雙層攤鋪瀝青路面層間抗剪性能試驗(yàn)研究

趙殿鵬，楊　平

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037；2.浙江省交通建設(shè)工程監(jiān)督管理局，杭州 311215)

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雙層攤鋪瀝青路面層間抗剪性能試驗(yàn)研究

趙殿鵬1，2，楊平1*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037；2.浙江省交通建設(shè)工程監(jiān)督管理局，杭州 311215)

摘要：瀝青路面層間結(jié)合狀態(tài)是影響其力學(xué)性能與使用性能的關(guān)鍵因素。瀝青路面雙層連續(xù)攤鋪技術(shù)是一種新型的施工技術(shù)，是將兩種不同級(jí)配的瀝青混合料同時(shí)攤鋪碾壓，與傳統(tǒng)的攤鋪方式相比，能夠提升層間結(jié)合狀態(tài)、施工周期較短等優(yōu)點(diǎn)。為研究?jī)煞N攤鋪方式的瀝青路面層間結(jié)合特性的差異，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M傳統(tǒng)分層攤鋪條件下粘層油用量、污染程度和雙層連續(xù)攤鋪層間結(jié)合方式，研究其對(duì)層間抗剪性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：傳統(tǒng)分層攤鋪過(guò)程中，污染物是降低層間結(jié)合性能的主要原因。在所有層間處理方法中，雙層連續(xù)攤鋪得到的層間抗剪強(qiáng)度最高，是傳統(tǒng)無(wú)粘層油分層攤鋪的1.7倍；比傳統(tǒng)分層攤鋪?zhàn)罴褜娱g結(jié)合狀態(tài)(最佳粘層油含量、無(wú)污染)下的抗剪強(qiáng)度提高27%。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；雙層連續(xù)攤鋪；層間結(jié)合；抗剪性能

0引言

為優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)，提高路面整體性，減少能源消耗、降低碳排放量，節(jié)約筑路材料，同時(shí)解決傳統(tǒng)瀝青路面面層因厚度較薄在不利季節(jié)溫度散失快而壓實(shí)不佳的問(wèn)題，1993年，Elk Richter提出了雙層攤鋪的理念[1]。雙層攤鋪技術(shù)指的是同時(shí)攤鋪上、下兩層瀝青混合料，然后再對(duì)上下兩層瀝青混合料同時(shí)進(jìn)行碾壓的瀝青路面施工技術(shù)。由于上下兩層同時(shí)施工，上層瀝青混合料及時(shí)攤鋪覆蓋，下層混合料熱量不易散失，可以傳遞至上層改善上層壓實(shí)條件，相對(duì)延長(zhǎng)了壓實(shí)時(shí)間，保證壓實(shí)充分。另一方面，上、下兩層同時(shí)攤鋪、共同碾壓，上下層的骨料相互嵌鎖，形成整體結(jié)構(gòu)層[2]。雙層攤鋪技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚處于起步階段，其研究主要集中于雙層攤鋪瀝青路面的室內(nèi)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特性、路用性能和施工關(guān)鍵技術(shù)等，國(guó)外著重于雙層攤鋪設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)。2005年，梁乃興[3]研究了雙層攤鋪瀝青混合料的施工控制過(guò)程。王選倉(cāng)等[4]歸納了雙層攤鋪技術(shù)施工工藝，并評(píng)價(jià)與分析了雙層攤鋪瀝青路面溫度散失規(guī)律和平整度控制效果。

以上國(guó)內(nèi)外研究主要集中在雙層攤鋪瀝青路面的設(shè)備、施工工藝和理論分析等方面，而對(duì)于雙層攤鋪瀝青層的層間結(jié)合特性缺乏深入系統(tǒng)的研究。層間結(jié)合特性對(duì)瀝青路面的剪切性能及抗疲勞性能具有重要的影響[5-7]。鑒于此，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M傳統(tǒng)分層攤鋪條件下粘層油用量、污染程度和雙層連續(xù)攤鋪層間結(jié)合方式，研究其對(duì)層間抗剪等性能的影響。

