路面层间粘结性能施工验收定量评价指标分析

2023-12-27何苗苗魏小皓王冬梅

北方交通 2023年12期

何苗苗,魏小皓,王冬梅,吕蕾

(1.成都建工路桥建设有限公司成都市 610031;2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司成都市 610041)

0 引言

为确保沥青路面达到良好的受力状态,必须在不同路面结构层之间喷洒粘结料,使各层相互粘结形成一个连续受力的整体。粘结性能主要由粘层油自身的品质和施工工艺这两方面决定。而粘层材料自身的性质主要取决于材料厂商,施工过程中可以主观操控的因素只有粘层油的施工工艺。尽管如此,粘结层施工完成后却无验收评价指标及相应的评价标准,这对粘结层的过程质量控制极为不利。基于此,文章首先对增加路面层间粘结性能定量评价指标的必要性进行了分析,随后探讨了其评价指标和试验方法,以及在制定验收评价标准时应考虑的因素。

1 增加路面层间粘结性能定量评价指标的必要性分析

我国现行《沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论,其层间假设为完全连续。由于在实际施工时路面是分层摊铺的,而且基层与面层以及各面层之间使用的材料并不相同,其强度和模量必然存在差异,因此实际各路面结构层之间并非完全连续,进而导致交通荷载作用时路面各结构层之间的整体性与协调性均存在不足。如若层间粘结不良,层间结合面就成了路面结构的薄弱环节,在受到诸如加速、刹车、掉头等存在较大水平作用力的行为时,层间易产生相对滑动,导致面层出现开裂、推移、拥包等各类病害,对于无中间带的二、三、四级公路尤其明显。以四川省凉山州普通国省干线公路为例,对典型病害位置进行钻芯取样,统计发现33.3%的芯样沥青面层之间存在层间分离现象(如图1、图2所示),91.6%的芯样沥青面层与基层之间存在层间分离现象(如图3所示),而且存在层间分离的路段其路面病害往往更加严重,对来往车辆的行驶舒适性与安全性都带来不利影响。

图1 芯样孔

图2 芯样上下面层分离

图3 芯样面层和基层分离

路面结构内部出现层间分离的原因不外乎设计、施工、管理等各方面。就施工质量管控而言,《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)仅对用于透层和粘层的材料指标和施工条件提出要求,而在路面施工过程中的质量控制标淮中并未提出层间粘结的指标要求。此外《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)也没有层间粘结的检查和评定项目,主要依靠经验判断,能够完整取出“芯样”且各层之间完好粘在一起即可确认其符合要求,然而该方式不能定量反映路面层间粘结性能的强弱。

综上所述,路面产生病害与路面内部各结构层之间的层间粘结状态有极大的关系,然而施工现场却无明确的质量检验评定指标。因此为加强施工过程质量控制,延长路面使用寿命,有必要增加路面层间粘结定量评价指标同时制定不同路面结构的评价标准。

2 定量评价指标和试验方法探讨

如前所述,目前路面施工质量验收时层间粘结性能并无统一的定量评价指标和评价标准,然而国内外却有评价层间粘结的试验方法。中国交通运输部《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)采用的是拉拔试验和扭剪试验,欧洲(prEN 12697—48)采用扭剪粘结试验(torque bond test)、剪切粘结试验(shear bond test)、拉拔试验(tensile adhesion test)、压缩剪切粘结试验(compressed shear bond test)和重复压缩剪切强度(cyclic compressed shear bond test),而美国公路及运输协会(AASHTO T323)采用的是剪切粘结试验(bond shear strength)。尽管各个国家评价指标和试验方法略有不同,但是表征层间粘结性能的技术指标仍可总结为抗剪强度与拉拔强度两类,这与国内外各学者研究中采用的评价指标是一致的。

拉拔强度是通过检测两个结构层间的拉拔作用力(粘结力)来评价层间粘结性能。对于具体试验方法,拉拔强度测定较为统一,在试件一侧施加拉拔力即可,试验原理如图4所示。拉拔试验起初主要是用于测试桥面铺装与桥面之间的结合状况,该试验方法可用于试验室测定和现场测定,能直观的体现出层间结合状况。但由于其测试的是垂直荷载,力学原理与路面结构实际受力状态不相符,因此可作为一种间接评价的试验方法。

