沥青路面层间结合评价

1、沥青路面层间结合评价摘要：公路快速建设与发展，沥青路面占得比重越来越多，本文介绍了层间结合的功能，国内外对于沥青层间结合的研究，施工条件及方法。给出了评价沥青层间性能的指标及测试方法。1. 引言随着我国公路建设事业的蓬勃发展，我国高速公路里程不断增加。尤其是改革开放以来的30年，是我国公路建设最具规模、最具活力的时期，我国的高等级公路建设像雨后春笋一般得到了突飞猛进的发展。在高等级公路的建设中，沥青路面由于平整性好、行车平稳舒适、无扬尘、噪音低等优点，被广泛应用于世界各国高等级公路建设。在已通车的高速公路中，沥青路面占九成以上。在今后的国道主干线建设中，沥青路面仍将是主要的路面结构形式。随着世

2、界道路交通的发展，交通量的不断增加及轴载的增大，对高等级公路的力学性能及使用性能要求越来越高，由于路面性能不能满足重交通荷载的要求而造成的路面结构早期破坏现象不胜枚举，尽管材料组成设计和路面结构设计以及施工控制都满足相关技术规范要求。在夏炎热地区，很多高等级公路沥青路面还是出现了波浪、车辙等高温稳定性不足等问题，这不仅降低了路面的行车舒适性，还可能给行车安全带来隐患。车辙超过一定深度，就会在下雨天形成积水，出现汽车“水漂”现象。因车辙造成的路面横向和纵向不平整，还容易导致夜间、雨天快速行驶的小汽车在变换车道时失去方向控制，酿成交通事故。沥青类型、沥青用量、级配和集料的表面状况等都是沥青路面产生

3、车辙的原因，面层结构、道路基层及施工质量也会使沥青路面产生车辙。就我国目前的工程现状来看，影响沥青路面高温稳定性关键因素还包括沥青路面面层层间抗剪强度、沥青路面面层层间结合效果。我国沥青路面层结构一般分层考虑，分层压实，不同位置面层级配有所差异。在施工过程中，沥青层之间要洒布粘层油称为粘层。粘层在路面结构计算中不计入厚度，其主要作用是增强层间粘结，使沥青层粘结为一个整体。沥青混凝土路面面层层间处理正确与否，对路面的质量和使用寿命有很大影响。沥青路面面层的沥青混合料粘结强度的构成主要来自于材料的粘结力c和内摩擦角，沥青混合料都达到了充分的振实碾压，使各沥青混合料结构层都达到了相对平整密实的状态，

4、而沥青路面各层间的结合效果的状态仍然不能达到沥青混合料内部的密实程度，处于沥青混合料层间接触而上的石料间产生的嵌挤作用会远小于处于沥青混合料内部的石料间产生的嵌挤作用。如果沥青路面层间结合的作用没有得到充分重视或者没有进行有效的层间粘结处理，沥青路面层间结合部就会成为路面整体结构的薄弱环节之一。沥青路面面层层间抗剪强度成为层间结构强度的主要部分。2. 国内外研究现状我国在设计路面过程中把层间结合效果假定为完全连续的，但是完全连续型路面层间结合效果在实际工程中是不可能达到的，绝大部分沥青路面层间结合效果是介于完全连续型和完全滑动模型之间的一种半连续半滑动状态，如果沥青路面层间结合处理妥当，则沥青

5、路面层间结合效果更趋近于完全连续性，而在一些极端的施工条件下（如路面大修工程中路面刨铣后受沙尘污染），沥青路面层间结合效果会异常松散，甚至更趋近于完全滑动状态目前国内对于沥青路面层间功能层的研究逐渐受到有关部门的重视，并取得了一定的研究成果，但是研究深度略显不足。我国的沥青混凝土路面施工技术规范中对沥青路面层间功能层有明确的规定，但施工单位在实际施工过程中对沥青路面层间功能层施工质量的重视程度还不能达到要求，经常存在施工过程中沥青路面功能层所用材料用量不足或者粘结材料洒布不均匀等不重视沥青路面功能层质量的现象。国内的主要研究还有沥青路面面层剪应力的粘弹性有限元分析，调查结果表明，路面出现的早期

6、车辙在很大程度上是由剪切破坏引起的，其中一个重要的原因是设计人员在根据我国现行沥青路面设计规范进行路面结构设计过程中没有考虑剪应力的影响。虽然国内有不少专家学者对此问题进行了研究，取得了一定的成果，但其研究大多基于将沥青混合料当作线弹性材料来考虑。实际上，在进行路面设计过程中不仅要认真考虑路面结构材料本身的特性，更应该正确认识路面面层内的剪应力状况。利用有限元法分析超载、制动力和纵坡对路面结构的影响，可得出面层剪应力变化的一般规律，为沥青路面设计提供一定的参考依据。对于沥青混合料层间剪切力的理论分析和数值计算的应用方法，基于弹性层状体系理论的计算软件的应用对分析沥青混凝土路面层间抗剪强度的分布

