薄层罩面结构层间黏结技术指标研究

刘娜

(山东公路技师学院，山东济南 250104)

0 引言

薄层罩面作为一项新型预防性养护技术，可以对破坏路面进行修复，纠正路面平整度和非荷载性破坏等引起的强度降低问题，同时可起到路面抗滑和防水的作用，从而减少路面维修或重建带来的时间和资金浪费，达到延长原路面使用寿命的效果[1-3]。该技术出现时间不长，我国标准规范中未对其层间性能和指标作详细要求。随着交通量和汽车载质量的增加，铺筑薄层罩面在投入运营后不久，常出现推移、拥包、开裂和“两层皮”等病害，过早失去路面预防性养护的目的[4-6]。这些病害通常是由薄层罩面与原路面层间黏结性能较差引起的。国内外学者针对薄层罩面层间性能进行了大量研究。文献[7-8]分析了薄层罩面内各层应力分布趋势，并讨论了厚度、温度、弹性模量等对薄层罩面应力的影响。文献[9]研究旧水泥混凝土路面加铺薄层沥青罩面的力学行为，并探讨了荷载参数和材料对罩面层结构应力的影响。文献[10]通过试验和仿真手段研究沥青路面超薄罩面及黏结层的特性，给出了相应的超薄罩面厚度及黏结层用量。文献[11]论述了1.27～3.81 cm(0.5～1.5 in)热拌沥青薄层罩面在增加结构承载力、改善行驶平顺性、增强防滑性、减少噪音和改善排水等方面的优越性。文献[12]等将寿命周期费用引入罩面设计中，给出性能期最佳罩面厚度设计的诺谟图。文献[13]提出可用于超薄黏结混凝土罩面(bonded concrete overlays on asphalt, BCOA)设计程序的有效等效线性温度梯度(effective equivalent linear temperature gradient, EELTG)，EELTG表示为BCOA所处气候条件、地理环境和设计特点的函数，为BCOA设计程序中有效线性温度梯度输入提供科学指导。文献[14]对比分析了3种情形下加铺沥青罩面结构在不同层位上的最不利状况及层间应力分布的力学响应差异性。文献[15]研究了水泥混凝土路面上沥青薄层罩面及其层间的力学响应规律,表明层间结合状态对“白加黑”薄层罩面层内拉应力和拉应变影响显著。文献[16]通过室内和现场试验表明沥青马蹄脂碎石混合料(stone masic asphalt,SMA)作为薄层罩面的经济性和高效性。文献[17-18]基于灰色关联理论讨论了半刚性基层沥青路面上薄层罩面厚度、荷载等参数对层间剪应力的影响。为防止病害产生，必须保证罩面层与原路面层间具备足够的黏结强度，保证薄层罩面长时间具备或接近完全连续工作状态。目前针对薄层罩面结构层间黏结性能，很少提出相应的技术指标。基于此，本文首先分析薄层罩面结构层间黏结性能要求及黏结强度理论，然后通过对薄层罩面结构在行车荷载作用下的层间力学响应及结构层参数影响分析，提出符合薄层罩面应用的黏结层技术指标。

1 黏结层破坏机理及指标要求

薄层罩面结构较薄，层间结合极其重要。黏结层的作用是使加铺罩面与原路面形成整体，抵抗行车荷载作用下结构内部产生的各种应力，特别是层间的剪应力和拉应力。为使薄层罩面结构具备或接近完全连续的工作状态，达到延长路面使用寿命的目的，其黏结层应满足以下性能要求：1)能抵抗车辆荷载产生的横向剪应力，避免路面的推移、拥包。2)黏结层竖向必须具有较好的抗拉拔性能，这就要求其具有较好的黏结力，使层间不产生滑移、剥离等病害。3)受荷载应力和温度应力共同作用，层间应力处于反复变化状态，黏结层抗剪强度衰减。当层间剪应力超过其抗剪强度时，产生剪切疲劳破坏。因此，黏结层应具备一定的抗疲劳性能；4)具备一定的防水性能，防止路表水进一步下渗，造成路面结构承载能力下降。

