新舊瀝青路面黏結(jié)界面處理方式對路面性能的影響試驗(yàn)

邵珠濤， 陶家清， 黃楊權(quán)， 艾長發(fā)， 蔣運(yùn)兵(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 61001； 2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)試驗(yàn)室；

3.中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司； 4.中國水利水電第七工程局有限公司)

近年來，中國道路工程工作重心已逐漸由新建轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)。在道路養(yǎng)護(hù)中，路面養(yǎng)護(hù)是一項(xiàng)主要工作，占重要地位。瀝青路面作為中國的一種主要路面結(jié)構(gòu)形式，其破壞類型、成因及破壞后的修補(bǔ)措施是路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。在路面破損中，裂縫是瀝青路面最常見的破壞形式，根據(jù)其形成機(jī)理不同，可分為荷載型裂縫、溫度裂縫和反射裂縫。因此，裂縫修補(bǔ)一直是當(dāng)前瀝青路面修復(fù)的重要研究方向，文獻(xiàn)[4-6]研究了不同裂縫修補(bǔ)材料的特性及其裂縫修復(fù)方法；文獻(xiàn)[7]就貼縫帶的3種主要失效模式，提出了以錐入度、軟化點(diǎn)、拉拔和低溫拉伸4個(gè)指標(biāo)為核心的評價(jià)方法和技術(shù)要求。坑槽是瀝青路面另一種常見的破壞形式，其修補(bǔ)技術(shù)也是公路管理部門需要解決的難題，文獻(xiàn)[8]指出冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料常被用來進(jìn)行瀝青路面坑槽修補(bǔ)；文獻(xiàn)[9]則針對填料式、挖補(bǔ)式、熱烘式和噴射式4種坑槽修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行了分析和比較，確定了各種坑槽修補(bǔ)技術(shù)合理的使用天氣和溫度。以上研究主要針對瀝青路面修補(bǔ)材料及修補(bǔ)工藝，尚未涉及修補(bǔ)界面，而修補(bǔ)工程均存在界面問題，界面的形態(tài)、黏結(jié)性能也是影響修補(bǔ)質(zhì)量的重要因素。鑒于此，該文以修補(bǔ)界面為研究對象，重點(diǎn)考察界面黏結(jié)材料類型及用量、黏結(jié)面形式等因素，開展正交試驗(yàn)，分析新舊瀝青路面黏結(jié)界面處理方式對修補(bǔ)路面整體性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青混合料級(jí)配材料

試驗(yàn)采用骨架懸浮密實(shí)型瀝青混合料SMA-13制備含界面黏結(jié)縫復(fù)合小梁，以模擬含界面接縫的新舊瀝青路面?；旌狭现袨r青為高黏彈改性瀝青，油石比為6.18%，粗集料為玄武巖碎石，細(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉采用石灰石堿性礦粉，纖維采用木質(zhì)素纖維，摻量為0.3%。混合料級(jí)配組成如表1所示。

表1 SMA-13礦料級(jí)配

1.2 黏結(jié)劑性質(zhì)

黏結(jié)界面分別采用普通乳化瀝青、高黏彈改性乳化瀝青、樹脂乳化瀝青進(jìn)行黏結(jié)，其主要性能見表2。

表2 黏結(jié)劑性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.1 方案設(shè)計(jì)

對于新舊瀝青路面，影響其界面黏結(jié)性能的因素主要包括黏結(jié)材料類型及用量、黏結(jié)面形式等，以上因素相互作用、相互影響。通過室內(nèi)試驗(yàn)研究三者對新舊瀝青路面黏結(jié)界面影響，試驗(yàn)包含2個(gè)3水平因素，1個(gè)6水平因素(表3)。為方便對試驗(yàn)方案進(jìn)行正交處理，提高試驗(yàn)結(jié)果的精確性，將其轉(zhuǎn)換為2個(gè)3因素3水平試驗(yàn)，按表4正交試驗(yàn)表進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，所得試驗(yàn)方案如表5所示。