1試驗(yàn)方案

1.1原材料

本研究采用高速公路中常用的AC-13F作上面層，AC-20作為下面層。按照密實(shí)級(jí)配原則設(shè)計(jì)，利用馬歇爾試驗(yàn)方法確定兩種級(jí)配混合料的最佳油石比分別為5.1%、4.1%。實(shí)驗(yàn)中采用常用的中海70A級(jí)瀝青。粘層油采用SBR改性乳化瀝青。經(jīng)檢測(cè)：70A級(jí)瀝青、SBR改性乳化瀝青、粗集料和細(xì)集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。見(jiàn)表1～表4。

表1　粗集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The technical properties of coarse aggregate index

表2　細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 The fine aggregate technology properties

表3　礦粉技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Index properties of powder technology

表4　SBS改性瀝青性能指標(biāo)Tab.4 The technical properties of SBS modified asphalt

試驗(yàn)中采用瀝青混合料常用了兩種瀝青：中海70#A級(jí)道路石油瀝青和 SBS改性瀝青。其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5　中海70#A級(jí)道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.5 The technical properties of the Zhonghai 70#A asphalt

1.2試驗(yàn)方法

由于目前沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)瀝青混合料層間結(jié)合性能的試驗(yàn)方法，國(guó)外研究層間結(jié)合狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)大部分是直接剪切實(shí)驗(yàn)，雖然從受力的角度直剪實(shí)驗(yàn)偏保守(不加垂直荷載或者垂直荷載偏小)，但該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是試件制作方便。標(biāo)準(zhǔn)圓形試件既可以是旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制作的標(biāo)準(zhǔn)試件，也可以是從現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣[8-10]。

(a)試件制備

(b)直剪試驗(yàn)示意圖

(c)試驗(yàn)過(guò)程圖1　層間直接剪切試驗(yàn)Fig.1 The direct shear test device

具體的試件抽取過(guò)程如下：通過(guò)上、下分層碾壓成型車(chē)轍板，先成型下面層AC-20車(chē)轍板，采用2個(gè)300 mm×300 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試模組裝，用輪碾儀壓實(shí)到規(guī)定的壓實(shí)度。待下面層達(dá)到壓實(shí)度后，讓已成型的下面層在室內(nèi)靜置到規(guī)定的溫度(模擬雙層攤鋪時(shí)為110℃，分層攤鋪時(shí)靜置冷卻到常溫)。然后涂布污染物模擬層間污染等結(jié)合方式，之后再成型上面層AC-13車(chē)轍板。成型時(shí)混合料碾壓溫度為145～155℃。注意碾壓方向應(yīng)和下面層的碾壓方向一致。雙層車(chē)轍板成型好后，靜止放置一天左右時(shí)間，然后將試塊從試模中取出，在瀝青混凝土表面標(biāo)注出輪碾的方向。脫模后從車(chē)轍板中鉆芯獲取直剪試驗(yàn)用試件，如圖1(a)所示。本文參照NCHRP直剪實(shí)驗(yàn)[11]，在MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖及過(guò)程如圖1(b)、(c)所示。

瀝青混合料層間.抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式[12]：

S=Pmax/A。

(1)

式中：A為試件截面面積，mm；Pmax為最大剪切荷載，N；S為抗剪強(qiáng)度，MPa。

1.3試驗(yàn)方案

為了模擬傳統(tǒng)分層攤鋪時(shí)，層間粘層油灑布量、層間污染程度對(duì)瀝青路面層間性能的影響，本文模擬了0、0.3、0.6kg/m2這三種粘層油用量以及6種摻量下泥土、柴油兩種污染物對(duì)瀝青路面層間性能的影響。并與雙層連續(xù)攤鋪瀝青路面的層間性能進(jìn)行比較。具體的實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表6。

表6　本文試驗(yàn)方案Tab.6 Test scheme

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1傳統(tǒng)攤鋪粘層油用量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖2給出了粘層油灑布量分別為0(無(wú)粘層油)、0.3、0.6 kg/m2這三種用量條件下的瀝青混合料的層間抗剪強(qiáng)度。

圖2　傳統(tǒng)攤鋪時(shí)瀝青混合料層間抗剪性能Fig 2 Shear strength of traditional paving with different amount of tack coat

