王海朋， 張蓉， 張曉華， 何平芝

(1.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 611130； 2.四川省路面結(jié)構(gòu)材料與養(yǎng)護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室；3.交通運(yùn)輸部公路建養(yǎng)技術(shù)行業(yè)研發(fā)中心)

當(dāng)前，中國(guó)高等級(jí)公路多采用半剛性基層瀝青路面，半剛性基層具有板體性強(qiáng)、抗永久變形能力強(qiáng)，較適應(yīng)重交通等優(yōu)勢(shì)。但是，半剛性基層具有干燥收縮和溫度收縮大，易產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫等缺陷，同時(shí)，半剛性基層的抗沖刷能力也很差。在半剛性基層上設(shè)置同步碎石應(yīng)力吸收層，既可以防止半剛性基層開(kāi)裂向?yàn)r青面層反射，又可以防止水分滲入半剛性基層導(dǎo)致半剛性基層沖刷。然而，當(dāng)前同步碎石應(yīng)力吸收層的碎石規(guī)格選取十分隨意。很多工程項(xiàng)目采用既有集料進(jìn)行同步碎石應(yīng)力吸收層的碎石撒布，由于碎石與上層瀝青混合料配伍性差，導(dǎo)致瀝青面層與同步碎石封層之間的結(jié)合較差，出現(xiàn)了脫層等層間問(wèn)題。該文研究瀝青混合料面層與同步碎石封層之間的配伍性，分析不同瀝青面層混合料與兩種規(guī)格碎石封層形成的試件對(duì)拉拔剪切應(yīng)力的影響，同時(shí)考慮兩種成型方式的影響，通過(guò)機(jī)理分析，確定推薦碎石粒徑。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1) 瀝青。同步碎石封層采用SBS改性瀝青，上層瀝青混合料采用70#瀝青，兩種瀝青的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)性質(zhì)

(2) 瀝青混合料。瀝青混合料分別采用AC-10、AC-13、AC-16和AC-20的中值，級(jí)配曲線如圖1所示。油石比分別采用5.6%、5.3%、4.4%和4.2%，目標(biāo)空隙率為4.0%。

圖1 級(jí)配曲線

(3) 碎石。同步碎石封層撒布碎石采用卵碎石，兩種規(guī)格分別為5～10 mm和10～15 mm，卵碎石的級(jí)配組成如表2所示。

表2 碎石的級(jí)配

(4) 碎石撒布量標(biāo)定。為了確定碎石撒布質(zhì)量與覆蓋率的關(guān)系，將不同質(zhì)量(100、150、200、250、300 g)的碎石均勻撒布到尺寸為15 cm×15 cm的藍(lán)色方形紙上，拍攝高清晰度的數(shù)字圖像，將圖像導(dǎo)入到Image-Pro Plus 6.0軟件中，提取集料覆蓋面積，與方形紙的面積比，即為覆蓋率。集料的數(shù)字圖像處理如圖2所示。覆蓋率的標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。

圖2 集料的數(shù)字圖像處理

圖3 覆蓋率標(biāo)定結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

SBS改性瀝青的灑布量為2.0 kg/m2，碎石的撒布量均按照覆蓋率為65%控制。進(jìn)行30 ℃下的拉拔和剪切試驗(yàn)。試件控溫時(shí)間不小于4 h。試件的成型分為靜壓法和輪碾法兩種方式，成型方法如下：

(1) 靜壓法成型。首先，采用截面為10 cm×10 cm、厚為5 cm的水泥混凝土塊，放入到140 ℃的烘箱中預(yù)熱1 h；然后，將加熱的SBS改性瀝青20 g均勻涂抹于水泥混凝土表面，均勻撒布碎石，5～10 mm規(guī)格的碎石撒布質(zhì)量為85.6 g或10～15 mm規(guī)格的碎石撒布質(zhì)量為124.7 g，用重物壓按，直至冷卻；最后，在其上采用靜壓法分別成型AC-10、AC-13、AC-16或AC-20瀝青混合料層，冷卻至室溫。

