高速公路半刚性基层层间黏结影响因素研究

摘要：本文通过室内试验，分析评价不同污染状态对层间黏结力的影响，分析不同污染状态对路面结构力学响应，为新建高速公路交叉作业所层间处理方面给出了合理的建议。

关键词：半刚性基层层间黏结

中图分类号：U412文献标识码： A

1前言

近年来，为了谋求更高的质量标准，在路基、路面材料及其结构组成方面进行了许多优化和改进，并且为了使高速公路路面多层组合体系具有良好的结构承载力和耐久性，面层表面以及层间处治工艺的正确与否和质量高低，对路面的服务质量和寿命至关重要。但在工程施工中，往往存在交叉施工，不能完全封闭交通。存在诸如泥污染、油污染，而处理手段都是简单清扫后洒布透层油或者黏层油。对类似这些情况的层间污染到底会对层间黏结强度和层间抗剪强度造成多大的影响，至今大家认识都很模糊。因此有必要对层间污染进行研究。

2 层间黏结的作用机理

透层或者黏层油在施工之后，会在半刚性基层上有一定深度的渗透，能很好地发挥从有机结合料到无机结合料结构层之间良好的过渡耦合作用。在渗透深度内，有机物质(沥青)填充了半刚性基层的表面空隙，形成了特殊的结构层，我们称之为耦合层。耦合层由于有机物质(沥青)的介入，使之成为半刚性基层的一部分，因此解决了柔性路面与半刚性路面基层的黏结问题。

3 层间界面污染研究试验方法

（1）试验模型

透层油喷洒在半刚性基层上的形成一个薄层，位于下封层与半刚性基层之间，为了模拟实际工程中透层油污染后的工作状态，试验采用“半刚性基层板+污染的透层油+下封层+沥青混凝土下面层”的结构，透层表面的污染以泥土和柴油为介质，如图1所示。

图1 层间污染试件成型试件过程

（2）试验方法

本文采用自制的剪切模具进行了无正应力的直接剪切试验。

①直接剪切试验

试验目的：测定层间不同污染状态下下封层与水泥稳定碎石之间粘结层结构的抗剪强度衰变。

直剪模具：开发了一种原理简单的直剪模具（图2），操作简单易行，可以方便的用来测试路面钻芯试样或试验室制备的圆柱形试件。该模具可以在MTS上进行操作，MTS可以方便地按照设定的速率匀速加载，并能方便地调整荷载的大小或者加载速率以及试验温度，试验数据（剪切力和位移）由软件自动采集和报告等特点，为试验提供了可靠的精度。

试验操作过程：将试件水泥稳定碎石的一端先固定在圆形夹具内，然后把另一个活动夹具套在相应的两个导杆上，目的限制剪切位移在竖直方向上产生，再用螺丝把圆形的沥青混凝土夹住。把模具放入MTS试验平台上，按照一定的速率加竖向压力，MTS仪器会自动记录剪切过程中的时间、位移和所施加竖向荷载的变化。

图2直接剪切试验模具

②直接拉拔试验

试验目的：测试层间不同污染状态沥青混凝土下面层、下封层以及水泥稳定碎石基层之间的粘结强度。

拉拔模具：对《道桥改性沥青防水卷料》（JC/T 974―2005）中的拉拔模具进行了改造（图3），不必用环氧树酯粘结试件，用机械就可以方便固定试件，操作简单，试验效率高。该模具可以在MTS上进行操作，MTS可以方便地按照设定的速率匀速加载，并能方便地调整荷载的大小或者加载速率以及试验温度，试验数据（剪切力和位移）由软件自动采集和报告，为试验提供了可靠的精度。

试验操作过程：分别将上下两模具安装在MTS机上下两拉头上，接着用螺丝将圆形试件水泥稳定碎石的一端先固定在下模具内，然后开动MTS机，让上模具下降，直到沥青混凝土完全进入上模具，停止MTS机，然后用螺丝固定住沥青混凝土一端。按照一定的速率加竖向拉力，MTS仪器会自动记录剪切过程中的时间、位移和所施加竖向荷载的变化。

图3 直接拉拔试验装置

4 层间污染物不同含量下界面污染的研究

结合以往的透层油施工，选取透层油用量为1.0 L/，并根据渗透情况进行微调。选用污染物（泥土），分别按不同的量进行涂抹，研究两种污染物在不同温度对层间界面抗剪以及粘结强度的影响。然后进行“直剪试验”和“拉拔试验”方法测试，具体的试验结果如下。

