周志剛，鄧長清，虢 柱，俞文生，2，楊志峰，2

（1.長沙理工大學道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南長沙 410004；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西南昌 330000）

盡管現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50－2006）［1］對水泥混凝土橋面和水泥混凝土路面板等情形下瀝青鋪裝層所形成的復合式路面結構提出了設計要求和方法，但隨著交通量尤其是重型車輛的增加，這些復合式路面的瀝青鋪裝層病害日益普遍，表現(xiàn)為變形、推移、網裂、坑槽、剝落及橫向裂縫等形式。其中一個主要原因是水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的抗剪強度不足，不能承受車輛的反復作用。為此，人們對水泥混凝土板與瀝青鋪裝層間抗剪強度開展了一系列研究工作［2－13］。研究發(fā)現(xiàn)，其層間抗剪強度與環(huán)境（如：溫度和水）［2，6－7］、層間條件［3－4，7，9］、鋪裝材料［4－5，8，13］、交通荷載［5，10，11］及線形（如：長大縱坡和彎道）［12］等因素有關。交通重載、高溫或冰凍、鋪裝層滲水、長大縱坡、不良的瀝青混凝土鋪裝材料配合比或施工不當?shù)染鶗︿佈b層的壽命產生不利影響。層間條件包括水泥混凝土板表面構造（粗糙程度）和水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結合方式等。眾所周知，抗剪強度指標包括粘聚力和摩阻角。水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強度的粘聚力來源于層間粘結材料。層間粘結材料種類及用量直接影響到層間粘聚力的強弱。層間抗剪強度的摩阻角來源于層間界面上、下材料表面的相互咬合嵌鎖。根據水泥混凝土板瀝青鋪裝層間抗剪強度試驗，在不同層間粘結材料和不同水泥混凝土板表面處理的組合下，其層間抗剪強度各有差異［3，5－10，11］。但這些研究工作并未涉及水泥混凝土板表面構造和與他直接結合的瀝青鋪裝下層材料之間匹配協(xié)調性的問題。如：在水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結構普遍使用同步封層的工程背景下，水泥混凝土板表面構造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級配三者之間協(xié)調性如何？它會直接影響層間抗剪強度的強弱，特別是其摩阻角。另外，關于水泥混凝土板瀝青鋪裝層間強度，普遍采用垂直斜剪試驗［2，4，8，13］、無正壓力的直剪試驗［4，6－7，9，12］和拉拔試驗［5－6，9，11，13］等方式進行測試。但這些方式均未能正確地反映粘聚力和摩阻角形成的抗剪強度狀態(tài)。因此，作者擬利用自研的可施加正壓力的剪切試驗儀，對水泥混凝土板表面構造形態(tài)、同步碎石粒徑和撒布量及瀝青鋪裝下層混合料級配等幾種因素進行正交試驗，對比分析它們對層間抗剪強度的影響強弱，提出協(xié)調性設計方案，以期指導水泥混凝土板上瀝青鋪裝層的設計與施工。

1 直接剪切試驗方法設計

1.1 瀝青鋪裝材料的設計

根據水泥混凝土橋面或路面板瀝青鋪裝實際工程情況，選用AC－20瀝青混凝土作為直剪試驗中復合式試件的瀝青鋪裝層。瀝青混合料的瀝青和防水粘結層涂料均為SBS I－D瀝青。瀝青25℃針入度為5.4mm，5℃延度為29cm，軟化點為74.5℃。碎石的表觀相對密度為2.740，吸水率為0.730%，毛體積相對密度為2.700。瀝青混合料所用瀝青、粗集料、細集料及礦粉均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術要求。

AC－20瀝青混凝土選用4種級配（AC－20C、AC－20級配中值、AC－20級配上限及AC－20下限），以對比研究瀝青鋪裝材料不同級配對層間抗剪強度的影響（見表1）。其中AC－20C最佳瀝青用量為4.1%，毛體積密度為2.465g／cm3，空隙率為4.1%，礦料間隙率為12.1%，流值為0.25mm。60℃的動穩(wěn)定度為4 197次／mm，凍融劈裂殘留強度比為87%，浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度為91%，－10℃的低溫彎曲試驗的極限應變?yōu)? 098×10－6，均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTC F40－2004）［14］技術要求。采用瀝青膜厚度［15］確定AC－20級配上限、下限及中值的最佳油石比。

