層間功能層的研究逐漸受到有關部門的重視，并取得了一定的研究成果，但是研究深度略顯不足。我國的瀝青混凝土路面施工技術規(guī)范中對瀝青路面層間功能層有明確的規(guī)定，但施工單位在實際施工過程中對瀝青路面層間功能層施工質量的重視程度還不能達到要求，經(jīng)常存在施工過程中瀝青路面功能層所用材料用量不足或者粘結材料灑布不均勻等不重視瀝青路面功能層質量的現(xiàn)象。國內的主要研究還有瀝青路面面層剪應力的粘彈性有限元分析，調查結果表明，路面出現(xiàn)的早期

6、車轍在很大程度上是由剪切破壞引起的，其中一個重要的原因是設計人員在根據(jù)我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范進行路面結構設計過程中沒有考慮剪應力的影響。雖然國內有不少專家學者對此問題進行了研究，取得了一定的成果，但其研究大多基于將瀝青混合料當作線彈性材料來考慮。實際上，在進行路面設計過程中不僅要認真考慮路面結構材料本身的特性，更應該正確認識路面面層內的剪應力狀況。利用有限元法分析超載、制動力和縱坡對路面結構的影響，可得出面層剪應力變化的一般規(guī)律，為瀝青路面設計提供一定的參考依據(jù)。對于瀝青混合料層間剪切力的理論分析和數(shù)值計算的應用方法，基于彈性層狀體系理論的計算軟件的應用對分析瀝青混凝土路面層間抗剪強度的分布

7、狀態(tài)提供了一定的支持。在設計瀝青路面結構時，由瀝青路面結構和力學的相關知識可以計算出各瀝青面層厚度和在各種行車荷載的作用下，瀝青混凝上路面層間產(chǎn)生的剪應力T的大小數(shù)值。有很多因素能對瀝青路面層間剪切力大小產(chǎn)生影響，其中瀝青路面的面層瀝青混合料所采用集料的類型和級配的差異，以及瀝青路面層間處理措施的不同均會使瀝青混凝土路面結構層間的抗剪強度T受到影響。瀝青混凝土路面的實際受力狀態(tài)可以模擬，并可測得在不同狀態(tài)（如改變?yōu)r青混合料層的厚度、改變?yōu)r青混合料的級配）下，瀝青路面層間抗剪強度的變化。進一步考慮瀝青混凝土路面抗剪切強度系數(shù)KT，以確定瀝青路面結構因為瀝青路面面層層間剪切作用而發(fā)生剪切破壞的可能

8、性。國外很早以前就對瀝青路面層間剪切進行研究，比如ASTRA設備，就是一種可以對路面材料剪切力進行測試的試驗設備。國外瀝青混合料的研究主要集中在Superpave瀝青混合料設計方法上，這種方法最早于1990年提出，是美國SHRP計劃的研究成果。NCAT(National center for Asphalt Technology)指導委員會要求NCAT提供一些能夠提高瀝青混合料性能的試驗方法指南。NCAT指導委員會希望這一指南能夠長期使用，直到諸如NCHRP 9-19或其他研究報告提供更好的試驗評價方法。在評價瀝青混合料抗車轍能力的試驗方法中，包括 SST(Superpave Shear Te

9、st)剪切試驗，但是SST試驗設備昂貴且操作復雜，到目前為止還沒有形成一個基于SST試驗的可接受的評估瀝青混合料性能的模型。國際上不同的車轍試驗機的主要區(qū)別體現(xiàn)在車轍試驗試件尺寸與車轍試驗荷載輪這兩個技術參數(shù)上。近些年世界上被人們廣為熟知和廣泛應用的是法國道路與橋梁中心研究所(LCPC)、CPN車轍試驗機等應用范圍也比較廣。上世紀70年代之前，第一代的英國原型車轍試驗機結構簡單，操作方法容易掌握，我國很多早期車轍試驗設備是模擬實心輪胎制作的，其實是在車轍試驗機的鐵輪的基礎上在外圍套裝了一層5mm厚的橡膠輪胎，標準的車轍試件的厚度是50mm，幾乎與瀝青路面表面層厚度相當。因為車轍試驗機的原理簡單