1.1 破坏机理

在实际行车荷载作用下，薄层罩面与原路面层间的破坏机理相当复杂，层间剪切破坏是其中一个非常重要的因素。层间的抗剪切强度不能抵抗剪切面上的剪应力作用，路面遭到破坏并迅速蔓延，路面结构丧失功能。

在进行沥青路面层间抗剪性能和稳定性分析时，常用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)强度理论[19-21]进行分析。黏结层的强度主要来自摩擦力和黏结力，摩擦力是靠上下沥青面层矿料颗粒之间的摩擦和嵌挤作用形成的，黏结力主要来自于黏层材料本身的黏结力以及沥青与矿料之间的黏结力。

薄层罩面结构与原路面面层之间的剪切是一种典型的非金属材料剪切破坏。根据莫尔-库伦理论，当水平剪应力达到沥青路面层间的抗剪强度τf时，达到极限平衡应力状态，沥青路面层间将发生剪切破坏。剪切平面上的法向应力σ与τf成函数关系：

τf=f(σ)，

在一定的应力范围内，可以用线性函数近似表示：

τ=c+σtanφ,

(1)

式中：c为黏聚力,τ为剪应力，σ为正应力，φ为内摩擦角。

根据摩尔-库伦理论可知，当层间光滑接触时(即τ=0)，较容易出现应力集中现象，层间相对滑动现象更加严重；连续接触时，在车辆荷载作用下应力分布相对均匀，层间不易发生破坏。因此，薄层罩面结构黏结层的强度直接关系到罩面层牢固程度。黏结强度不够会产生软弱面，在车辆荷载反复作用下，薄层罩面结构层间更容易破坏。

1.2 黏结层技术指标

在行车荷载作用下层间出现的最大剪应力为τmax，黏结层材料的容许抗剪强度为τR。以罩面层和上面层层间的最大剪应力作为设计指标时，必须满足层间出现的最大剪应力不超过黏结层材料的容许抗剪强度，即：

τmax≤τR。

(2)

假定层间产生的竖向最大拉应力为σmax，黏结层材料的容许拉应力为σR，必须保证层间产生的竖向最大拉应力小于或等于黏结层材料的容许拉应力，即：

σmax≤τR。

(3)

2 薄层罩面结构层间应力计算

层间接触面是路面结构抵抗水平剪切力的最薄弱环节，特别是在施加水平力作用时，可能超过材料的剪切强度而发生剪切破坏。为研究层间应力的一般规律，同时提出适应于薄层罩面结构黏结层的相应指标，利用沥青路面层间应力计算软件BISAR3.0，通过建立薄层罩面结构计算模型对层间应力进行模拟计算。

2.1 模型及参数设计

薄层罩面结构可看作弹性层状体系，假定罩面与原路面上面层层间完全连续接触，建立如图1和表1所示计算模型。应用弹性层状体系理论计算双圆均布垂直荷载与水平荷载综合作用下的层间应力，计算采用标准轴载为100 kN，轮胎压强为0.7 MPa。轮压半径R为10.65 cm，两轮中心距为3R=31.95 cm。

图1 薄层罩面结构计算模型及参数设定

表1薄层罩面结构层参数

结构层厚度/cm模量/MPa泊松比薄层罩面2.515000.25上面层4.014000.25中面层6.012000.25下面层8.010000.25基层25.015000.25底基层30.05000.25土基40.00.35

在车辆正常行驶和驾驶员有思想准备的制动、启动时，水平力系数f不大，一般小于0.17。车辆在紧急制动、上坡和转弯时，f达0.5左右，最大值接近于路面的摩擦系数[22-23]。为提出合适的层间技术指标，考虑最不利的状况，取f=0.5进行计算。

2.2 薄层罩面与原路面层间应力预分析

为确定合适的计算点位，首先进行预分析处理，预分析结果如表2所示。计算时取水平力系数f=0和f=0.5两种条件下点位线1和点位线2处的竖向正应力σz、垂直于z轴的面且沿x轴方向作用的剪应力τzx及沿y轴方向作用的剪应力τzy，如图2所示。