表3 試驗(yàn)因素水平

表4 正交試驗(yàn)表

表5 正交試驗(yàn)方案

為研究界面黏結(jié)縫對新舊瀝青路面性能的影響，對含界面黏結(jié)縫復(fù)合小梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)。已有資料研究表明：瀝青混合料最容易發(fā)生疲勞破壞的最不利溫度為13～15 ℃，該文中小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)選取15 ℃作為試驗(yàn)溫度，750 με作為應(yīng)變水平。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行棄差處理，并保證最終有效小梁不少于3根。

2.2 含界面黏結(jié)縫復(fù)合小梁制作

加工的車轍板模具尺寸為40 cm×30 cm×5 cm，中間設(shè)置可拆卸0.5 cm×30 cm×5 cm分隔板，如圖1所示。為獲得新舊瀝青路面的不同黏結(jié)面形式，加工了相應(yīng)形狀的輔助活動(dòng)鋼板，如圖2所示。

含界面黏結(jié)縫的復(fù)合小梁成型過程如下：① 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的黏結(jié)面形式，在車轍板模具分隔板位置放入對應(yīng)輔助活動(dòng)鋼板，加入拌和好的混合料碾壓成型半塊車轍板；② 待混合料冷卻后，根據(jù)表5試驗(yàn)方案，在其黏結(jié)面上均勻涂抹相應(yīng)的乳化瀝青材料，在乳化瀝青破乳過程中，嚴(yán)格控制周邊環(huán)境，防止黏結(jié)面的污染；③ 待乳化瀝青完全破乳后，在已成型的半塊車轍板的基礎(chǔ)上再成型另半塊車轍板，最終形成整塊車轍板。成型后的車轍板如圖3所示；④ 使用切割機(jī)對車轍板試件進(jìn)行切割，得到6根5 cm×5 cm×40 cm含界面黏結(jié)縫的復(fù)合小梁。含不同黏結(jié)面形式的復(fù)合小梁截面如圖4所示。

圖1 車轍板模具

圖2 不同黏結(jié)面形式的輔助活動(dòng)鋼板

圖3 成型后的車轍板

圖4 含黏結(jié)面復(fù)合小梁截面

2.3 試驗(yàn)方法

在小梁彎曲疲勞試驗(yàn)方法中，有梯形梁疲勞試驗(yàn)(2PB)和小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)(4PB)，其中，2PB為歐洲廣泛使用的疲勞試驗(yàn)方法，4PB則在美國、澳大利亞等地區(qū)被廣泛使用。中國也廣泛采用4PB法。該文采用4PB法測試含黏結(jié)面的復(fù)合小梁疲勞性能，采用拉拔試驗(yàn)測試復(fù)合小梁的黏結(jié)面黏結(jié)強(qiáng)度。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

對表5中的18種試驗(yàn)方案按上述試驗(yàn)方法分別測試其疲勞壽命和黏結(jié)強(qiáng)度。每種方案選取6根復(fù)合小梁的試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行棄差處理，保證有效復(fù)合小梁不少于3根，得出的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 小梁疲勞壽命和黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 基于正交試驗(yàn)的界面最佳黏結(jié)方案確定

分別分析因素A、B、C對復(fù)合小梁疲勞壽命和黏結(jié)強(qiáng)度的影響，各因素下的水平值分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出：

(1) 對復(fù)合小梁疲勞壽命影響最大的因素為黏結(jié)面形式C，采用30°斜對接的復(fù)合小梁疲勞壽命是采用垂直對接復(fù)合小梁的5.54倍，而黏結(jié)材料類型A及其用量B對復(fù)合小梁疲勞壽命影響較小。因此，為保證含黏結(jié)面的新舊瀝青路面整體疲勞壽命，采用合適的路面切割面方式顯得尤為重要。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果的水平值分析