10、，操作性強，后來日本和我國都是依照英國的車轍試驗方法進行車轍試驗的。西方國家對車轍試驗進行分析，將瀝青路面產(chǎn)生車轍問題分成以下3個方面進行討論: a) 由于行車荷載作用使路面上部局部有壓密形變產(chǎn)生。b) 瀝青混合料產(chǎn)生塑性形變。c) 因為瀝青路面表層瀝青的剝落而使瀝青混合料產(chǎn)生不穩(wěn)定性3. 瀝青路面層間功能層瀝青路面在荷載、外界條件的作用下，經(jīng)常會出現(xiàn)破壞（車轍、疲勞開裂），路面層間功能層的缺失與強度不足是產(chǎn)生破壞的原因之一。目前，我國的瀝青路面功能層主要有這樣幾種:透層、封層、粘層。透層油是設置在瀝青路面和路基之間起到增強瀝青路面面層和路面基層粘結作用的一種材料，主要作用是防止水分滲入路面基

11、層，以免對路面基層的強度造成影響，也防止瀝青混凝土中的瀝青滲入路面基層，導致路面面層的混合料設計的油石比發(fā)生變化，強度降低。透層養(yǎng)生之后要在其上設置封層其主要作用是封水、抵抗交通對基層的損害。粘層油是設置在瀝青路面面層之間起粘結作用的一種材料，它的厚度不計入瀝青路面結構，但這些功能層都在瀝青路面結構中起到特定的作用，如耐久性、高溫穩(wěn)定性和抗剪切能力。1) 瀝青路面透層瀝青路面透層主要是置于瀝青路面基層與瀝青路面下面層之間的功能層，瀝青路面透層的主要作用是使路面基層的開口空隙封閉，這對于半剛性基層的養(yǎng)生和強度的形成是有利的。瀝青路面透層是路面面層的有機材料和道路基層的無機材料的結合層。透層還有很

12、強的防水作用，有助于道路基層和瀝青路面之間結合強度的形成。我國瀝青路面施工規(guī)范規(guī)定：瀝青路面各類基層都必須噴灑透層油，瀝青層在透層油完全滲透入基層后方可進行鋪筑。透層油必須深入路面基層，滲透深度通?？刂圃?mm以上，如果透層油沒有滲透到路面基層，而僅僅形成一層油皮，這層油皮很容易被施工車輛、攤鋪機粘起、推掉，透層油就起不到應有的對瀝青路面和基層的聯(lián)結、防水、穩(wěn)定、固結的作用。2) 瀝青路面下封層下封層設置于養(yǎng)生后的基層之上，其主要作用是防水。單單依靠透層是不能抵消交通荷載對基層的破壞作用的。下封層的主要作用有以下幾點：a) 層間粘結主要是指路面基層與瀝青路面面層之間的聯(lián)結，這點作用與透層的作用

13、是一樣的。路面基層的材料組成及施工方法與瀝青路面的材料組成及施工方法是不一樣的，路面基層為無機材料而瀝青路面面層為有機材料，面層與基層之間不容易聯(lián)結緊密，這就需要設置下封層，通過下封層、透層的相互配合，使路面基層與瀝青面層有機緊密的結合在一起，從而保證道路的使用功能和使用壽命。b) 傳遞荷載道路的承載能力一般由半剛性基層來承擔，瀝青路面面層主要是起到防水、防滑、防噪聲和向路基傳遞荷載的作用，而要傳遞荷載必須使路面基層與面層之間產(chǎn)生有效的聯(lián)結。封層的作用之一就是聯(lián)結作用，封層可以有效的將交通荷載從路面面層傳遞到路面基層。c) 防水抗?jié)B瀝青路面經(jīng)常受到雨水、地表水的侵蝕、破壞。在瀝青路面施工過程中

14、往往因為瀝青混合料的離析和不均勻性，影響路面的防水性能，地表水如果透過路面進入路面基層，在凍融和動力水的作用下對路面基層的破壞作用極大。因此應該在瀝青路而之下，路面基層之上鋪設封層來增強道路整體的防水性能。d) 提高路面整體強度封層有效地增強了瀝青路面與道路基層之間的粘結力，使柔性的瀝青路面與剛性或半剛性基層更有效的結合在一起，防止瀝青路面與路面基層之間產(chǎn)生滑移，起到承上啟下的作用，提高道路的整體強度。3) 瀝青路面粘層瀝青路面面層一般由2-3層組成的。粘層是設置在路面面層層間的功能層，由于瀝青路面施工是不連續(xù)的，當一層瀝青路面施工完畢后，由于臨時開放交通或惡劣自然條件使路面造成污染，如果不及