表2 界面层上各点位应力计算结果 kPa

a)俯视图 b)立面图图2 结构计算点位分布

2.2.1 竖向正应力变化规律

由表2可知：无论有无水平力荷载作用，单轮中心下的σz明显大于双轮轮隙中心，σz均为压应力。无水平力作用时，σz基本成对称分布；当受水平力荷载作用时，原有正应力对称分布的状态发生改变。单轮中心下和双轮轮隙中心下的轮胎后部区域可能会出现拉应力。层间出现一定范围的压应力有益于结构稳定，而一旦结构层间出现拉应力，很容易引起薄层罩面与原路面脱黏现象，最终导致结构破坏。在后续进行拉应力计算时，可只分析单轮中心和双轮轮隙中心后部区域，对于轮胎的前部区域可不予分析。

2.2.2 剪应力变化规律

由表2可知：层间τzx明显大于τzy，即沿x方向更易产生剪切破坏。在后续分析层间抗剪时，可仅考虑τzx；在考虑水平力荷载作用时，后半区域τzx小于前半区域；单轮中心下τzx明显大于双轮轮隙中心，因此，在进行后续分析时，仅分析沿水平力方向前半区域的τzx。

图3 调整后计算点位线分布

由以上分析可知：层间的τmax出现在单轮中心下前部区域，σmax在单轮中心下后部区域。为进一步探究层间最大剪应力和最大拉应力变化规律，拟增加位于单轮内外侧侧边缘及内部点位线3(y=0.053 3 m)、4(y=0.106 5 m)、5(y=0.213 0 m)、6(y=0.319 5 m)，如图3所示。

3 结构层参数影响分析

为探索薄层罩面层间抗剪和抗拉强度的变化规律，分析水平力系数、厚度、温度等因素对层间应力的影响，研究最不利情况下的薄层罩面结构层间黏结技术指标。

3.1 水平力系数对层间应力影响

通过调整软件BISAR3.0中水平力系数(f=0.2、f=0.4、f=0.6)，计算层间正应力和剪应力，并分析其对层间应力的影响。σz计算结果如表3所示(因计算量较大，不列出σz和τzx的计算结果详表)，对应σmax和τmax变化规律如图4所示。

由表3和图4可知：f增大，车轮轮后区域处界面层产生拉应力的区域逐渐增大；界面层σmax、τmax均随f的增大而明显增大，且τmax基本呈线性增大，说明f对界面层σmax、τmax有较大影响；σmax出现的点位并不固定，因此在计算σmax时，不能只考虑某点位或某点位线；τmax均产生于同一位置(x=0.106 5 m，y=0.159 8 m)，即单轮的前缘。

表3 不同水平力系数时的σz计算结果 Pa

a)σmax b)τmax图4 水平力系数对层间应力的影响

3.2 结构层厚度对层间应力影响

3.2.1 薄层罩面层厚度

取水平力系数f=0.5，薄层罩面层厚度H1=1.5、2、2.5、3 cm，计算层间正应力和剪应力，分析H1变化对层间应力的影响。在不同H1下，层间σmax、层间τmax与H1变化规律如图5所示。

由图5可知：σmax随H1增加而增大，且增幅较大。τmax随H1增加而减小，并随H1增大，降幅增大。

a)σmax b)τmax图5 薄层罩面厚度对层间应力的影响

3.2.2 面层厚度

路面结构计算模型中上面层厚度H2=3、4、4.5、5 cm，中面层厚度H3=5、6、7、8 cm，下面层厚度H4=8、9、10、11 cm，研究各结构层厚度对σz和τzx的影响，并分析σmax和τmax的变化规律，如图6所示。

图6 路面各结构层厚度对σmax、τmax影响变化

由图6可知：1)σmax和τmax随H2的增大均出现略微降低趋势，降幅不明显，因此，可认为H2对层间σmax、τmax无显著影响。2)H3增加，σmax稍有增大，τmax略减小，变化幅度相对较小。因此，可认为H3对层间σmax和τmax无显著影响。3)随H4增加，σmax都有一定的降低，但不明显，可认为H4对σmax和τmax几乎无影响。