(2) 對復(fù)合小梁黏結(jié)強(qiáng)度影響最大的因素為黏結(jié)材料種類A，高黏彈改性乳化瀝青(A2)為最佳黏結(jié)劑，普通乳化瀝青(A1)為最差黏結(jié)劑。采用高黏彈改性乳化瀝青作為黏結(jié)劑的復(fù)合小梁黏結(jié)強(qiáng)度是采用普通乳化瀝青作為黏結(jié)劑的復(fù)合小梁的1.64倍。

(3) 為提高復(fù)合小梁的疲勞壽命和黏結(jié)強(qiáng)度，在因素A的3個(gè)水平中，應(yīng)選擇高黏彈改性乳化瀝青作為黏結(jié)劑，在因素B的3個(gè)水平中，應(yīng)選擇0.6 kg/m2作為黏結(jié)劑用量，在因素C的6個(gè)水平中，應(yīng)選擇30°斜對接作為黏結(jié)面形式。

綜上，可以得出，為提高含界面黏結(jié)縫瀝青路面的整體性能，應(yīng)對黏結(jié)縫進(jìn)行科學(xué)處理，最佳處理方案為：選擇30°作為新舊路面切割面傾斜角度，并用0.6 kg/m2的高黏彈改性乳化瀝青對新舊瀝青路面黏結(jié)面進(jìn)行黏結(jié)處理，即C5B2A2。

4 界面黏結(jié)縫對路面性能的影響分析

通過以上正交試驗(yàn)，可以得到新舊瀝青路面黏結(jié)縫最佳黏結(jié)方案，但其相對于正常無縫路面的性能差異以及黏結(jié)縫優(yōu)化處理效果還需進(jìn)一步研究。就此問題，該文考慮工況如表7所示，各工況下的小梁試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表7 研究工況

表8 試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出：① 不對黏結(jié)面進(jìn)行任何處理(即工況1)，其復(fù)合小梁的疲勞壽命非常低，當(dāng)采用最佳方案(即工況2)對復(fù)合小梁黏結(jié)面進(jìn)行處理后，可使復(fù)合小梁疲勞壽命提高472倍，但也只有無縫(即工況3)小梁的11.3%。因此，采用最佳方案處理新舊瀝青路面接縫，可大幅提高路面疲勞壽命，但接縫仍是路面的薄弱處，接縫的存在會(huì)大大降低路面的整體疲勞壽命；② 采用最佳方案(即工況2)處理過的復(fù)合小梁黏結(jié)面是垂直無黏結(jié)劑黏結(jié)面(即工況1)黏結(jié)強(qiáng)度的80倍，但即使是采用最佳方案，其復(fù)合小梁黏結(jié)面黏結(jié)強(qiáng)度仍低于正常無縫小梁。因此，對于修補(bǔ)后的新舊瀝青路面，界面黏結(jié)縫依然是最容易產(chǎn)生破壞的部位。

5 結(jié)論

(1) 新舊瀝青路面的黏結(jié)界面處理方式對路面性能具有明顯影響，黏結(jié)面形式對疲勞壽命影響最大，界面黏結(jié)材料類型對黏結(jié)強(qiáng)度影響最大。

(2) 為提高復(fù)合小梁疲勞壽命和界面黏結(jié)強(qiáng)度，增加新舊瀝青路面的整體壽命，應(yīng)選擇的最佳界面黏結(jié)方案為：采用高黏彈改性乳化瀝青以0.6 kg/m2的用量均勻涂抹在傾斜角為30°的切割面。

(3) 復(fù)合小梁疲勞試驗(yàn)及黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果有力證明，界面黏結(jié)縫是最容易產(chǎn)生破壞的部位，該縫的存在會(huì)大大降低修補(bǔ)后所形成的新舊瀝青路面的整體壽命。因此，瀝青路面修補(bǔ)工程中應(yīng)采用合適的切割方式，并嚴(yán)控切割界面黏結(jié)縫的施工質(zhì)量。