高速公路改扩建工程沥青面层拼接界面技术措施研究和应用

金光来，冯雯雯

(江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806)

1 概述

高速公路改扩建工程中路面的拼接技术直接关系到扩建工程中路面的使用寿命[1]，尤其是对界面拼接材料的选择。但是目前常用的溶剂型、乳化型层间黏结材料存在黏结性能差、成型速度慢、初期强度低，以及耐久性较差等诸多问题，导致扩建道路的路用性能较差[2]。因此，有必要研发新型的沥青面层拼接黏结材料来提高改扩建路面的质量。

不均匀的车流量会使新旧路面接缝处形成剪应力，导致路面拼接部位存在严重的质量问题[3-4]，众多学者针对提高改扩建道路拼接处的处治措施进行了大量的研究。何通海[5]对采用土工格栅与土工合成材料作为新旧路面衔接处的局部补强材料的应用技术进行了研究；柯文豪等[6]采用有限元方法对路面层搭接前后的受力状态进行了分析研究。近年来，随着水化技术的快速发展，环氧树脂的相容性和适应性也得到了极大的提高，拓宽了环氧树脂在道路工程中的应用范围[7-8]。周启伟等[9]通过车辙试验对水性环氧乳化沥青微表处的高温性能进行了研究，结果表明混合料的动稳定度得到明显地提高。曾德亮[10]采用水性环氧乳化沥青进行雾封层施工，结果表明路面的抗渗性能得到显著的提升。张庆等[11]研究了环氧掺量对乳化沥青黏结性能与其混合料路用性能的影响，结果表明环氧树脂可明显提高乳化沥青的黏度，并能有效地改善混合料的水稳性能。但目前水性环氧树脂改性的沥青界面黏结材料在高速公路改扩建工程中的应用还相对不够成熟，尚且缺乏可靠的理论依据和施工规范标准等。

本研究首先基于理论分析方法，设置3种工况来模拟实际使用过程中路面服役状态，进而明确新老路沥青面层界面拼接的技术标准；其次，分别制备了不同矿粉掺量下的水性环氧沥青与乳化沥青胶结料，以及不同增强剂掺量下的水性环氧沥青黏结材料，通过拉拔强度试验和劈裂强度试验确定了黏结性能最佳的层间黏结材料与其掺配比例，并以江广高速公路改扩建工程为依托进行试验段的应用，通过芯样冻融劈裂试验对层间黏结材料的水稳定性进行了评价研究。以期为改扩建工程沥青面层拼接界面黏结材料的研发，以及现场施工应用提供参考依据和理论指导。

2 沥青面层拼接关键位置受力分析

本文首先基于理论分析方法，通过建立力学模型，分析改扩建工程新老路拼接界面的力学特性，明确薄弱受力位置与其影响范围，从而为沥青面层拼接技术制定提供指导。

2.1 模型参数确定

2.1.1新老路结构拼接方案的确定

本节以某条高速改扩建所采用的拼接结构为例进行分析，如图1所示，其具体拼接结构方案为：①采用4 cm改性SMA-13材料进行统一罩面；②面层拼接台阶：面层第一层台阶为第二车道与第三车分界线往内20 cm处铣刨至老路面层顶部，高度为12～14.5 cm，第二层台阶宽20 cm，高度为10 cm，台阶沿着第二车道与第三车分界线部位；③基层拼接台阶：基层第一层台阶开挖至面层底，台阶宽25 cm；第二层台阶开挖至基层中部，厚19 cm，宽25 cm；最后直接开挖至底基层底，厚39 cm。

图1 新老路拼接示意图

2.1.2结构材料参数的确定

新老路拼接结构层材料参数如表1所示。

2.1.3路面结构模型的建立

路面结构为二维模型，整体模型尺寸为15 m×6 m，即4个车道的水平距离，分别建立3个part，分别对应于统一罩面层(part 1)，老路结构(part 2)和新路结构(part 3)。所有材料均设定为弹性材料，结构层间为完全连续接触，不同part接触面设置“Tie”接触模式，整个模型的横向和纵向可以沿法向自由转动但是无法向位移，底面无三向位移不可转动，网格划分时采用CPE8R单元。汽车荷载采用单轴双圆均布荷载，标准轴载为BZZ-100，加载长度为0.213 m，因此在条件下，荷载设置为常规荷载0.7 MPa，轮隙间距为1.5δ，荷载中心间距3δ。其模型如图2所示。