15、時清掃和灑布粘層油，就會使瀝青路面面層間產(chǎn)生不連續(xù)的情況，路面面層間就易產(chǎn)生滑移，影響路面的穩(wěn)定性與耐久性。為了保證瀝青路面面層間的緊密結合必須設置粘層。即在瀝青路面面層施工完畢后，在其上灑布粘層油。粘層油主要起到使瀝青路面面層間界面緊密聯(lián)結的作用，雖然粘層只是功能層材料，但是功能層對保證路面整體結構的穩(wěn)定性起到很大作用，如果瀝青路面粘層缺失或者設置不當，很容易成為瀝青路面日后產(chǎn)生病害的誘因。粘層油噴灑時必須保證噴出的瀝青成均勻霧狀，在全寬度的路面范圍內分布均勻，最好形成瀝青薄層，禁止有成條狀撒布或灑花漏空的情況發(fā)生。在粘層油噴灑不足的地方要進行補灑。粘層油灑布過后，車輛和行人禁止通行。粘層油

16、的施工最好在當天進行，待乳化瀝青破乳、水分蒸發(fā)完成，或稀釋瀝青中的稀釋劑基木揮發(fā)完成后，接下來進行瀝青層的鋪筑，這樣可以保證粘層不受污染。粘層油起的作用是使瀝青路面幾下瀝青層完全粘結成緊密的整體，當瀝青路面下面層受到污染時必須及時對已鋪筑的面層進行清掃，然后灑布粘層油，然而在路面工程的施工過程中經(jīng)常會遇到對已鋪筑面層的污染程度有不同的理解的情況，這導致了施工人員對粘層油認識的混亂。對于同一種施工情況，是否進行粘層油噴灑不同的施工人員又持不同的看法，因此，為了保證瀝青路面的施工質量，建議在所有瀝青路面的施工過程中都要進行粘層油灑布。4. 層間結合檢測指標國內外對瀝青路面層間結合有大量的研究，用于

17、層間結合的檢測指標主要有三個：抗剪切強度、粘結強度和扭轉強度指標?？辜羟袕姸戎笜擞糜趯娱g結合狀態(tài)評價符合車輪荷載作用下路面受力狀態(tài)，但檢測方法多卻不統(tǒng)一，另外用于現(xiàn)場檢測時對路面的擾動過大；粘結強度指標是層間結合狀態(tài)的間接評價指標，檢測方法簡便、統(tǒng)一；扭轉強度是新的用于評價層間結合粘結效果的間接指標，檢測方法較單一，不同的檢測指標，檢測原理不同。1) 抗剪切強度指標抗剪切強度是反映層間結合粘結效果抗剪切變形的指標，目前抗剪強度指標的檢測原理有斜剪與直剪兩種。直剪試驗包括只有水平力作用的直剪試驗和水平荷載、垂直荷載共同作用下的直剪試驗。只有水平荷載作用的直剪示意圖見圖1，水平荷載、垂直荷載共同作

18、用下之間示意圖見圖2。只考慮水平剪切力的作用，不符合路面層間結合受力原理；同時考慮水平力與垂直壓力在只考慮水平力的基礎上進了一步，但與車輛荷載作用下路面層間處的受力情況還有差別。馮德成等曾經(jīng)進行過瀝青路面層間結合狀態(tài)試驗與評價方法的研究，其借鑒土力學直剪試驗原理，采用路面直剪測試儀進行了相關試驗，試驗原理與圖2相同。長安大學劉細軍等開發(fā)了一種原理簡單、參數(shù)可以改變的直剪儀器，這種設備還可以用來方便地測試路面鉆芯和試驗室制備的圓柱體試件，也可在MTS 上操作，如圖3。該儀器的兩個剪切套具間的間距可調，利用 MTS 可以方便地控制應變或應力模式加載，荷載的大小和試驗溫度也可調整，儀器通過剪切套具下