(2) 輪碾法成型。首先，采用截面為30 cm×30 cm、厚為5 cm的水泥混凝土板，放到30 cm×30 cm×10 cm的車轍模中，置入140 ℃的烘箱中控溫1 h；然后，將加熱的SBS改性瀝青180 g均勻涂抹于水泥混凝土板表面，均勻撒布碎石，5～10 mm規(guī)格的碎石撒布質(zhì)量為770.1 g或10～15 mm規(guī)格的碎石撒布質(zhì)量為1 121.9 g，用重物壓按，直至冷卻；接著，在其上采用輪碾法成型AC-10或AC-20瀝青混合料層，冷卻至室溫；最后，將試件脫模，切割成尺寸近似于10 cm×10 cm×10 cm的立方體試件。

拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)采用JC/T 975-2005《道橋用防水涂料》中50 ℃剪切強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。其中黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用30 ℃的溫度環(huán)境。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜壓法試驗(yàn)結(jié)果

采用靜壓法成型的不同最大粒徑上層瀝青混合料與同步碎石應(yīng)力吸收層結(jié)合試件的拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同最大粒徑上層混合料的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可以看出：① 隨著上層瀝青混合料最大粒徑的增大，拉拔試驗(yàn)的破壞應(yīng)力逐漸減小，規(guī)律性顯著?？梢?jiàn)，同步碎石應(yīng)力吸收層上層瀝青混合料的最大粒徑越大，二者結(jié)合獲得的抗拉拔破壞能力越差；② 采用10～15 mm的粗規(guī)格碎石相對(duì)5～10 mm的細(xì)規(guī)格碎石的應(yīng)力吸收層與上層瀝青混合料結(jié)合能力較弱，當(dāng)AC-20瀝青混合料與10～15 mm碎石結(jié)合時(shí)，拉拔應(yīng)力急劇減小。因此，最大粒徑較大的瀝青混合料不宜與粒徑較大的同步碎石應(yīng)力吸收層組合。

采用靜壓法成型的不同最大粒徑上層瀝青混合料與同步碎石應(yīng)力吸收層結(jié)合試件的斜剪試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：① 隨著上層瀝青混合料最大粒徑的增大，斜剪試驗(yàn)的破壞應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，上層瀝青混合料的最大粒徑越大與應(yīng)力吸收層結(jié)合獲得的抗斜剪破壞能力同樣越差；② 采用10～15 mm的粗規(guī)格碎石相對(duì)5～10 mm的細(xì)規(guī)格碎石的應(yīng)力吸收層與上層瀝青混合料結(jié)合抵抗斜剪的能力同樣較弱，AC-20瀝青混合料與同步碎石應(yīng)力吸收層結(jié)合獲得的斜剪破壞應(yīng)力最小。

圖5 不同最大粒徑上層混合料的斜剪試驗(yàn)結(jié)果

2.2 輪碾法與靜壓法成型試件試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了分析靜壓法試驗(yàn)規(guī)律的準(zhǔn)確性，采用輪碾法成型AC-20及AC-10兩種上層瀝青混合料與應(yīng)力吸收層結(jié)合的試件，進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 輪碾法與靜壓法成型拉拔試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7 輪碾法與靜壓法成型斜剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖6、7可以看出：① 在采用相同瀝青混合料成型試件的情況下，輪碾法成型試件獲得的拉拔和剪切破壞應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜壓法成型試驗(yàn)結(jié)果；② 輪碾法成型試件與靜壓法試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，即上層混合料的最大粒徑越大，與應(yīng)力吸收層的結(jié)合越差。上層瀝青混合料粒徑較大不宜與較大粒徑同步碎石應(yīng)力吸收層組合。

3 機(jī)理分析

3.1 瀝青混合料與同步碎石界面狀態(tài)分析

為了分析不同成型方式、不同粒徑上層瀝青混合料以及不同規(guī)格粒徑同步碎石應(yīng)力吸收層下，瀝青混合料與同步碎石界面狀態(tài)，將所成型的10 cm×10 cm×10 cm立方體試件鋸開(kāi)，其剖面狀態(tài)如圖8所示。

圖8 同步碎石封層與上下層的結(jié)合狀態(tài)

由圖8可以看到：圖8(a)和圖8(c)采用靜壓法成型試件，同步碎石與上層瀝青混合料有一條明顯的分層縫隙，而圖8(b)和圖8(d)采用輪碾法成型試件無(wú)此分層縫隙，表明輪碾成型試件獲得的同步碎石與瀝青混合料的結(jié)合相對(duì)較好，因此獲得的拉拔和斜剪破壞應(yīng)力較高。同時(shí)，對(duì)比圖8(b)和圖8(d)可以看到：由于AC-20瀝青混合料中的粗玄武巖碎石(深色)與粗同步碎石的卵碎石顆粒(淺色)搭接，無(wú)法嵌入，容易形成間隙。當(dāng)采用細(xì)同步碎石時(shí)，AC-20中的玄武巖集料很容易嵌入卵碎石應(yīng)力吸收層中，獲得較好的界面黏結(jié)狀態(tài)。