從圖2可以看出，粘層油的使用可以增加瀝青混合料層間抗剪切強(qiáng)度。不灑粘層油時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度為0.289 MPa，灑0.3 kg/m2時(shí)為0.382 MPa，乳化瀝青灑布量為0.3 kg/m2時(shí)比不灑布乳化瀝青時(shí)提高了32.1%。但層間抗剪強(qiáng)度并不隨粘層油用量增加而一直增加。相反，過(guò)多的粘層油會(huì)降低層間抗剪強(qiáng)度，當(dāng)乳化瀝青粘層油灑布量為0.6 kg/m2時(shí)比灑布0.3 kg/m2時(shí)的層間抗剪強(qiáng)度降低15.8%。

2.2傳統(tǒng)攤鋪層間污染對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

傳統(tǒng)分層攤鋪施工瀝青路面過(guò)程中，當(dāng)?shù)撞繛r青層路面施工完畢后，可能間隔幾十天甚至幾個(gè)月之后再攤鋪其上瀝青層，進(jìn)而可能導(dǎo)致泥土、油污等對(duì)瀝青層間造成污染[13-14]。圖3模擬了泥土、柴油等不同污染源、不同污染程度對(duì)層間界面抗剪強(qiáng)度的影響。從圖3可以看出：輕微的泥土污染(0.05 g/m2)似乎沒(méi)有顯著降低層間抗剪強(qiáng)度(減低了3.6%)，這是因?yàn)樯倭康哪嗤梁驼硨佑托纬闪四z漿，仍然具有良好的粘結(jié)作用。但是隨著污染程度的加重，抗剪強(qiáng)度開(kāi)始迅速下降。當(dāng)泥土含量達(dá)0.2g/m2時(shí)，瀝青層間抗剪強(qiáng)度下降了44.1%。和泥土污染相比，柴油污染的影響更嚴(yán)重，柴油污染達(dá)0.1g/m2時(shí)，瀝青層間抗剪強(qiáng)度已經(jīng)下降59.0%。因此，傳統(tǒng)攤鋪時(shí)一定要嚴(yán)格做好施工管理，防止污染物破壞瀝青混合料層間的結(jié)合狀態(tài)。另外，實(shí)驗(yàn)還顯示當(dāng)油污染嚴(yán)重時(shí)(比如0.6 g/m2)，涂刷的粘層油已經(jīng)幾乎不能夠提供粘結(jié)能力。

圖3　污染量-層間抗剪強(qiáng)度的關(guān)系圖Fig 3 Interface shear strength under different contamination levels

2.3雙層連續(xù)攤鋪層間抗剪性能

圖4為雙層連續(xù)攤鋪方式成型和傳統(tǒng)單層攤鋪方式成型試件的剪切應(yīng)力-位移圖。從圖4可以看出，對(duì)于雙層攤鋪方式成型的試件，在初始加載階段，層間剪切應(yīng)力大小隨層間剪切位移的增大而呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在層間剪切應(yīng)力到達(dá)最大值后，層間剪切應(yīng)力極速降低，最大的層間剪切應(yīng)力就是試樣的層間抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，雙層連續(xù)攤鋪方式成型試件的位移-應(yīng)力變化曲線(xiàn)與采用同一種材料成型的試件的位移-應(yīng)力變化曲線(xiàn)形狀相似，表明了雙層連續(xù)攤鋪方式成型的試件的整體性很強(qiáng)。對(duì)于兩層分次擊實(shí)的試件，初始加載時(shí)的層間剪切應(yīng)力與層間剪切位移呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。在層間剪切應(yīng)力取得最大值之后，層間剪切應(yīng)力與位移呈現(xiàn)同步增加趨勢(shì)，而變的較為平緩，變化區(qū)間較小。此峰值就是傳統(tǒng)單層攤鋪成型試件的層間抗剪強(qiáng)度，驗(yàn)證了傳統(tǒng)分層鋪筑瀝青路面的層間剪切破壞分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為層間剪切的彈性變形階段，此時(shí)層間剪切應(yīng)力隨層間位移的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增長(zhǎng)；第二階段中，層間剪切應(yīng)力不再隨層間位移的增大而增大而是基本保持平穩(wěn)，說(shuō)明當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最大剪切應(yīng)力后瀝青膠漿粘度和粗集料的抗剪強(qiáng)度達(dá)極限。

