路面层间粘结层的应用及粘结强度的评价

路面层间粘结层的应用及粘结强度的评价

曹永清

扬州恒晨建设工程有限公司    江苏扬州 225000

摘 要: 分析了粘结层种类、用量、混合料类型、试验温度及法向压力等 5 种因素对粘结强度的影响, 目的是确定评价路面层间粘结强度的最佳试验条件。试验结果表明这些因素对粘结强度都有重要影响, 其中试验温度的影响最显著, 粘结强度随着试验温度的升高迅速下降；法向压力在高温时对粘结强度的影响较大；粘结层类型及用量对粘结强度的影响随混合料类型的不同而不同。通过试验室研究最终确定了粘结强度试验的最佳条件。

关键词: 粘结层；粘结强度；用量；试验温度；法向压力

1 前言

沥青路面层间粘结性能的好坏直接影响使用性能, 车辆变速或转弯处的路面滑移破坏是最常见的粘结力不足问题, 有研究指出这种破坏是由于剪力过大、

层间接触面粘结强度不足而导致的。一些其他的路面问题, 如压实困难、早期疲劳、Top-Down裂缝及面层剥离也可能与层间粘结力不足有关。

在路面层间设置粘结层的目的是为了提高层间粘结性能, 各种不同的沥青类材料被用作粘结层材料, 其中最常见的是乳化沥青。道路石油沥青和稀释沥青也可用作粘结层材料, 但其使用量在近 30 年中已明显减少。

由于粘结材料种类较多, 规范通常只对一类材料提供一个大概的用量范围, 技术人员在使用前还需要确定粘结材料的目标用量。规范建议在旧路加铺时采

用较高的用量, 在新铺路面上采用较低的用量或者不设置粘结层。乳化沥青的用量可以按乳化沥青的总量计, 也可以按沥青残留量的重量计。最小沥青残留量

百分比随着乳化物等级的不同而不同, 通常“-1”级的最小残留量为55%～57%，“-2”级的最小残留量约为65% 。

路面准备不当或施工经验不足也可能导致一些问题出现，涂敷粘结层前必须清理路面, 使路面保持洁净, 但是人工清扫往往不能完全清除所有有害物质。

2 试验方案

按照常规的Superpave设计方法成型直径150mm、高115 mm的圆柱体试件, 然后将试件沿横向切成两半, 在没有切的面上涂上一定量的粘结材料。将涂有粘结材料的试件放入旋转试模, 粘结面朝上, 在试模中装入同类型的混合料旋转压实50次。

试验考虑5种因素：混合料类型、粘结材料种类、用量、法向压力和试验温度, 各因素的水平如表 1 所示。乳化沥青的用量按沥青残留量计。

采用两种不同类型的混合料来评价路面纹理的影响, 最大公称粒径19mm的粗级配混合料的表面纹理较粗糙, 最大公称粒径4.75 mm的细级配混合料的表

面纹理较光滑, 两种不同的路面纹理可在层间接触面产生不同的摩擦阻力。

采用3种试验温度: 10、25和60℃。选择10℃是因为低温时可能出现层间剥离, 25℃是中间温度, 60℃被认为是滑移临界温度。进行剪切试验前将试件在需要的温度下保温4 h。试验过程中用环境箱控制试件温度。

本试验采用的剪切方式为直剪, 加载速率为50.8mm/min, 用封闭环伺服液压控制试验机控制加载速率。

3 试验结果及分析

图 1是典型的荷载-变形图(两组平行试验取均值)。按下式计算粘结强度 SB:

SB = Pmax/A

式中: SB为粘结强度(kPa)；Pmax为作用在试件上的最大荷载(kN)；A为截面面积(m2)。

表 2为最大公称粒径19 mm的粗级配和最大公称粒径4.75 mm的细级配混合料试件的粘结强度值。图 2为各试验温度和法向压力组合的粘结强度值。从图 2可以看出, 随着试验温度的升高, 粘结强度显著下降。本试验中的粘结强度值是两组平行试验的均值。

由图 2可知:

(1)法向压力对粘结强度的影响随着温度的不同而不同。60℃时粘结强度随着法向压力的增大而增大。在10℃和25℃时, 施加法向压力时的粘结强度比不施加法向压力时大, 但是当法向压力从69 kPa增大至138 kPa时, 粘结强度值变化不大。