1.2 水泥混凝土板的制作及表面處理

水泥混凝土配合比設計為水泥∶水∶砂∶碎石＝1∶0.45∶1.43∶2.66，制作成305mm×400mm×40mm的水泥混凝土板。養(yǎng)生24h后，進行水泥混凝土板表面處理。實際工程中，為提高水泥混凝土板與瀝青鋪裝層之間的粘結強度，在撒布層間粘結材料前，先對水泥混凝土板面進行拉毛、鑿毛、刻槽、銑刨、拋丸及露石等方式處理。由于室內試驗設備所限，作者采用人工鑿毛模擬現(xiàn)場水泥混凝土表面處理方式。鑿毛間距分別為3.0，3.5和4.0cm，鑿毛深度范圍為1～5mm。用鋪沙法測定3種鑿毛間距的平均構造深度分別為0.44，0.42和0.40mm。鑿毛養(yǎng)生28d后，噴灑SBS改性瀝青涂料，撒布量為1.4kg／m2［12］，并按設計撒布量撒布未預拌的單一粒徑碎石。

表1 試驗用的瀝青混合料級配Table 1 Asphalt mixture gradation

1.3 復合式試件的制作

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20－2011）［15］中瀝青混合料試件制作方法（輪碾法），采用歐標輪碾壓實機CRT－RC2S碾壓試件，制作尺寸為305mm×400mm×90mm復合車轍板（2層），其中，水泥混凝土板厚40mm，瀝青混凝土厚50mm。將其切割成80mm×80mm×90mm的塊狀試件，其中，車轍板邊緣的20mm部分不得使用。對2個相同試件的水泥混凝土底面用水泥砂漿粘結，形成80mm×80mm×190mm左、右對稱的長條形試件，然后養(yǎng)生一周。

1.4 直剪試驗方式

本研究直接剪切試驗通過自行設計制作的剪切試驗儀進行。利用材料試驗系統(tǒng)（Material Test System 810，簡稱為MTS），實現(xiàn)環(huán)境溫度、剪切加載及變形的模擬和記錄。

MTS沿著復合式試件的對稱面豎向加載，提供對稱的剪切推力。另外，利用設計的加載裝置進行水平加壓，實現(xiàn)正壓力加載。在控制的環(huán)境溫度下，進行帶正壓力的對稱直接剪切試驗。加載速率取10mm／min。

2 正交試驗設計

影響水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強度的因素很多，本研究分析瀝青鋪裝層集料、同步碎石及水泥混凝土表面構造形態(tài)三者之間機械嵌鎖能力對層間抗剪強度的影響，即考察瀝青鋪裝層材料級配、同步碎石粒徑和撒布量及水泥混凝土板表面處理4個因素對層間抗剪強度影響的大小順序和顯著性。4個因素中，瀝青鋪裝層材料不考慮混合料公稱粒徑的差異，在同樣的AC－20規(guī)范級配范圍內，考慮AC－20C、AC－20中值、AC－20上限及AC－20下限等4種級配的影響，即4個水平；同步碎石常用的單一粒徑有4.75～9.5mm和9.5～13.2mm［16］2種規(guī)格，即2個水平；碎石撒布量工程上規(guī)定8kg／m2，其表面覆蓋率為60%～70%［16］，此處選擇7，8及9kg／m2［11］3個水平；水泥混凝土板表面處理為鑿毛，考慮鑿毛間距分別為3.0，3.5及4.0cm 3個水平。在試驗溫度50℃、施加正壓力0.7MPa時，不考慮各因素間的交互作用，列出混合正交試驗表L12（41×32×21）?？紤]不同組次試驗時，每次試驗取3個水平，試驗結果取其算術平均值，其結果見表2。

3 試驗結果分析

3.1 層間剪切機理分析

在試驗溫度50℃、正壓力0.7MPa及剪切速率10mm／min時，典型的層間剪應力與位移曲線關系如圖1所示。

從圖1中可以看出，水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經歷了3個階段：

第一個階段，MTS施加的豎向層間剪應力克服了層間的粘結力和瀝青鋪裝層集料、同步碎石與水泥混凝土板表面之間的機械咬合力，從零逐漸增大到最大值。隨著豎向層間剪應力的增大，SBS改性瀝青粘結作用增強，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產生的機械咬合力逐漸發(fā)揮作用，表現(xiàn)為線性過程。隨著豎向層間剪應力繼續(xù)增大，同步碎石與SBS瀝青粘結層之間逐漸脫粘，瀝青鋪裝層集料連帶同步碎石與凹凸不平的水泥混凝土板表面之間產生相對滑移，表現(xiàn)為非線性過程。此時，層間剪應力主要克服滑動界面上的機械咬合力和未發(fā)生相對滑動界面上的粘結力。當咬合力和粘結力到達最大時，試件產生層間剪切破壞。該階段表現(xiàn)為試件從層間開始產生相對位移，至位移發(fā)展的過程。

表2 層間抗剪強度正交試驗及其結果Table 2 The test results and orthogonal test of the shearstrength between layers