表1 路面结构参数汇总Table 1 Summary of pavement structure parameters旧路面新路面结构层厚度/cm模量/MPa结构层厚度/cm模量/MPa统一罩面层SMA-1349 278统一罩面层SMA-13 49 278原始罩面层511 500中面层 610 500上面层511 500联结层上 610 500中面层511 500联结层下1011 250下面层711 500基层3810 000基层3811 500底基层203 000底基层208 500土基—80土基—80

图2 有限元模型

2.2 不同工况拼接力学特性分析

2.2.1工况设置

设定3种不同的工况条件，用于表征路面结构在实际使用过程中服役状态。

a.工况1。

该工况为理想状态，即新旧路面结构均质连续，不存在新路路基差异性沉降和新旧路面材料性能一致，此时台阶部位受力最小，作为基准对比条件。

b.工况2：扩建新路面模量低于旧路面模量。

考虑实际使用中扩建新路面与老路模量不一致的情况，由于老路经过多年的服役，路面材料压实致密，导致模量较高，因此新建路面材料本身模量要低于旧路面。

c.工况3：考虑新旧路基沉降差异，新路基沉降2 cm。

新建路基与老路路基存在差异性沉降，根据相关规范要求，规定“路基拼接时，应控制新老路基之间的差异性沉降，既有路基与拓宽路基的路拱横坡度的工后增加值不应小于0.5%”，经过计算，在路拱横坡度增加0.5%的情况下，路面中桩高程与边桩高程差为9 cm，进一步计算出老路路基中心和新路路基中心差异沉降为4.5 cm，因此考虑假设新旧路基差异为2 cm。

2.2.2结果分析

经过模拟分析，得到新旧路面拼接部位的拉应力变化情况，见图3。不同工况条件下路面拼接部位最大拉应力见表2。

图3 应力云图

表2 不同工况条件下路面拼接部位最大拉应力Table 2 Maximum tensile stress of pavement splicing part under different working conditionsMPa工况面层上部台阶面层下部台阶工况10.444 00.278 0工况20.451 00.268 5工况30.747 2 0.538 3

从不同工况的拼接部位最大拉应力分析可知，与工况1相比，工况2面层拼接台阶的拉应力基本相当，而工况3(新旧路基差异沉降2 cm)的拉应力则明显增大，面层上部台阶拼接部位的最大拉应力增长68.3%，面层下部台阶拼接部位最大拉应力增长93.6%。

2.3 沥青面层界面拼接技术标准

结合理论模拟分析结果，初步提出沥青面层界面拼接技术标准，即面层拼接抗拉强度的初步指标≥0.75 MPa。

3 沥青面层界面拼接材料设计

3.1 原材料

3.1.1水性环氧沥青

水性环氧树脂改性乳化沥青外观为黑色或褐色均匀液体，无明显颗粒，主要技术性能指标见表3。

3.1.2乳化沥青

乳化沥青选用阳离子型慢裂慢凝乳化沥青，主要的技术性能指标如表4所示。

3.1.3增强剂

选用由印度尼西亚BAI公司生产的灰分含量为75%的高灰分岩沥青粉末作为增强剂，其主要技术性能指标如表5所示。

3.1.4矿粉

本研究选用石灰岩矿粉作为界面黏结材料的填料，其主要性能指标如表6所示。

表3 水性环氧沥青的主要技术性能指标Table 3 Performance indicators of splicing materials项目蒸发残留物含量/%黏度(C40 ℃,4 mm)/spH(10%水溶液)复合件剪切强度/MPa复合件拉拔强度/MPa附着力拉拔强度/MPa25 ℃40 ℃25 ℃40 ℃25 ℃40 ℃测试结果483690.850.630.670.522.041.08技术要求≥435～507～11≥0.50≥0.35≥0.40≥0.30≥1.20≥0.70