(2)10℃时的粘结强度均值是25℃时的3.3倍, 60℃时的粘结强度均值是25℃时的1/6, 出现这种情况的原因是粘结材料在低温时较硬。考虑到温度对粘

结强度的重要影响, 有必要单独对不同温度下的粘结强度进行分析, 以更好地评价其他因素的影响。由于10℃时存在超限情况, 因此本文仅对25和60℃的粘

结强度单独进行分析。

单独对25℃和60℃时的粘结强度进行方差分析, 在这2种温度下, 其他4种因素在显著性水平为5%时都有显著影响, 一些两因素交互作用的影响也很

显著。在60℃时, 法向压力对粘结强度的影响最大。

图 3和图 4分别为60℃时细级配和粗级配混合料的粘结强度。当法向压力增大时, 粘结强度普遍增大。法向压力对粘结强度的影响在高温时比较显著,这是由于高温时材料粘结性能下降, 此时层间的摩擦力显得更为重要。当不施加法向压力时, 用CRS-2和CSS-1作粘结层的粗、细级配混合料的粘结强度值都在相同范围内。当施加69 kPa的法向荷载时, 细级配混合料试件的粘结强度增大24%，粗级配混合料试件的粘结强度增大78%。粗级配混合料试件的粘结强度增大的幅度较大是由于法向压力在粗级配混合料试件的层间接触面产生的摩擦力较大。

对细级配混合料而言, PG64-22的粘结强度比CRS-2和CSS-1的大。对粗级配混合料而言, 3种粘结材料之间没有显著差别, 此时表面纹理可能是最重要的影响因素。细级配混合料的另一个明显的趋势是对每一种粘结材料和法向荷载，粘结强度随用量的增加而降低。而对粗级配混合料来说这种趋势在60℃时不是很明显。

图 5和图 6分别为细级配混合料和粗级配混合料在25℃时的粘结强度。由图 5、6可以看出, 25℃时细级配混合料的粘结强度比粗级配混合料的大, 细级配混合料的平均粘结强度为2386.3 kPa，粗级配混合料的平均粘结强度为1978.8 kPa。虽然粗级配混合料被认为能在接触面产生更大的剪切摩擦力, 但是该温度下的粘结强度结果并不符合这种假设。

粘结层类型对粘结强度也有重要影响, 60℃时，PG64-22细级配混合料的粘结强度比另 2种乳化沥青的大。

本文讨论得出了25℃时粘结强度对法向压力不太敏感的结论, 但总的来说, 施加法向压力时, 粘结强度有一定量的增长。而对某些试件来说, 施加 69 kPa的法向压力时的粘结强度比施加 138 kPa时的粘结强度值大。25℃时, 用量对粘结强度也有一定的影响, 总的说来, 低用量时的粘结强度较大, 而在某些情况下粘结强度对用量不太敏感。与 60℃时类似, 25℃时的最大粘结强度也出现在混合料为细级配、粘结层为PG64-22的情况。

4 结论

本研究的路面层间粘结强度试验采用的试验温度为 10、25和60℃，法向压力为 0、69和138 kPa, 选用的粘结层材料包括两种乳化沥青和一种PG沥青结合料, 选定的混合料是两种具有不同表面纹理的级配。通过试验得出以下结论。

(1)试验温度对粘结强度的影响最大, 当温度升高时, 任何粘结材料种类及用量、混合料类型和法向压力水平下的粘结强度都会随之迅速下降。10℃时的

粘结强度均值是 25℃时的3.3倍, 60℃时的粘结强度均值是25℃时的1/6。在低温下测定粘结强度是不切合实际的, 因为此时的最大抗剪强度可能超过仪器的加载范围。中温和高温条件下的粘结强度试验能够评价粘结材料种类、用量和混合料种类之间的不同, 中温时的粘结强度范围比高温时宽。

(2)在高温和中、低温情况下, 法向压力对粘结强度的影响表现出不同的特征。高温时, 粘结强度随着法向压力的增大而增大。在中温和低温时, 粘结强度

对法向压力的大小不敏感。

(3)试验结果表明PG沥青结合料比其他两种乳化沥青(CRS-2和CSS-1)的粘结强度大, 对高温条件下的细级配混合料而言更是如此。CRS-2和CSS-1两种粘结材料之间的差别很小。

(4)从用量大小来看, 对细级配混合料来说, 低用量时的粘结强度通常较大; 但对粗级配混合料来说, 用量的改变对粘结强度的影响不大。

(5)不同类型的混合料产生的粘结强度大小也不同。粘结层类型和用量对粘结强度的影响随着混合料 类型的不同而不同。

(6)建议在高温下进行粘结强度试验时施加 138 kPa的法向压力, 以防止试件过早破坏。粘结强度的最佳试验条件的试验温度为25℃, 法向压力大小为0

kPa, 该试验条件采用普通的马歇尔压力机就可以实现。