任萬艷, 韓 森, 李 俊, 劉亞敏(.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 70064；.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 00088)

植石技術(shù)是基于嵌入集料工藝的水泥混凝土表面紋理處理新工藝，它要求在已經(jīng)攤鋪、振搗、整平完畢的新澆水泥混凝土面層上，均勻撒布一層滿足一定級配要求的石料，并壓入至一定深度，從而改善水泥混凝土表面紋理.這種技術(shù)起源于比利時(shí)，在美國、英國和法國也有應(yīng)用，但由于集料撒布均勻性問題，并未得到廣泛的推廣應(yīng)用[1-3].國內(nèi)外對植石技術(shù)的最初設(shè)想是用于水泥混凝土路面表面紋理處理，后來由韓森等[4-5]提出應(yīng)用于水泥混凝土橋面鋪裝.

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)由于層間不穩(wěn)定而造成的推移、擁包等病害在橋面鋪裝病害中占據(jù)相當(dāng)大的比例，將植石技術(shù)應(yīng)用于水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)時(shí)，能取得良好的抗推移效果，提高鋪裝結(jié)構(gòu)層間穩(wěn)定性，從而改善橋面鋪裝的層間抗剪性能.

關(guān)于水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)已經(jīng)開展了較多的研究.李云良等[6]采用有限元方法對其力學(xué)行為進(jìn)行分析，為橋面鋪裝材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考；胡世敬等[7]研究了界面處治方式對CC+AC復(fù)合式路面界面層強(qiáng)度的影響；何德云等[8]、許濤等[9]、于新等[10]分別采用室內(nèi)試驗(yàn)、有限元、灰靶理論等方法，分析了鋪裝層材料設(shè)計(jì)參數(shù)對鋪裝層受力狀態(tài)的影響及其變化規(guī)律；紀(jì)小平等[11]、陳仕周等[12]、王乾等[13]采用數(shù)據(jù)采集、有限元模擬等方法，建立了橋面鋪裝層溫度場預(yù)估模型或經(jīng)驗(yàn)公式；紀(jì)倫等[14]采用剪切試驗(yàn)，分析了橋面鋪裝在不同膠結(jié)材料灑布量下剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的變化規(guī)律；徐鷗明等[15-16]研究了露石混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度隨正應(yīng)力的變化情況，以及防水層對露石混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度的影響；羅敏[17]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同鋪裝層結(jié)構(gòu)類型、防水材料類型及用量等因素對水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能的影響規(guī)律，并從工程造價(jià)角度分析了露石技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益.

目前國內(nèi)外關(guān)于植石技術(shù)在水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究開展較少，也未開展與其他界面類型水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能的對比研究.本文對比分析了豎向荷載、溫度、水以及凍融循環(huán)對不同界面類型試件層間抗剪性能的影響，并針對植石水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)，分析了瀝青鋪裝層類型對其層間抗剪性能的影響.

1 試驗(yàn)方案

任萬艷等[18]通過研究認(rèn)為：采用單粒級13.2～16.0mm的輝綠巖石料，撒布面積80%，壓入深度比(石料壓入深度與初始高度的比值)0.2是最佳的植石參數(shù)組合，并推薦SBR改性乳化瀝青防水粘層油最佳用量為0.9L·m-2.本文進(jìn)行植石水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能研究時(shí)，亦采用上述植石參數(shù)組合和防水粘層油用量.室內(nèi)植入石料時(shí)采用平板振動(dòng)器施加荷載，待石料振壓至預(yù)設(shè)深度即停止.

采用直剪試驗(yàn)進(jìn)行橋面鋪裝試件層間抗剪性能的研究，所用試件為模擬鋪裝結(jié)構(gòu)狀況的復(fù)合圓柱體試件，直徑10cm，高10cm.成型時(shí)，首先制備植石(chip-sprinkling)、刻槽(grooved)、毛面(rough)和光面(smooth)4種界面類型的水泥混凝土面板試件，尺寸為30cm×30cm×5cm，并放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中養(yǎng)生28d；養(yǎng)生完畢后，在其上灑布SBR改性乳化瀝青防水粘層油，待破乳后，成型“5cm水泥混凝土面板+粘層油+5cm瀝青鋪裝”的復(fù)合板；最后在成型的復(fù)合板上鉆取直徑為10cm的圓柱體試件.植石、刻槽、毛面、光面4種界面類型的水泥混凝土板構(gòu)造深度分別為2.20，0.80，1.62，0.30mm，其中刻槽參數(shù)為：槽寬5mm，槽深2mm，槽間距20mm.