7、状态提供了一定的支持。在设计沥青路面结构时，由沥青路面结构和力学的相关知识可以计算出各沥青面层厚度和在各种行车荷载的作用下，沥青混凝上路面层间产生的剪应力T的大小数值。有很多因素能对沥青路面层间剪切力大小产生影响，其中沥青路面的面层沥青混合料所采用集料的类型和级配的差异，以及沥青路面层间处理措施的不同均会使沥青混凝土路面结构层间的抗剪强度T受到影响。沥青混凝土路面的实际受力状态可以模拟，并可测得在不同状态（如改变沥青混合料层的厚度、改变沥青混合料的级配）下，沥青路面层间抗剪强度的变化。进一步考虑沥青混凝土路面抗剪切强度系数KT，以确定沥青路面结构因为沥青路面面层层间剪切作用而发生剪切破坏的可能

8、性。国外很早以前就对沥青路面层间剪切进行研究，比如ASTRA设备，就是一种可以对路面材料剪切力进行测试的试验设备。国外沥青混合料的研究主要集中在Superpave沥青混合料设计方法上，这种方法最早于1990年提出，是美国SHRP计划的研究成果。NCAT(National center for Asphalt Technology)指导委员会要求NCAT提供一些能够提高沥青混合料性能的试验方法指南。NCAT指导委员会希望这一指南能够长期使用，直到诸如NCHRP 9-19或其他研究报告提供更好的试验评价方法。在评价沥青混合料抗车辙能力的试验方法中，包括 SST(Superpave Shear Te

9、st)剪切试验，但是SST试验设备昂贵且操作复杂，到目前为止还没有形成一个基于SST试验的可接受的评估沥青混合料性能的模型。国际上不同的车辙试验机的主要区别体现在车辙试验试件尺寸与车辙试验荷载轮这两个技术参数上。近些年世界上被人们广为熟知和广泛应用的是法国道路与桥梁中心研究所(LCPC)、CPN车辙试验机等应用范围也比较广。上世纪70年代之前，第一代的英国原型车辙试验机结构简单，操作方法容易掌握，我国很多早期车辙试验设备是模拟实心轮胎制作的，其实是在车辙试验机的铁轮的基础上在外围套装了一层5mm厚的橡胶轮胎，标准的车辙试件的厚度是50mm，几乎与沥青路面表面层厚度相当。因为车辙试验机的原理简单

10、，操作性强，后来日本和我国都是依照英国的车辙试验方法进行车辙试验的。西方国家对车辙试验进行分析，将沥青路面产生车辙问题分成以下3个方面进行讨论: a) 由于行车荷载作用使路面上部局部有压密形变产生。b) 沥青混合料产生塑性形变。c) 因为沥青路面表层沥青的剥落而使沥青混合料产生不稳定性3. 沥青路面层间功能层沥青路面在荷载、外界条件的作用下，经常会出现破坏（车辙、疲劳开裂），路面层间功能层的缺失与强度不足是产生破坏的原因之一。目前，我国的沥青路面功能层主要有这样几种:透层、封层、粘层。透层油是设置在沥青路面和路基之间起到增强沥青路面面层和路面基层粘结作用的一种材料，主要作用是防止水分渗入路面基

11、层，以免对路面基层的强度造成影响，也防止沥青混凝土中的沥青渗入路面基层，导致路面面层的混合料设计的油石比发生变化，强度降低。透层养生之后要在其上设置封层其主要作用是封水、抵抗交通对基层的损害。粘层油是设置在沥青路面面层之间起粘结作用的一种材料，它的厚度不计入沥青路面结构，但这些功能层都在沥青路面结构中起到特定的作用，如耐久性、高温稳定性和抗剪切能力。1) 沥青路面透层沥青路面透层主要是置于沥青路面基层与沥青路面下面层之间的功能层，沥青路面透层的主要作用是使路面基层的开口空隙封闭，这对于半刚性基层的养生和强度的形成是有利的。沥青路面透层是路面面层的有机材料和道路基层的无机材料的结合层。透层还有很