表4 乳化沥青的主要技术性能指标Table 4 Main technical performance indexes of waterborne epoxy asphalt沥青类型固含量/%针入度(100 g,25 ℃,5 s)/0.1 mm黏度(60 ℃)/(Pa·s)延度(5℃)/%溶解度/%稳定度/%阳离子(+)59.672.31 20043.598.30.46技术要求≥5380～130≥500≥30≥97.5≤1

表5 BRA主要技术性能指标Table 5 Main technical performance indicators of BRA试验项目沥青含量/%密度/(g·cm-3)加热损失/%含水率/%三氯乙烯溶解度/%试验结果261.790.750.6423.4印尼国家规范要求≥181.7～1.9≤2≤2≥18

3.2 界面黏结材料组成设计

3.2.1界面黏结材料组成设计方案

本研究采用水性环氧沥青+矿粉，水性环氧沥青+增强剂，乳化沥青+矿粉这3种类型分别进行界面黏结材料组成设计，并开展相关材料黏结性能研究，与传统乳化沥青效果进行对比，优选出最佳界面黏结性能材料，具体的界面黏结材料组成设计方案见表7。

表6 矿粉性能指标Table 6 Performance indicators of mineral powder矿粉表观密度/(g·cm-3)累积筛孔通过率/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm石灰岩矿粉2.73610098.280.3

表7 界面黏结材料组成设计方案Table 7 Design plan of interface bonding material composition试验方案1试验方案2试验方案3水性环氧沥青∶矿粉=1∶1.5水性环氧沥青∶增强剂=6∶1乳化沥青∶矿粉=1.4∶1水性环氧沥青∶矿粉=1∶1.75水性环氧沥青∶增强剂=8∶1乳化沥青∶矿粉=1.5∶1水性环氧沥青∶矿粉=1∶2水性环氧沥青∶增强剂=10∶1乳化沥青∶矿粉=1.6∶1纯水性环氧沥青水性环氧沥青∶增强剂=15∶1纯乳化沥青纯水性环氧沥青—纯水性环氧沥青—

3.2.2试验方法

a.拉拔强度试验。

本研究首先采用轮碾法成型车辙板，待成型后脱模，将车辙板切割成尺寸为15 cm×30 cm×3 cm的4块，其次将所得的1/4块车辙板于室外晾干，并将表面灰尘清扫干净，随后采用毛刷沿切割面涂刷一层不同黏结材料，保证每次涂刷厚度大致相同，待表面干燥之后，把拉拔头用环氧树脂沾牢，将试件置于室温条件下放置6 h，保证环氧树脂固化后使得拉拔头黏结牢固，最后采用附着力拉拔仪进行拉拔试验，试验温度为常温(25±1)℃，试件为干态，拉拔速率控制在0.02 MPa/s。拉拔试验与试验装置如图4所示。

(a)涂刷拼缝材料

b.间接拉伸(劈裂)试验。

本研究首先采用轮碾法成型尺寸为30 cm×30 cm×6 cm的车辙板，将其切割成两半，晾干备用，其次在切割侧面涂刷不同的黏结材料，放置于60 ℃烘箱内烘1 h，然后依据AC20级配标准成型另一半车辙板进行拼接，成型新板时碾压平行于纵缝进行，温度不低于150 ℃，初压温度不低于145 ℃，碾压终了温度不低于100 ℃，拼接过程中为防止集料离析，需在装料过程中注意将粗集料置于中间，待成型24 h后脱模，于跨缝处钻取直径为100 mm的芯样，最后将芯样置于室内晾干，采用马歇尔稳定度仪进行劈裂试验。

3.3 结果与分析

3.3.1拉拔强度分析

水性环氧沥青与不同掺量矿粉制备的水性环氧沥青胶结料的拉拔试验结果如图5所示。由图5可以看出，对于水性环氧沥青胶结料，随着矿粉掺量的增加，胶结料的拉拔强度基本呈现出先增大后减小的变化趋势。当水性环氧沥青与矿粉的掺比为1∶2时，其拉拔强度与纯水性环氧沥青的拉拔强度相当，但随着矿粉掺量的降低，拉拔强度增大，这是因为矿粉掺量过大，使得水性环氧沥青胶结料的稠度增大，涂刷量增加，导致混合料中真正发挥黏结作用的水性环氧沥青含量降低，黏结性能变差。