圖4　不同攤鋪方式下的剪應(yīng)力-位移曲線(xiàn)Fig 4 Shear stress vs.horizontal displacement for double layer paving and traditional paving

2.4雙層連續(xù)攤鋪和傳統(tǒng)攤鋪的比較

圖5比較不同攤鋪方法、不同粘層油用量、不同污染物條件下的層間抗剪性能。因柴油污染比泥土污染對(duì)層間性能的破壞能力更大，而本文著重在于研究對(duì)比兩種施工工藝的層間結(jié)合性能對(duì)比，因此由圖5可以看出：雙層連續(xù)攤鋪的抗剪強(qiáng)度最大，是傳統(tǒng)攤鋪無(wú)粘層油、無(wú)污染的1.7倍，且高出傳統(tǒng)攤鋪工藝在使用最佳粘層油含量和少量污染的情況35.7%。和傳統(tǒng)攤鋪、最佳粘層油含量、無(wú)污染的情況相比，雙層連續(xù)攤鋪瀝青路面的層間抗剪性能提高27%。

圖5　不同情況下層間抗剪強(qiáng)度Fig 5 Comparison of interface shear strength

3結(jié)論和建議

(1)傳統(tǒng)攤鋪時(shí)，污染物是降低層間結(jié)合性能的重要原因。無(wú)論是泥土或是施工機(jī)械的油污，即使少量的污染，都可以顯著減低層間抗剪強(qiáng)度。因此傳統(tǒng)攤鋪施工時(shí)，一定要避免車(chē)輛在未攤鋪上面層的路面上行駛。對(duì)比泥土污染和柴油污染的影響，柴油的影響更顯著。

(2)層間抗剪強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果表明雙層連續(xù)攤鋪的界面抗剪強(qiáng)度最高是傳統(tǒng)攤鋪無(wú)粘層油無(wú)污染的1.7倍，高于傳統(tǒng)攤鋪工藝在使用最佳粘層油含量和無(wú)污染的最佳層間狀態(tài)27%。

(3)本文試驗(yàn)方法和手段以模擬現(xiàn)場(chǎng)施工為主，僅從室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了層間抗剪強(qiáng)度測(cè)試，可進(jìn)一步輔以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

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收稿日期：2015-07-27

基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2012H62)

第一作者簡(jiǎn)介：趙殿鵬，博士研究生，高級(jí)工程師。研究方向：林區(qū)道路工程。 *通信作者：楊平，碩士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：林區(qū)道路工程。E-mail：yangping@njfu.com.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：U 416.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)04-0061-04

Laboratory Study of Shear Behavior in Double-LayerPaved Asphalt Pavement

Zhao Dianpeng1，2，Yang Ping1*

(1.College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037；2.Administration Bureau of Traffic Construction Engineering in Zhejiang Province，Hangzhou 311215)

Abstract：The interface bonding is critical for the sharing and fatigue performance of asphalt pavements.Double-layer paving technology is a new construction technique，in which two-layer mixtures are paved and compacted simultaneously.Compared to traditional technique，double-layer paving can improve layer cohesion station，reduce temperature loss，save construction time，optimize pavement structure and reduce construction costs.In this study，laboratory tests were conducted to investigate the interface bonding of traditional paving and double layer paving under different levels of tack coat and contamination.Results showed that contamination was the major reason that reduced the interface bonding in traditional paving.Among all cases tested in this study，double paving achieved the strongest interface shear strength，which was 1.7 times of traditional paving with no tack coat and no contamination，and 27% more than the best interface condition for traditional paving(optimal tack coat and no contamination).

Keywords：asphalt pavement；double layer paving；interface bonding；shear behavior

引文格式：趙殿鵬，楊平.雙層攤鋪瀝青路面層間抗剪性能試驗(yàn)研究[J].森林工程，2016，32(4)：61-64.