直剪試驗(yàn)方案具體如下：

(1)豎向荷載選取3個(gè)水平：0，0.7，1.4MPa；基于摩爾庫倫理論，回歸抗剪強(qiáng)度公式，分析植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的內(nèi)摩阻角和黏聚力的差異，并對比分析這些試件在0.7MPa豎向荷載條件下層間剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系.本研究中的加載速率均采用20mm/min.

(2)選取溫度和水2種環(huán)境條件，其中溫度選取3個(gè)水平：5，25，60℃，用來表征水泥混凝土橋面鋪裝的低溫、常溫和高溫工作環(huán)境；水選取2種作用方式：浸水48h和未浸水，分析水分侵入對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能的影響.

(3)定義“-5℃冷凍放置16h+60℃水浴環(huán)境下放置8h”為1次凍融循環(huán)，分別測試經(jīng)歷3次、6次、9次凍融循環(huán)后不同界面類型試件的抗剪強(qiáng)度，分析橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能在“溫度+水”凍融循環(huán)作用下的耐久性.

(4)針對植石界面類型試件，選取3種瀝青鋪裝層，包括AC-13C，AC-20C和SMA-13，分析瀝青鋪裝層類型對其層間抗剪性能的影響.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 豎向荷載對不同界面類型試件層間抗剪性能影響

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)由水泥混凝土橋面板、防水粘結(jié)層與瀝青鋪裝層組成，其抗剪強(qiáng)度主要由兩部分組成：防水粘結(jié)層本身或者瀝青鋪裝層與水泥混凝土橋面板之間的黏結(jié)力，以及橋面板表面紋理與瀝青鋪裝層的嵌擠作用提供的摩阻力.在不同的豎向荷載作用下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性也不同.在0，0.7，1.4MPa豎向荷載條件下，不同界面類型試件的剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同界面類型試件豎向荷載與極限抗剪強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between vertical load and ultimate shear strength for specimens with different interface types

由圖1可知，隨著豎向荷載的增大，不同界面類型試件的極限抗剪強(qiáng)度均隨之增大；與另外3種界面類型試件相比，植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度較大.此外，圖1中的層間極限抗剪強(qiáng)度與豎向荷載近似呈線性關(guān)系.根據(jù)摩爾庫倫理論，對不同界面類型橋面鋪裝層間極限抗剪強(qiáng)度與豎向荷載關(guān)系進(jìn)行線性回歸，回歸結(jié)果如表1所示，其中τmax為層間極限抗剪強(qiáng)度，σz為豎向荷載.

表1 極限抗剪強(qiáng)度與豎向荷載線性回歸結(jié)果Table 1 Linear regression results of ultimate shear strength with vertical load

由表1中摩爾庫倫公式的回歸結(jié)果可知，植石、刻槽、毛面與光面4種界面類型試件的層間黏結(jié)力分別為0.875，0.776，0.697，0.544MPa，這主要與試件的界面類型和粘層油最佳用量有關(guān).此外4種界面類型試件的內(nèi)摩阻角分別為37.4°，23.4°，21.7°，13.8°，植石界面類型試件的內(nèi)摩阻角要遠(yuǎn)大于另外3種界面類型試件，表明植石技術(shù)應(yīng)用于橋面鋪裝時(shí)，層間粗糙的表面紋理對提高鋪裝結(jié)構(gòu)層間內(nèi)摩阻力有利.

2.2 界面類型對層間抗剪性能的影響

水泥混凝土橋面板的表面紋理不同，能夠提供的摩阻力也不同.由圖1可見，在0.7MPa豎向荷載下，植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的極限抗剪強(qiáng)度分別為1.144，0.918，0.854，0.674MPa.即4種界面類型試件的極限抗剪強(qiáng)度大小依次為：植石> 刻槽>毛面>光面，植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度較之光面界面類型試件提高了0.470MPa， 提高幅度近69.7%，較刻槽界面類型試件提高0.226MPa，提高幅度為24.6%.試件層間抗剪強(qiáng)度是由層間摩阻力與黏結(jié)力共同提供的，在層間黏結(jié)力保持相對一致的情況下，層間摩阻力大小是影響橋面鋪裝層間抗剪強(qiáng)度的主要因素，而植石界面類型試件層間的表面紋理深度相對較深，表面外露的石料與瀝青鋪裝層混合料相互嵌擠，可提供較大的層間摩阻力，因此其極限抗剪強(qiáng)度最大.