图5 不同掺量矿粉的水性环氧沥青胶结料的拉拔强度

掺入不同掺量增强剂制备的水性环氧沥青界面黏结材料的拉拔试验结果见图6。由图6可以看出，随着增强剂掺量的增加，界面黏结材料的拉拔强度呈现出先增大后减小的变化趋势，且当水性环氧沥青与增强剂的掺比为8∶1时，黏结材料的拉拔强度最大，其强度为纯水性环氧沥青的1.9倍。这是由于增强剂的密度较小，为粉末状，掺量较高时，水性环氧沥青稠度较大，导致涂刷黏结材料中粉末含量增大，界面存在空隙较多，因此强度降低，但仍明显高于纯水性环氧沥青，这表明增强剂的掺入使得水性环氧沥青的黏结性能得到显著的提高。

图6 不同掺量增强剂的水性环氧沥青的拉拔强度

掺入不同掺量矿粉制备的乳化沥青胶结料的拉拔试验结果如图7所示。由图7可以看出，随着矿粉掺量的增加，乳化沥青胶结料的拉拔强度呈现出先减小后增大的变化趋势，且当乳化沥青与矿粉掺比为1.4∶1时，其拉拔强度最大。这是由于矿粉掺量增加，胶结料的黏稠增大，胶结料中发挥黏结作用的乳化沥青的成分减少，导致拉拔强度下降，但依旧高于纯乳化沥青的强度，且添加矿粉的乳化沥青胶结料的涂刷量远远高于纯乳化沥青的涂刷量；故此掺入矿粉的乳化沥青胶结料具有较好的抗拉拔性能。但与纯水性环氧沥青相比，乳化沥青胶结料的拉拔强度较低，因此不建议将其作为界面黏结材料进行使用。

图7 乳化沥青与矿粉不同比例混合的拉拔强度

上述几组拉拔强度较好的界面黏结材料的拉拔强度试验结果对比见图8。从图8中可以看出，界面黏结材料的拉拔强度为：水性环氧沥青+增强剂>水性环氧沥青+矿粉>纯水性环氧沥青>纯乳化沥青，可知增强剂能够明显改善水性环氧沥青的黏结性能。这是因为增强剂是一种粉末状的有机烃类化合物，具有良好的塑性和黏附性，同时能与水性环氧沥青当中的树脂分子发生接枝反应，形成带有支链的树脂分子结构，在其固化剂的作用下可以越过沥青分子的阻碍，从沥青分子中穿插而过，进而发生相互交联，成为一个整体。这种整体结构在抵抗外力破坏时显然比起单纯的水性环氧沥青结构都要强得多。水性环氧沥青与增强剂通过化学、物理交联而构成的立体空间网络状结构，大幅度提高材料的强度、黏结性和耐久性。因此根据拉拔试验结果，初步认为水性环氧沥青+增强剂的效果最佳。

图8 不同黏结材料的拉拔强度

3.3.2间接拉伸(劈裂)强度分析

根据拉拔试验结果，优选几组拉拔强度较好的黏结材料进行劈裂试验，分别为水性环氧沥青+矿粉、水性环氧沥青+增强剂。将纯水性环氧沥青和纯乳化沥青黏结材料进行劈裂强度对比，在成型好的车辙板之间钻芯，作为正常试件，考察不同黏结材料拼接试件的劈裂强能达到正常试件的百分比数据，取最大值作为优选材料，试验数据结果如表8所示。

表8 不同界面黏结材料的劈裂强度Table 8 Splitting strength of different interface bonding ma-terials黏结材料劈裂强度/MPa试验1试验2平均值正常试件1.871.911.89纯乳化沥青0.550.390.47纯水性环氧沥青0.570.590.58水性环氧沥青∶矿粉=1∶1.750.660.620.64水性环氧沥青∶增强剂=8∶10.900.830.87水性环氧沥青∶增强剂=10∶11.031.281.15水性环氧沥青∶增强剂=15∶11.070.900.98 注: 正常试件是指成型相同车辙板之后,不切割,直接钻取芯样,不做任何处理。