圖1 典型層間剪應力與位移的關系曲線Fig.1 The typical shearing stress versus the displacement

第二個階段，豎向層間剪應力急劇下降。其原因是：當剪應力達到峰值后，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層發(fā)生相對滑移，層間界面的粘結力和機械咬合力也隨之消失。此時，水泥混凝土板與瀝青鋪裝層層間結合力來自于界面間相對滑移而產生的摩擦力，表現(xiàn)為復合試件層間達到最大豎向剪應力后發(fā)生破壞性失穩(wěn)性，豎向位移增加但豎向剪應力卻不斷減小，最終降低到剩余強度。

第三個階段，豎向剪應力克服水泥混凝土板與瀝青鋪裝層相對位移產生的滑動摩擦力，位移的增加對豎向剪應力的大小影響很小，層間只存在豎向運動，相互作用力逐漸趨向于零。

從剪應力－位移圖發(fā)展過程可知，復合試件在發(fā)生剪切破壞的過程中，層間粘結力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。復合試件層間界面尚未發(fā)生相對滑移前，層間粘結力起主導作用；層間界面開始發(fā)生滑移但未到達剪切破壞前，機械咬合力起主導作用；位移繼續(xù)增加至層間發(fā)生剪切破壞后，摩擦力起主導作用。層間發(fā)生剪切破壞前，剪應力與位移的關系曲線發(fā)展緩慢，兩者由線性關系發(fā)展至非線性關系。當剪應力達到層間剪切破壞時，與之相隨的是層間界面產生了明顯的大滑移。

3.2 正交試驗數(shù)據分析

將試驗結果按照正交試驗法進行直觀分析，比較4個因素對層間抗剪強度的影響大小。該法具有簡單、直觀和計算量小等優(yōu)點。設為任意列上水平i時所對應試驗結果的平均值；R為其中i，j為對應列上的水平號。正交試驗結果見表3。

以各因素水平作為橫坐標，以層間抗剪強度試驗指標的平均值作為縱坐標，作出各因素與抗剪強度指標的關系曲線如圖2所示。

表3 層間抗剪強度正交試驗結果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test of the shearstrength between layers

圖2 因素與指標的趨勢Fig.2 The trend of factors and index

從表3和圖2中可以看出：

1）在所考慮的因素水平范圍內，對于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強度，各個因素由大到小的影響順序為：板表面處理D、鋪裝層級配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。即水泥混凝土板表面處理對層間抗剪強度的影響最大，而同步碎石粒徑對層間抗剪強度的影響最小。

2）AC－20級配上限對層間抗剪強度的影響比其他3種級配的都大，是4種級配中集料偏細最多的。16.0mm以下的集料較多，易與9.5mm左右的同步碎石形成更緊密的相互嵌擠咬合，從而提高層間抗剪強度。

3）碎石撒布量8kg／m2、碎石粒徑9.5～13.2mm時的層間抗剪強度較碎石撒布量分別為7kg／m2和9kg／m2、碎石粒徑4.75～9.5mm的高。碎石撒布量過多（如：9kg／m2）或過少（如：7kg／m2）均會降低層間抗剪強度。粒徑9.5～13.2mm的碎石與AC－20瀝青鋪裝層和水泥混凝土板間的嵌擠作用更加明顯。鑿毛間距為4.0cm時與瀝青撒布量1.4kg／m2匹配良好。

4）因素A鋪裝層級配較好水平為A3級配AC－20上限，因素B碎石撒布量較好水平為B2撒布量8kg／m2，因素C碎石粒徑較好水平為C2粒徑9.5～13.2mm，因素D板表面處理較好水平為D1鑿毛間距4.0cm，最優(yōu)組合為A3B2C2D1。

4 結論

通過復合試件的直接剪切試驗，設計正交試驗對比分析了不同因素對復合試件層間剪切強度的影響大小。試驗結果表明：

1）水泥混凝土板瀝青鋪裝層間剪切破壞的發(fā)展經歷了3個階段。在這3個階段中，層間粘結力、水泥混凝土板表面與瀝青鋪裝層集料的機械咬合力和摩擦力依次發(fā)揮作用。

2）對于水泥混凝土板瀝青鋪裝層層間抗剪強度，各個因素由大到小的影響順序為：界面處理D、瀝青鋪裝層級配A、碎石撒布量B和碎石粒徑C。

3）界面處理并不是越粗糙越好，界面粗糙度應當與相應的最佳瀝青撒布量相匹配，才能取得較高的層間剪切強度。較小粒徑或較多細集料的連續(xù)密集配鋪裝層能與同步碎石、水泥板間形成更緊密的層間接觸狀態(tài)。當鋪裝層級配為級配AC－20上限、碎石撒布量為撒布量8kg／m2、碎石粒徑為粒徑9.5～13.2mm及界面處理為鑿毛間距4.0cm時，層間粘結強度最高。

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