沥青路面层间抗剪强度影响因素研究

张轩铭

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

0 引言

在设计沥青路面时，除了要精准确定路面结构层的材料、厚度，还要充分考虑沥青路面层间实际状态，因为弹性层状理论中对各沥青路面结构层的层间接触假设为连续状态，而实际中由于施工时各结构层在铺设时是无法做到完全连续的，因而在对沥青路面结构进行力学指标验算所得的结果与沥青路面在实际使用时存在一定的差别，由于结构层间存在水平方向的摩檫力，使得沥青路面实际的层底拉应力大于设计值，从而导致沥青路面容易出现裂缝等病害，即使对裂缝进行了灌胶处治维修，依然容易产生应力集中，导致路面病害进一步发展，降低路面使用性能。考虑到上述沥青路面层间的不利情况，在沥青路面设计时通过设置粘层来提升层间的粘结性能，改善沥青路面结构的整体性能。

当前用于研究沥青路面层间抗剪强度与荷载关系的理论为摩尔-库伦理论，计算公式为τ=C+σTanθ。沥青路面层间直剪实验结果中，抗剪强度与竖向荷载关系与摩尔-库伦理论中的规律有些类似，可采用摩尔-库伦理论对沥青路面上下面层的直剪试验结果进行分析。

加强沥青路面层间接触对提升层间抗剪切性能、优化沥青路面结构受力及延长路面使用寿命有着非常重要的作用，而影响层间接触水平的因素有竖向荷载、粘层沥青种类及洒布温度、沥青含量等，因此通过选取竖向荷载、沥青种类、洒布温度、乳化沥青洒布量为研究对象，结合灰色关联理论对沥青路面层间抗剪强度影响因素进行研究分析。

1 试验方案

(1)竖向荷载对沥青路面结构力学影响最为直接，因而研究竖向荷载对沥青路面的层间接触具有重要意义。试验采取带有竖向荷载的直剪试验，试验中荷载参数设定为0.35MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa及1.1MPa。

(2)为了能够使得各沥青结构层在施工时充分粘结，因而采用乳化沥青作为粘层材料最为常见，试验选用三种粘层材料，分别为Super PCR、SBR乳化沥青、普通乳化沥青。由于沥青是非线性粘弹特性的温敏性材料，因而在粘层材料进行洒布时需控制一个合理的温度，设定温度参数分别为25℃、45℃及60℃。

(3)在洒布粘层时应选择合适的沥青洒布量，洒布量过大，乳化沥青破乳时间长，可能会导致沥青层间存在水份，严重降低层间摩擦力，沥青层产生滑移；洒布量过小，乳化沥青无法覆盖沥青面层，层间存在空隙，容易产生破坏。因此，本试验设定乳化沥青洒布量分别为0.4kg/m2、0.6kg/m2、0.8kg/m2、1kg/m2。

通过设定上述四种因素及不同试验参数，对沥青路面层间抗剪性能影响因素进行研究，并分析出各因素影响大小及参数合理值。

2 各因素对沥青路面层间抗剪性能的影响

2.1 竖向荷载对抗剪强度的影响分析

在竖向荷载对沥青路面层间抗剪强度试验中，粘层材料乳化沥青洒布量分别为0.4kg/m2、0.8kg/m2。从图1可看出，在0.4kg/m2、0.8kg/m2乳化沥青洒布量下沥青路面层间抗剪强度与竖向荷载基本都呈现线性关系，且随着竖向荷载增大，抗剪强度增大，当乳化沥青洒布量为0.4kg/m2时，拟合的函数为y=0.92512+0.46602x，相关性高达97%以上；当乳化沥青洒布量为0.8kg/m2时，拟合的函数为y=1.05419+0.45608x，相关性为64%，这表明竖向荷载对抗剪强度的影响非常明显，过大的竖向荷载使得沥青路面层间容易产生破坏，沥青路面上出现的推移病害可通过上述试验结果进行解释。另外，当乳化沥青洒布量为0.8kg/m2时的抗剪强度与竖向荷载相关性明显高于0.4kg/m2时的抗剪强度，这也充分说明了当粘层乳化沥青洒布量过大时更容易导致沥青面层间接触状态变差，产生滑移现象。

此外，上述拟合函数形式与摩尔-库伦理论公式较为一致，由摩尔-库伦理论可知，竖向荷载越大，层间的内摩阻力越大，导致层间的抗剪强度增大。两个拟合函数的系数比较接近，可见层间的滑动摩擦系数或层间的内摩擦角与层间粘结材料含量的关系不大。