為了分析橋面鋪裝試件發(fā)生剪切破壞之后剪應(yīng)力的衰減規(guī)律，本文根據(jù)測試結(jié)果繪制了不同界面類型試件剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系的曲線圖，見圖2.

由圖2可知，在同一加載速率下，4種界面類型試件剪切應(yīng)力隨剪切位移變化的趨勢呈現(xiàn)3個(gè)階段：緩慢增長、近似線性增長和下降.但不同界面類型試件剪應(yīng)力達(dá)到最大值后的下降趨勢不盡相同.對于植石界面類型試件，其剪應(yīng)力達(dá)到峰值后的下降比較緩慢，且降至某一固定值后即幾乎保持穩(wěn)定，這一固定值可以稱為殘余抗剪強(qiáng)度.植石界面類型試件殘余抗剪強(qiáng)度保持在0.8MPa左右，幾乎為其層間極限抗剪強(qiáng)度的80%，這說明植石界面類型試件不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生剪切破壞而喪失層間抗剪能力，剪切滑移后仍然能夠承受一定的剪切作用，從而延長了橋面鋪裝的使用壽命.殘余抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)出植石界面類型試件具有良好的抗剪耐久性.

圖2 不同界面類型試件剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系Fig.2 Relationship between shear stress and shear displacement for specimens with different interface types

由圖2還可見，刻槽、毛面與光面水泥混凝土橋面鋪裝試件的剪應(yīng)力在達(dá)到峰值之后即迅速衰減，直至試驗(yàn)結(jié)束，沒有表現(xiàn)出某一固定的殘余抗剪強(qiáng)度，其抗剪耐久性較差.

2.3 環(huán)境對不同界面類型試件層間抗剪性能影響

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)長期暴露于自然環(huán)境中，受到雨水和溫度等環(huán)境作用的影響，尤其是粘層材料是典型的粘彈性體，受溫度影響較大.因此，選取溫度和水2種環(huán)境條件，分析環(huán)境條件對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪性能的影響.不同溫度和水分條件下，不同界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度如圖3所示.

圖3 不同界面類型試件在不同溫度和水分條件下的 剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Shear test results under different temperature and water conditions for specimens with different interface types

2.3.1溫度的影響分析

由圖3可見，無論水泥混凝土橋面鋪裝試件是否浸水，溫度對其層間抗剪性能的影響均十分顯著.當(dāng)環(huán)境溫度從5℃增大至60℃時(shí)，4種界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度均有大幅度下降.但無論環(huán)境溫度如何，植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度一直大于另外3種界面類型試件，其抗剪性能受溫度影響的敏感度較低.

2.3.2水的影響分析

由圖3可見，無論環(huán)境溫度如何，不同界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度在浸水后均有一定程度的減小，其中植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度降幅最小，而且植石界面類型試件相比另外3種界面類型試件一直保持著較大的層間極限抗剪強(qiáng)度.一般集料表面或多或少都具有親水憎油的性能，酸性集料相比堿性集料更甚.當(dāng)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)遇到水時(shí)，水分會(huì)穿透瀝青膜到達(dá)集料表面，使瀝青與集料相互分離，減小橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)力.此外水分濕潤橋面鋪裝層間，形成的水膜會(huì)降低層間摩擦系數(shù)，減小層間摩阻力.在這二者共同作用下，橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間極限抗剪強(qiáng)度將減小.植石界面類型試件由于橋面紋理結(jié)構(gòu)較深，摩阻力較大，因此其層間抗剪強(qiáng)度受水影響相對較小.

2.4 不同界面類型試件層間抗剪耐久性分析

水泥混凝土橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)受到水和溫度的影響較大，為此，采用冷凍和水浴循環(huán)作用的方式，以模擬水和溫度對橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的共同作用.經(jīng)歷0次、3次、6次、9次凍融循環(huán)時(shí)，植石、刻槽、毛面和光面4種界面類型試件的剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同界面類型試件極限抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between ultimate shear strength and number of freeze-thaw cycles for specimens with different interface types

由圖4可知，植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度衰減趨勢先急后緩，以凍融循環(huán)3次為分界點(diǎn)；刻槽與毛面界面類型試件層間極限抗剪強(qiáng)度的衰減幅度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)增加；光面界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度衰減幅度更大，在凍融循環(huán)6次時(shí)其層間極限抗剪強(qiáng)度已經(jīng)很小，凍融循環(huán)9次時(shí)已損失殆盡，幾乎衰減至零.不同界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度衰減大致呈線性，其回歸分析結(jié)果如表2所示，其中n為凍融循環(huán)次數(shù).