不同黏结材料的劈裂强度对比结果如图9所示。由图9分析可知，劈裂强度试验结果与拉拔强度试验结果相一致，所有水性环氧沥青的劈裂强度均高于乳化沥青，因此不推荐选用乳化沥青作为黏结材料。水性环氧沥青中掺加矿粉可改善纯水性环氧沥青的黏结强度，水性环氧沥青与矿粉掺比为1∶1.75时，劈裂强度为纯水性环氧沥青的1.1倍，但强度却只有正常试件的1/3。

图9 不同黏结材料的劈裂强度

对于掺加增强剂的水性环氧沥青，其劈裂强度明显高于掺矿粉的，随着增强剂掺量的增大，劈裂强度呈先增大后减小的变化趋势.当水性环氧沥青与增强剂的掺比为10∶1时，对应的劈裂强度最大，其值较水性环氧沥青∶矿粉=1∶1.75的提高80%左右，较纯水性环氧沥青提高100%，较乳化沥青提高145%，达到正常试件强度的61%，可见增强剂能够明显提高水性环氧沥青的黏结性能，并且满足本研究提出的“抗拉强度≥0.75 MPa”的要求。因此，本研究推荐采用增强型水性环氧沥青作拼接界面黏结材料，以提高黏结强度，改善拼接效果。

4 工程应用与效果分析

为了进一步验证增强型水性环氧沥青作为沥青面层黏结材料的技术可行性，2016年于江广改扩建工程LM-1标右幅K992+000附近将其予以应用，应用部位为下面层台阶竖向界面处，试验段总长110 m左右。

4.1 施工工艺

采用人工涂刷的方式，用毛刷将混合均匀的界面黏结材料涂刷在旧路面层的侧面，要求涂刷均匀，涂刷用量为2.5～3 kg/m2。施工现场如图10所示。

图10 现场施工

4.2 使用效果分析

在新旧沥青面层接缝处取芯，常规界面涂刷乳化沥青(用量为0.4～0.6 kg/m2)的位置也取芯(见图11)。观察界面黏结情况，并对芯样进行劈裂试验，评价界面剂的黏结效果。将试验路钻取的芯样编号整理后，切割成统一的高度6.35 cm，在试验温度15 ℃，加载速率50 mm/min的条件下进行劈裂试验，其中跨缝处芯样劈裂试验时施加的力的方向平行于拼缝，试验结果如表9所示。

图11 现场取芯

表9 现场跨缝处芯样劈裂试验结果Table 9 Results of the core sample splitting test at the cross seam in the field编号增强型水性环氧沥青乳化沥青试件高度/cm劈裂值/MPa试件高度/cm劈裂值/MPa163.80.774 463.90.157 4264.10.747 263.70.187 8363.60.737 863.70.247 2均值63.80.753 163.80.197 5

从试验结果可以看出，采用常规乳化沥青的界面芯样劈裂强度为在0.20 MPa左右，而采用增强型水性环氧沥青涂刷的界面芯样室内劈裂强度则为0.75 MPa，是常规乳化沥青的3.75倍，可见该增强型水性环氧沥青界面剂具有优异的抗拉性能。

5 结论

a.明确新老路沥青面层界面拼接技术标准为“抗拉强度≥0.75 MPa”。

b.与传统的乳化沥青相比，水性环氧沥青、添加矿粉的水性环氧沥青与乳化沥青胶结料和添加增强剂的乳化沥青的黏结性能均有所提高，且增强型水性环氧沥青的黏结性能提升最为明显。

c.当水性环氧沥青与增强剂的掺比为10∶1时，界面黏结材料的黏结强度达到最大，其劈裂强度较添加矿粉的水性环氧沥青提高80%，较纯水性环氧沥青提高100%，较乳化沥青提高145%，并推荐以增强型水性环氧沥青作为新老沥青面层拼接处的界面黏结材料。

d.通过现场试验段芯样冻融劈裂试验结果表明，采用增强型水性环氧沥青作为高速公路改扩建沥青面层拼接界面黏结材料，其抗拉效果是常规乳化沥青的3.75倍，表明该增强型水性环氧沥青界面剂具有优异的抗拉性能。