图4 抗拔试验示意图

抗剪强度就是反映层间粘结效果抗剪切变形的指标。剪切试验方法较多,主要分为直剪、斜剪和扭剪试验,直剪试验又分为水平力剪切试验和水平力、法向力共同剪切试验(原理如图5所示)。对于抗剪强度测定试验来说,剪切力的施加方式仍然存在一定争议。陈明星[1]认为如果只考虑水平剪切力的作用,而不考虑竖向力的作用显然跟路面实际受力状态不相符,试验结果也只能用于定性分析,而无法用于定量分析。宁志峰等[2-3]认为最常用且最接近于路面实际受力状态的是有法向力的直剪试验。胡凯健等[4-5]均表示沥青面层与水泥混凝土界面间的摩阻力是影响层间粘结性能的主要因素,因此对于刚柔复合式路面结构而言,斜剪试验更能有效地模拟真实的车辆荷载作用从而评价路面层间抗剪性能。李杨梅[6]认为由于车辆在行驶过程中会同时对路面产生水平荷载和竖向荷载,故采用45°斜剪试验模拟车辆行驶对粘结层的作用以评价层间抗剪强度。瑞典等许多欧盟国家多采用扭剪试验对现场层间粘结效果进行评价,但是薛成[7]认为扭剪试验虽然能够模拟层间多向受剪的状态,但是受力状态与实际也并不相符。此外不同试验条件下得到的

图5 剪切试验示意图

抗剪强度差异很大,抗剪强度与法向力大小、剪切速率、试验温度等因素密切相关。

目前研究对于层间粘结性能的定量评价指标基本达成一致,包括抗剪强度和拉拔强度,但是抗剪强度的测定试验方法尚需进一步统一,尤其是剪切力的施加方式。

3 粘结性能影响因素综述

近年来,国内外学者采用多种方法对路面层间粘结状态进行了大量的试验工作。研究表明,抗剪强度和拉拔强度的影响因素主要有结构层材料类型、粘结材料类型及洒布量、竖向荷载及外界环境(温度、湿度等)。

对于结构层材料类型方面,苏新国等[8]通过剪切试验对面层6种级配混合料进行研究,结果表明AC粘结效果优于SMA和OGFC,并认为产生该结果的原因在于AC混合料的接触面积最大。与之不同的是,陈华鑫等[9]在类似的研究中发现,在NovaChip、SMA、AC和OGFC这4种混合料路面结构中,层间抗剪强度顺序为NovaChip>SMA>AC>OGFC;而且试验条件和路面结构类型对沥青路面层间粘结效果影响显著,层间抗剪强度随界面的污染而快速下降。艾长发等[10]研究表明在只有有水平剪切力的时候,AC-20与AC-13复合试块由于结构最密实且表面粗糙,表现出最好的抗剪性能;而施加法向力后,AC-20与SMA-13复合试块则表现出最大的抗剪强度。

对于层间粘结材料方面,黄余阳阳[11]研究发现,在6类试验材料中SBS改性乳化沥青的抗剪强度表现最优,而且竖向荷载与粘结材料洒布量的增加均会改善层间粘结效果。彭国强等[12]以拉拔强度作为评价指标,选取了4种材料进行试验,发现埃索70#的粘结强度最大,伊朗70#和镇海70#次之,中海70#相对最小,研究还表明材料的浸润作用对粘结强度的形成有较大影响。王文国等[13]试验分析了橡胶沥青、SBS 改性沥青和环氧改性沥青的拉拔强度、直剪强度在不同温度下的表现,结果表明橡胶沥青的粘结强度最大、环氧改性沥青的粘结强度最小,且拉拔强度、直剪强度与温度具有较好的指数关系。

对于试验条件方面,张轩铭[14]研究表明对于同一种粘层材料,抗剪性能随着洒布温度的降低其性能表现越好;竖向荷载对层间抗剪强度的影响最大,洒布量次之,温度相对影响较小。薛成[7]在进行直剪试验时发现,升高温度会显著降低层间抗剪强度和粘结系数,40℃的抗剪强度只有0℃状态下的35%;水分对层间粘结会造成破坏,浸水后材料的抗剪强度下降幅度约7.6%～32.6%。李俊等[15]在研究多孔沥青路面的层间抗剪强度和抗拉强度时发现,高温和长期浸水条件对两种性能均会产生明显的衰减效果,试件间设有粘层的衰减幅度小于不设粘层的试件。

综上所述,不同试验条件、不同材料类型以及不同评价指标得到的层间粘结性能结果千差万别。若采用抗剪强度和拉拔强度作为路面层间粘结性能的评价指标,在制定评价标准时,应充分考虑结构层材料类型、粘结材料类型及洒布量、竖向荷载及外界环境(温度、湿度等)等影响因素。