表2 不同界面類型試件極限抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的線性回歸結(jié)果Table 2 Linear regression results of ultimate shear strength with number of freeze-thaw cycles

由表2可知，不同界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)回歸方程的斜率均為負(fù)值，即各試件的層間極限抗剪強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加均出現(xiàn)不同程度的下降，但植石界面類型試件回歸方程的斜率絕對值最小，這表明植石界面類型試件的層間極限抗剪強(qiáng)度雖然也隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而有所減小，但相比另外3種界面類型試件，其層間極限抗剪強(qiáng)度減小相對緩慢.因此，植石技術(shù)用于橋面鋪裝結(jié)構(gòu)時(shí)，對凍融循環(huán)作用敏感性較小，耐久性較好.

2.5 瀝青鋪裝層類型對植石界面試件層間抗剪性能影響

由不同界面類型試件的層間抗剪性能對比可知，4種界面類型中，植石界面類型試件的層間抗剪性能綜合表現(xiàn)最好.因此，針對植石界面類型橋面鋪裝，選擇AC-13C，AC-20C與SMA-13這3種瀝青鋪裝層，進(jìn)一步分析瀝青鋪裝層對植石界面類型試件層間抗剪性能的影響.不同瀝青鋪裝層的植石界面類型試件剪切試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 不同瀝青鋪裝層的植石界面類型試件剪切試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Shear test results of chip-sprinkling specimens with different asphalt pavements

由表3可知，無論瀝青鋪裝層所處環(huán)境條件如何，AC-20C瀝青鋪裝層試件的層間抗剪強(qiáng)度均大于AC-13C瀝青鋪裝層試件.這是因?yàn)橹彩缑骖愋驮嚰闹彩瘜邮喜捎脤辜粜阅茌^為有利的13.2～16.0mm單粒級石料，這種粒徑植石層石料更易與AC-20C中粗集料相互嵌擠，形成鎖結(jié)作用，提供較大的層間摩阻力，因此其抗剪強(qiáng)度大于AC-13C瀝青鋪裝層試件.

SMA-13瀝青鋪裝層試件的抗剪性能要優(yōu)于AC-13C瀝青鋪裝層試件，這是因?yàn)镾MA-13是骨架密實(shí)型瀝青混合料，相比AC-13C瀝青混合料，SMA-13礦料組成中占據(jù)70%以上的粗集料可以與植石界面形成良好的嵌擠結(jié)構(gòu)，提高層間摩阻力；另一方面SMA-13中改性瀝青、纖維能與高摻量的礦粉形成具有很高黏度的瀝青瑪蹄脂，可以提高橋面鋪裝層間黏結(jié)力.

3 結(jié)論

(1)植石界面類型試件由于具有豐富的表面紋理以及較大的粘層油最佳用量，其內(nèi)摩阻角和內(nèi)聚力均大于其他界面類型試件，因此具有較大的層間抗剪強(qiáng)度.

(2)植石界面類型試件層間剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，其剪應(yīng)力曲線下降比較緩慢，殘余抗剪強(qiáng)度幾乎為層間極限抗剪強(qiáng)度的80%，這表明植石界面橋面鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的抗剪耐久性.

(3)植石界面橋面鋪裝層間抗剪強(qiáng)度主要是由豐富的表面紋理提供的，因此受環(huán)境溫度和水的影響較小.此外隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，植石界面橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度衰減幅度較小，同樣表明植石界面橋面鋪裝結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化的敏感度較低.

(4)對于植石界面橋面鋪裝，AC-20C和SMA-13瀝青鋪裝層試件的層間極限抗剪強(qiáng)度均大于AC-13C瀝青鋪裝層試件，原因是SMA-13中較多的粗集料以及AC-20C的大粒徑粗集料更易與單粒級13.2～16.0mm植石層形成嵌擠作用，此外SMA-13中高黏度瀝青瑪蹄脂同樣對提高植石界面橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度有利.

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