19、支撐的偏移來實現(xiàn)剪切，操作簡便，試驗數(shù)據(jù)由軟件自動采集和輸出。斜剪試驗是模擬現(xiàn)場行車荷載作用下路面層間結合處受力情況最好的方法。長安大學武建民等研制了DLG-A 型路面剪切試驗儀（見圖 4），剪切面成 45，在垂直荷載作用下，試件可以同時受到垂直壓力和水平剪切力的作用，能較好的模擬路面行車荷載作用以及路面結構層受力情況。儀器主要由剪切試驗模具、試驗成型模具、壓力傳感器、位移傳感器和單片微處理控制器組成，試件成型尺寸為 25cm25cm25cm。試件采用較大的平面尺寸，可以克服基層、面層材料自身的不均勻性所造成的測試偏差；試件成型采用壓力機分層振動或靜壓成型，并達到相應的壓實度要求。綜合以上抗剪

20、切強度檢測方法可以看出，抗剪切強度 （斜剪試驗） 可以很好的模擬路面層間結合處的受力狀況，但不適于現(xiàn)場檢測。圖 13 的檢測方法用于現(xiàn)場檢測時對路面的擾動很大，不適宜于現(xiàn)場檢測。圖 4 的檢測方法只能用于室內檢測且工序繁雜，成型方法無操作規(guī)程，現(xiàn)場取樣比較困難，采用切割方法進行現(xiàn)場取樣破壞面積較大，且芯樣容易破壞。目前還沒有既適用于室內又適用于現(xiàn)場且擾動較少的抗剪強度指標檢測方法。2) 粘結強度指標粘結強度指標是通過檢測兩個結構層間的粘結力（拉拔力）來評價層間結合粘結效果，該試驗也叫拉拔試驗，其試驗原理見圖 5。曾進行過大量的不同層間接觸狀態(tài)抗剪切強度與粘結強度試驗，檢測結果表明層間接觸狀態(tài)對

21、抗剪切強度影響很大，但對粘結強度幾乎沒有影響。實際施工現(xiàn)場，層與層之間的接觸程度因處理工藝不同而不同，如果采用拉拔儀檢測粘結強度來評價路面層間結合粘結效果對路面層間結合粘結效果評價不真實，但該指標的現(xiàn)場檢測較方便，國內也有多種用于粘結強度檢測的儀器。3) 扭轉強度指標扭轉強度指標是通過對上結構層施加扭矩層間結合破壞，其破壞扭矩作為扭轉強度來評價層間結合粘結效果，其試驗原理見圖 6。該檢測方法目前主要運用于瑞典現(xiàn)場層間結合檢測評價，國內還沒有相應的檢測設備?？辜羟袕姸戎笜诉m合用于層間粘結效果檢測，但不適宜于現(xiàn)場檢測；粘結強度指標只能反映粘結材料對層間結合的影響，不能真實的反應層間接觸狀態(tài)對粘結效

22、果的影響，所以目前最好的方法是扭轉強度指標，其既可反映層間接觸狀態(tài)，又可反映粘結材料的粘結性能。但目前國內還沒有一臺扭轉強度檢測儀，還需要對外國技術進行引進吸收與優(yōu)化。5. 層間結合檢測方法1) 抗剪切強度檢測方法抗剪強度指標的檢測方法主要有以下五種：“拉脫”試驗、三點彎拉試驗、四點彎拉試驗、直剪試驗和斜剪試驗?！袄摗痹囼炁c拉拔試驗原理相同，這種方法簡便，但與實際路面層間受剪狀態(tài)不相符。三點和四點抗彎試驗，通過跨中加載來計算試件瀝青層底面撓度產(chǎn)生的層間錯動分量來分析層間粘結效果，這與車輪荷載作用下路面層受力機理不同。直剪試驗檢測方法也與層間結合受力機理不同，長安大學還研制開發(fā)了 LLM直剪試驗系統(tǒng)，該方法用于現(xiàn)場檢測時對路面結構擾動過大。斜剪試驗可以形象的模擬行車荷載對層間結合的作用狀態(tài)，但只適合于室內檢測評價。2) 粘結強度檢測方法粘結強度的檢測方法主要為拉拔試驗，通過檢測兩