12、强的防水作用，有助于道路基层和沥青路面之间结合强度的形成。我国沥青路面施工规范规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油，沥青层在透层油完全渗透入基层后方可进行铺筑。透层油必须深入路面基层，渗透深度通常控制在5mm以上，如果透层油没有渗透到路面基层，而仅仅形成一层油皮，这层油皮很容易被施工车辆、摊铺机粘起、推掉，透层油就起不到应有的对沥青路面和基层的联结、防水、稳定、固结的作用。2) 沥青路面下封层下封层设置于养生后的基层之上，其主要作用是防水。单单依靠透层是不能抵消交通荷载对基层的破坏作用的。下封层的主要作用有以下几点：a) 层间粘结主要是指路面基层与沥青路面面层之间的联结，这点作用与透层的作用

13、是一样的。路面基层的材料组成及施工方法与沥青路面的材料组成及施工方法是不一样的，路面基层为无机材料而沥青路面面层为有机材料，面层与基层之间不容易联结紧密，这就需要设置下封层，通过下封层、透层的相互配合，使路面基层与沥青面层有机紧密的结合在一起，从而保证道路的使用功能和使用寿命。b) 传递荷载道路的承载能力一般由半刚性基层来承担，沥青路面面层主要是起到防水、防滑、防噪声和向路基传递荷载的作用，而要传递荷载必须使路面基层与面层之间产生有效的联结。封层的作用之一就是联结作用，封层可以有效的将交通荷载从路面面层传递到路面基层。c) 防水抗渗沥青路面经常受到雨水、地表水的侵蚀、破坏。在沥青路面施工过程中

14、往往因为沥青混合料的离析和不均匀性，影响路面的防水性能，地表水如果透过路面进入路面基层，在冻融和动力水的作用下对路面基层的破坏作用极大。因此应该在沥青路而之下，路面基层之上铺设封层来增强道路整体的防水性能。d) 提高路面整体强度封层有效地增强了沥青路面与道路基层之间的粘结力，使柔性的沥青路面与刚性或半刚性基层更有效的结合在一起，防止沥青路面与路面基层之间产生滑移，起到承上启下的作用，提高道路的整体强度。3) 沥青路面粘层沥青路面面层一般由2-3层组成的。粘层是设置在路面面层层间的功能层，由于沥青路面施工是不连续的，当一层沥青路面施工完毕后，由于临时开放交通或恶劣自然条件使路面造成污染，如果不及

15、时清扫和洒布粘层油，就会使沥青路面面层间产生不连续的情况，路面面层间就易产生滑移，影响路面的稳定性与耐久性。为了保证沥青路面面层间的紧密结合必须设置粘层。即在沥青路面面层施工完毕后，在其上洒布粘层油。粘层油主要起到使沥青路面面层间界面紧密联结的作用，虽然粘层只是功能层材料，但是功能层对保证路面整体结构的稳定性起到很大作用，如果沥青路面粘层缺失或者设置不当，很容易成为沥青路面日后产生病害的诱因。粘层油喷洒时必须保证喷出的沥青成均匀雾状，在全宽度的路面范围内分布均匀，最好形成沥青薄层，禁止有成条状撒布或洒花漏空的情况发生。在粘层油喷洒不足的地方要进行补洒。粘层油洒布过后，车辆和行人禁止通行。粘层油

16、的施工最好在当天进行，待乳化沥青破乳、水分蒸发完成，或稀释沥青中的稀释剂基木挥发完成后，接下来进行沥青层的铺筑，这样可以保证粘层不受污染。粘层油起的作用是使沥青路面几下沥青层完全粘结成紧密的整体，当沥青路面下面层受到污染时必须及时对已铺筑的面层进行清扫，然后洒布粘层油，然而在路面工程的施工过程中经常会遇到对已铺筑面层的污染程度有不同的理解的情况，这导致了施工人员对粘层油认识的混乱。对于同一种施工情况，是否进行粘层油喷洒不同的施工人员又持不同的看法，因此，为了保证沥青路面的施工质量，建议在所有沥青路面的施工过程中都要进行粘层油洒布。4. 层间结合检测指标国内外对沥青路面层间结合有大量的研究，用于

17、层间结合的检测指标主要有三个：抗剪切强度、粘结强度和扭转强度指标。抗剪切强度指标用于层间结合状态评价符合车轮荷载作用下路面受力状态，但检测方法多却不统一，另外用于现场检测时对路面的扰动过大；粘结强度指标是层间结合状态的间接评价指标，检测方法简便、统一；扭转强度是新的用于评价层间结合粘结效果的间接指标，检测方法较单一，不同的检测指标，检测原理不同。1) 抗剪切强度指标抗剪切强度是反映层间结合粘结效果抗剪切变形的指标，目前抗剪强度指标的检测原理有斜剪与直剪两种。直剪试验包括只有水平力作用的直剪试验和水平荷载、垂直荷载共同作用下的直剪试验。只有水平荷载作用的直剪示意图见图1，水平荷载、垂直荷载共同作