2.2 沥青种类、温度对抗剪强度的影响分析

从图2试验结果可看出，总体上不同粘层材料种类、洒布温度对沥青面层层间抗剪强度的影响很明显，当洒布温度为25℃时，Super PCR、SBR乳化沥青、普通乳化沥青对应的抗剪强度分别为1.48MPa、1.25 MPa、0.93 MPa；当洒布温度为45℃时，Super PCR、SBR乳化沥青、普通乳化沥青对应的抗剪强度分别为1.1MPa、0.9 MPa、0.65 MPa；当洒布温度为60℃时，Super PCR、SBR乳化沥青、普通乳化沥青对应的抗剪强度分别为0.82MPa、0.72 MPa、0.5 MPa。当洒布温度相同时，抗剪强度排序为Super PCR>SBR乳化沥青>普通乳化沥青，可见Super PCR有着更好的抗剪性能。而相同粘层材料时，洒布温度越低，抗剪性能越好，这主要与沥青的温度敏感性有关，沥青随着温度的升高，其剪切模量降低、粘度减小，从而降低沥青层间的粘结作用。通过上述分析，在实际工程中对于粘层材料的选择及洒布量的确定要慎重，最大程度选择好的粘层材料。

2.3 乳化沥青洒布量对抗剪强度的影响分析

从图3可看出，层间抗剪强度随着乳化沥青洒布量的增加呈现出先增加后减小的变化现象，其中层间抗剪强度峰值出现在沥青洒布量为0.8～0.9kg/m2。出现这一变化情况的原因在于当沥青洒布量较低时，随着沥青洒布量的增加，在乳化沥青破乳后，沥青能够充分与沥青面层接触，并形成厚度适宜的沥青膜，从而使得层间的抗剪性能逐渐增大，而当沥青洒布量较大时，出现了富余沥青的情况，从而使得富余沥青无法与沥青面层充分接触，这种情况很容易使得沥青面层在应力作用下产生流动，降低了层间的抗剪切强度。

3 灰色关联分析

分析上述试验结果可知，竖向荷载、沥青种类、乳化沥青洒布温度、洒布量均对层间抗剪强度具有较大的影响，因此，为了能够研究这几个因素对层间抗剪强度的影响，通过对上述几种因素进行灰色关联分析，分析出各因素影响大小的排序情况。考虑到目前应用最多、质量最为稳定的粘层材料为普通乳化沥青，因此选定粘结材料为普通乳化沥青。层间抗剪强度为参考序列，竖向荷载、温度、乳化沥青洒布量为比较数列。试验数据具体见表1。

表1 层间抗剪强度试验数据

相关计算公式不再赘述，经计算，关联度分别为:

r1=0.78；r2=0.63；r3=0.66

从上述结算结果可看出，对层间抗剪强度影响排序为：竖向荷载>乳化沥青洒布量>温度，并且竖向荷载关联度达到0.78，而最小的关联度也为0.63，可见总体上这三个影响因素对层间抗剪强度的影响显著。因此，在沥青路面设计、施工时应充分重视沥青面层层间的处理，严格控制乳化沥青的洒布量与洒布温度。

4 结论

(1)沥青路面层间抗剪强度与竖向荷载基本呈现线性关系，且随着竖向荷载增大，抗剪强度增大，当乳化沥青洒布量为0.4kg/m2时，拟合函数相关性高达97%以上；当乳化沥青洒布量为0.8kg/m2时的抗剪强度与竖向荷载相关性明显高于0.4kg/m2时的抗剪强度，这也充分说明了当粘层乳化沥青洒布量过大时更容易导致沥青面层间接触状态变差，产生滑移现象。

(2)当洒布温度相同时，抗剪强度排序为Super PCR>SBR乳化沥青>普通乳化沥青，可见Super PCR有着更好的抗剪性能。而粘层材料相同时，洒布温度越低，抗剪性能越好，这主要与沥青的温度敏感性有关，随着温度的升高，沥青剪切模量降低、粘度减小，从而降低沥青路面层间的粘结作用。

(3)当乳化沥青洒布量较低时，随着洒布量的增加，在乳化沥青破乳后，沥青能够充分与沥青面层接触，并形成厚度适宜的沥青膜，从而使得层间的抗剪性能逐渐增大，而当沥青洒布量较大时，出现了富余沥青的情况，从而使得富余沥青无法与沥青面层充分接触，这种情况很容易使得沥青面层在应力作用下产生流动，降低了层间的抗剪切强度。

(4)对层间抗剪强度影响排序为：竖向荷载>乳化沥青洒布量>温度，并且竖向荷载关联度达到0.78，而最小的关联度也为0.63，可见总体上这三个影响因素对层间抗剪强度影响显著。因此，在沥青路面设计、施工时应充分重视沥青面层层间的处理，注意施工时要严格控制乳化沥青的洒布量与洒布温度；更为重要的是还应治理超载、重载现象，减少竖向荷载对沥青路面的力学作用。