①土污染物对层间抗剪强度的影响分析

干燥状态下，不同温度下基层与面层间污染物含量对层间抗剪强度影响的试验结果如表1、图4、图5和表2。

表1温度和泥土污染物含量对基层面层间界面抗剪强度的影响

温度 10℃ 25℃ 40℃ 60℃

基层面层层间泥土污染量 0g/m2 破坏最大荷载（N） 2870.3 2256.47 1552.45 746.21

破坏强度（MPa） 0.3656 0.2874 0.1978 0.0951

50g/ m2 破坏最大荷载（N） 2567.16 1947.06 1255.68 579.44

破坏强度（MPa） 0.3270 0.2480 0.1600 0.0738

100g/ m2 破坏最大荷载（N） 1987.51 1582.42 967.5 430.37

破坏强度（MPa） 0.2532 0.2016 0.1232 0.0548

200g/ m2 破坏最大荷载（N） 1427.54 1028.64 623.87 348.55

破坏强度（MPa） 0.1819 0.1310 0.0795 0.0444

400g/ m2 破坏最大荷载（N） 856.72 668.21 318.25 167.94

破坏强度（MPa） 0.1091 0.0851 0.0405 0.0214

600g/ m2 破坏最大荷载（N） 549.86 384.33 132.27 86.32

破坏强度（MPa） 0.0700 0.0490 0.0168 0.0110

图4 不同泥土污染量与基层面层间界面抗剪强度的关系

表2 基层面层间界面抗剪强度与不同泥土污染量的回归函数

温度 回归函数 相关系数

10℃ y = 0.349e-0.0028x 0.9882

25℃ y = 0.2724e-0.0029x 0.9876

40℃ y = 0.1911e-0.004x 0.9973

60℃ y = 0.0874e-0.0035x 0.9933

图5温度与基层面层间界面抗剪强度的关系

表3 基层面层间界面抗剪强度与温度的回归函数

污染程度 回归函数 相关系数

0g/m2 y = 0.5261e-0.0271x 0.9689

50g/m2 y = 0.4849e-0.0300x 0.9761

100g/m2 y = 0.3903e-0.0312x 0.9665

200g/m2 y = 0.2525e-0.0287x 0.9949

400g/m2 y = 0.1688e-0.0342x 0.9747

600g/m2 y = 0.1078e-0.0397x 0.9448

综合表1和图4，相同试验温度下，基层与面层层间界面抗剪强度随泥土污染量的增加而降低；层间界面抗剪强度受温度影响比较明显，尤其是层间泥土污染小于100g/m2时，此时温度变化是层间抗剪强度减弱的主要因素。分析表2回归函数式，由于幂指数系数值极小，所以抗剪强度主要由幂前面的系数决定，在此定义幂前面的系数为温度敏感性系数，抗剪强度随温度敏感性系数的降低而减小，相同污染量下， 60℃时的温度敏感性系数比10℃时的减小了75％左右，说明温度是影响层间抗剪强度的重要因素，层间界面污染加剧了层间抗剪强度的降低。

图5更进一步说明，层间污染越轻，层间抗剪强度随温度影响越明显，当层间泥土污染大于400g/m2时，层间抗剪强度受温度影响的趋势不明显， 10℃下，其层间界面抗剪强度比较低。为了和表2比较，对图5进行幂指数回归，分析表3回归函数式，温度相同情况下，幂前面的系数基本决定了抗剪强度值，在此定义其为污染敏感性系数，抗剪强度随污染敏感性系数的减小而降低，相同温度下，污染量600g/m2时的抗剪强度是0g/m2的1/5，说明界面污染在对层间抗剪强度影响也占重要因素。对比表2和表3，温度敏感性系数和污染敏感性系数的变化趋势，进一步说明了高温和常温层间污染对层间抗剪强度的影响是等效效应。

5结论及建议

通过研究层间界面不同污染状态对基面层层间粘结性能的影响，以及对层间改善措施的总结，得出如下主要结论：

1）随着泥土污染量的增大，基面层间抗剪和拉拔强度呈降低趋势，而且降低的趋势很明显。

2）在相同污染量的情况下，随着温度的升高，基面层层间抗剪和拉拔强度的降低趋势十分明显。

3）对基面层间抗剪和拉拔强度的影响，层间污染和高温具有等效性，常温下泥土污染400g/相当于60℃时对层间抗剪强度的影响。

4) 大量的数据充分证明了层间保持洁净对保证基层与面层之间的整体性有重要作用，应提高保持粘结层洁净的意识。