18、用下之间示意图见图2。只考虑水平剪切力的作用，不符合路面层间结合受力原理；同时考虑水平力与垂直压力在只考虑水平力的基础上进了一步，但与车辆荷载作用下路面层间处的受力情况还有差别。冯德成等曾经进行过沥青路面层间结合状态试验与评价方法的研究，其借鉴土力学直剪试验原理，采用路面直剪测试仪进行了相关试验，试验原理与图2相同。长安大学刘细军等开发了一种原理简单、参数可以改变的直剪仪器，这种设备还可以用来方便地测试路面钻芯和试验室制备的圆柱体试件，也可在MTS 上操作，如图3。该仪器的两个剪切套具间的间距可调，利用 MTS 可以方便地控制应变或应力模式加载，荷载的大小和试验温度也可调整，仪器通过剪切套具下

19、支撑的偏移来实现剪切，操作简便，试验数据由软件自动采集和输出。斜剪试验是模拟现场行车荷载作用下路面层间结合处受力情况最好的方法。长安大学武建民等研制了DLG-A 型路面剪切试验仪（见图 4），剪切面成 45，在垂直荷载作用下，试件可以同时受到垂直压力和水平剪切力的作用，能较好的模拟路面行车荷载作用以及路面结构层受力情况。仪器主要由剪切试验模具、试验成型模具、压力传感器、位移传感器和单片微处理控制器组成，试件成型尺寸为 25cm25cm25cm。试件采用较大的平面尺寸，可以克服基层、面层材料自身的不均匀性所造成的测试偏差；试件成型采用压力机分层振动或静压成型，并达到相应的压实度要求。综合以上抗剪

20、切强度检测方法可以看出，抗剪切强度 （斜剪试验） 可以很好的模拟路面层间结合处的受力状况，但不适于现场检测。图 13 的检测方法用于现场检测时对路面的扰动很大，不适宜于现场检测。图 4 的检测方法只能用于室内检测且工序繁杂，成型方法无操作规程，现场取样比较困难，采用切割方法进行现场取样破坏面积较大，且芯样容易破坏。目前还没有既适用于室内又适用于现场且扰动较少的抗剪强度指标检测方法。2) 粘结强度指标粘结强度指标是通过检测两个结构层间的粘结力（拉拔力）来评价层间结合粘结效果，该试验也叫拉拔试验，其试验原理见图 5。曾进行过大量的不同层间接触状态抗剪切强度与粘结强度试验，检测结果表明层间接触状态对

21、抗剪切强度影响很大，但对粘结强度几乎没有影响。实际施工现场，层与层之间的接触程度因处理工艺不同而不同，如果采用拉拔仪检测粘结强度来评价路面层间结合粘结效果对路面层间结合粘结效果评价不真实，但该指标的现场检测较方便，国内也有多种用于粘结强度检测的仪器。3) 扭转强度指标扭转强度指标是通过对上结构层施加扭矩层间结合破坏，其破坏扭矩作为扭转强度来评价层间结合粘结效果，其试验原理见图 6。该检测方法目前主要运用于瑞典现场层间结合检测评价，国内还没有相应的检测设备。抗剪切强度指标适合用于层间粘结效果检测，但不适宜于现场检测；粘结强度指标只能反映粘结材料对层间结合的影响，不能真实的反应层间接触状态对粘结效

22、果的影响，所以目前最好的方法是扭转强度指标，其既可反映层间接触状态，又可反映粘结材料的粘结性能。但目前国内还没有一台扭转强度检测仪，还需要对外国技术进行引进吸收与优化。5. 层间结合检测方法1) 抗剪切强度检测方法抗剪强度指标的检测方法主要有以下五种：“拉脱”试验、三点弯拉试验、四点弯拉试验、直剪试验和斜剪试验。“拉脱”试验与拉拔试验原理相同，这种方法简便，但与实际路面层间受剪状态不相符。三点和四点抗弯试验，通过跨中加载来计算试件沥青层底面挠度产生的层间错动分量来分析层间粘结效果，这与车轮荷载作用下路面层受力机理不同。直剪试验检测方法也与层间结合受力机理不同，长安大学还研制开发了 LLM直剪试验系统，该方法用于现场检测时对路面结构扰动过大。斜剪试验可以形象的模拟行车荷载对层间结合的作用状态，但只适合于室内检测评价。2) 粘结强度检测方法粘结强度的检测方法主要为拉拔试验，通过检测两