3.3 温度对层间应力影响

沥青混合料是一种具有较强温度敏感性的热流变材料，受外界环境温度影响较大。温度变化对沥青混合料的影响主要体现在混合料的弹性模量上，在力学分析时考虑温度的影响是通过改变混合料的弹性模量实现的。 对于薄层罩面结构,受薄层罩面和面层的功能性保护作用,温度对半刚性基层的弹性模量影响不大。由于薄层罩面和面层沥青混合料厚度相对较薄，且暴露在外界环境中，受温度影响较大，因此在考虑温度对层间应力影响时，只考虑温度对薄层罩面和原路面面层弹性模量的影响。40、60 ℃时材料弹性模量如表4所示。

表4不同温度下各材料实测模量MPa

材料温度/℃4060SMA-10687315AC-13642294AC-20550252AC-25459210

考虑温度随路面深度方向的变化，采用温度差模拟函数[24-25]计算不同深度下各结构层对应的实际温度

(4)

表5 结构层沿深度变化的模拟温度℃

表6不同温度下各材料弹性模量MPa

材料路表温度/℃4060 SMA-10720346AC-13740391AC-20701409AC-25635404

式中：ΔTy为路面结构中温度差，℃；Pi为路面结构第i层表面温差，Pi+1=Piexp(-bigi),i=1、2、3，其中P1为路表面温差值；bi为控制温差随深度变化因子(反映路面结构材料不同引起的衰减速率不同)，一般取b1=5，bi+1=bi-1；gi为路面结构第i层厚度，m；hi为路面结构第i层表面的y坐标(取与道路长度方向垂直的截面，原点为路面表面，截面水平方向为x轴，垂直向下方向为y轴正向)。

由式(4)可以得到各结构层表面和底面温度，取结构层上下面温差均值可近似得出路表温度为20、40、60 ℃时路面结构随深度变化对应的模拟温度，如表5所示。

通过对不同温度下各材料的模量进行非线性回归拟合内插计算温度，可得到受温度影响变化后材料弹性模量，如表6所示。

完成计算后，再将结构层弹性模量输入BISAR软件中，并由此分析温度对层间应力影响，如图7所示。

a)σmax b)τmax图7 温度对σmax、τmax的影响

由图7可知：当温度为40 ℃时，σmax比温度为20 ℃时增加了37.4%，τmax是温度为20 ℃时的1.04倍；当温度为60 ℃时，σmax较40 ℃时增加了18.3%，τmax是温度为20 ℃时的1.1倍。由此看出，温度的升高对于层间σmax和τmax的影响效果显著，高温对层间的稳定性极其不利。

最后，综合各因素对层间应力的影响分析可知，产生的最大拉应力为2.6 kPa，最大剪应力为390.2 kPa。综合考虑路面结构的耐久性和其他不利因素的影响，取层间容许拉应力[σ]=kσmax，式中k为安全系数，根据相关资料设k=1.2，可得[σ]=3.1 kPa,[τ]=468.2 kPa。

通过计算取整后，在建立的薄层罩面结构模型研究中，罩面结构层间抗剪强度应不小于500 kPa，抗拉强度应不小于4 kPa。

4 结语

针对薄层罩面结构层间黏结性能不足导致病害发生这一状况，从黏结层的性能要求及层间黏结强度理论着手，应用沥青路面层间应力计算软件对薄层罩面结构在行车荷载作用下的层间黏结力学响应进行分析，得到以下结论：f对σmax、τmax均有显著影响；σmax随薄层罩面厚度增加而增大，τmax随薄层罩面厚度增加而减小，薄层罩面厚度变化对层间应力有影响；面层各层厚度的变化对σz、τzx、σmax、τmax均存在一定程度影响，但影响幅度并不明显，可认为面层厚度对层间应力无显著影响；σmax和τmax随温度升高均呈现明显增大状态，表明温度对于σmax和τmax影响效果较为显著，高温对层间黏结的稳定性极其不利。根据试验结果，提出薄层罩面结构层间抗剪强度不小于500 kPa，抗拉强度应不小于4 kPa。由于时间和条件限制，在以后的工作中可根据提出的黏结技术指标展开薄层罩面结构层间性能和黏结层材料选取的室内试验，以完善指标的应用价值。