3.2 碎石與下承層接觸狀況分析

為分析5～10 mm規(guī)格碎石應(yīng)力吸收層的抗斜剪能力優(yōu)于10～15 mm應(yīng)力吸收層的機(jī)理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斜剪破壞常發(fā)生在同步碎石應(yīng)力吸收層與水泥混凝土塊表面之間，因此，分析了碎石與下承層的表面接觸狀況。將同等覆蓋率的兩種規(guī)格碎石分別撒布在放有復(fù)寫(xiě)紙的白紙上，白紙放在水泥混凝土板上，分別壓按每顆集料，然后將碎石和復(fù)寫(xiě)紙去掉，獲得圖9(a)和圖10(a)的壓痕原始圖像，導(dǎo)入到圖像處理軟件中，識(shí)別原始圖像中的壓痕如圖9(b)和圖10(b)所示，得到識(shí)別點(diǎn)編號(hào)，如圖9(c)和圖10(c)所示，同時(shí)，計(jì)算壓痕面積。接觸點(diǎn)數(shù)目和壓痕總面積如表3所示。

圖9 粒徑5～10 mm集料與鐵盤(pán)接觸點(diǎn)的描述

圖10 粒徑10～15 mm集料與鐵盤(pán)接觸點(diǎn)的描述

碎石規(guī)格/mm接觸點(diǎn)數(shù)/個(gè)接觸面積/mm25～10464919.7110～15261817.15

從表3可以看出：5～10 mm碎石與下承層的接觸點(diǎn)數(shù)和接觸面積均大于10～15 mm碎石。由于膠結(jié)料采用的一致，假定兩種碎石應(yīng)力吸收層斜剪試驗(yàn)中瀝青對(duì)抗剪能力的貢獻(xiàn)一致，根據(jù)摩擦力產(chǎn)生的原理，摩擦力等于摩擦系數(shù)乘以接觸面積，5～10 mm規(guī)格碎石的接觸點(diǎn)數(shù)較10～15 mm碎石的接觸點(diǎn)數(shù)多203個(gè)，其接觸面整體就相對(duì)粗糙，摩擦系數(shù)較大。同時(shí)，接觸面積較10～15 mm碎石的接觸面積大102.56 mm2，因此摩擦力較大，抗斜剪能力較強(qiáng)。因此，5～10 mm同步碎石應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)抗斜剪效果更好。

4 結(jié)論

(1) 應(yīng)力吸收層上層瀝青混合料的最大粒徑越大，獲得的拉拔和剪切破壞應(yīng)力越小。瀝青混合料的最大粒徑較大時(shí)，不宜與規(guī)格較粗的同步碎石應(yīng)力吸收層組合。相對(duì)10～15 mm規(guī)格碎石，5～10 mm碎石應(yīng)力吸收層與瀝青混合料的配伍性更好。

(2) 靜壓法與輪碾法成型試件獲取的同步碎石集料粒徑與瀝青混合料配伍性試驗(yàn)規(guī)律一致，輪碾法測(cè)得的拉拔和剪切破壞應(yīng)力較靜壓法成型試件測(cè)試結(jié)果大，同步碎石應(yīng)力吸收層與上下層的結(jié)合受壓實(shí)條件影響較大。

(3) 靜壓法壓實(shí)成型的應(yīng)力吸收層與上層瀝青混合料存在分層縫隙，輪碾法成型試件的應(yīng)力吸收層與瀝青混合料的結(jié)合更好，粗型集料應(yīng)力吸收層與較粗瀝青混合料的粗集料容易搭接，混合料中集料無(wú)法嵌入應(yīng)力吸收層，而采用細(xì)型集料應(yīng)力吸收層，瀝青混合料的集料較容易嵌入，形成的結(jié)合狀態(tài)更好。

(4) 相同覆蓋率下，5～10 mm碎石相對(duì)10～15 mm碎石與下承層的接觸點(diǎn)數(shù)和接觸面積更大，更容易產(chǎn)生較大的摩擦力，路面結(jié)構(gòu)的抗斜剪能力更好。