CRC+AC复合式沥青路面层间界面粘结层抗剪强度分析研究

CRC+AC复合式沥青路面层间界面粘结层抗剪强度分析研究

夏冬苗

扬州市江都区公路管理站 江苏江都 225200

摘 要：对于连续配筋混凝土(CRC)+沥青混凝土(AC)复合式沥青路面，层间界面抗剪切是一项重要的设计指标，它对于减少路面的车辙、滑移、拥包等具有十分重要的意义。通过便携式岩土剪切仪进行CRC+AC层间界面粘结层材料的剪切试验，分析层间结合材料及防裂土工布等因素对界面粘结材料抗剪强度的影响，并对层间粘结层的结构与材料提出建议。

关键词：道路工程；CRC；复合式路面；层间抗剪强度；便携式岩土剪切仪

随着我国经济的高速发展，道路上的交通量迅猛增加，货车的数量与轴重有不断增长的趋势。另外由于超载现象普遍存在，使道路承受的实际交通荷载远大于设计交通荷载。

连续配筋混凝土层(CRC)+沥青混凝土(AC)复合式沥青路面正是在后一种思想下提出来的适应重载交通的长寿命路面结构。CRC由于基本上不设置胀缩缝，由接缝处引起的唧泥、错台等病害得到了有效控制；而且有大量纵横向钢筋的强化作用限制了裂缝的宽度和发展，减少了反射裂缝发生的可能性；本身也能为AC上面层提供强大的荷载承重层。而其上的AC层能缓冲汽车荷载对CRC的冲击，降低CRC的温度应力，减少了CRC产生裂缝、边缘冲裂等病害，且为车辆提供平坦舒适的行驶表面，并有利于噪音的降低。因此，CRC+AC是一种较理想的刚柔相济的复合式沥青路面结构形式。

但CRC+AC毕竟是一种应用较少的新的结构形式，它的很多性能特性需要大量的试验和工程实践来证明，这样才能扬长避短，充分发挥其效能。值得注意的是，因为CRC与AC的回弹模量相差较大，AC层尤其是结合界面容易因为抗剪能力不足而引起滑移、拥包和分层等病害，故层间抗剪强度是一项重要的设计指标，本文主要是通过便携式岩土剪切仪试验来探讨CRC+AC复合式路面层间粘结层的抗剪能力。

1 层间剪应力分析

CRC层一般不设置胀缩缝，CRC层尽管存在横向裂缝，由于钢筋的约束使其宽度都很小，仍有较大的荷载传递能力，因此CRC+AC复合式路面可以按弹性层状体系进行分析。结构一般可分为4层：土基、基层、连续配筋混凝土层、沥青混凝土层。不同路面结构层选取常用的代表值作为材料参数(表 1)。层间可采用完全连续、部分结合及完全光滑3种状态考虑。一般来说在道路的使用初期，层间结合状态接近完全连续，在使用过程中结合状态逐渐退化，使层间结合越来越弱。

汽车荷载取标准轴载，即单轴双轮组100 kN的垂直均布荷载，轮压为0.7MPa，AC层按抗剪不利情况下表面摩擦系数取0.5，考虑均布水平荷载。运用BISAR计算程序, 可求出层间最大剪应力。程序中层间结合状态由参数Spring Compliance确定，0表示完全结合, 1表示完全光滑, 中间值为部分结合状态。

通过计算，完全结合状态下层间Y轴向(与汽车行驶方向一致)水平最大剪应力约为0.248 MPa，此处的竖向压力约为0.419MPa，层间结合状态降低时剪应力也减小。考虑到汽车在沥青路面上的实际摩擦系数通常为0.01～0.02，即使在爬坡时坡度一般小于0.08，因此正常行驶下道路阻力系数小于0.1，且层间不可能为完全结合状态。因此计算的0.248MPa为较保守的取值。

2 便携式岩土剪切仪使用要点

首先将要剪切的试件放在模具中，在上、下两部分先后都浇筑一定的混凝土，以便在试验装置中能固定并使剪切按预定的方向进行，浇筑模具的内部形状与剪切室(由上盖和下盖两部分组成)的形状一致，浇筑后的试件能恰好放置在剪切室中。

3 试验试件的准备

3.1 水泥混凝土基底部分的制作

首先在沥青混合料马歇尔试验的试模中浇筑水泥混凝土圆柱体，高为6cm左右，直径约为10.16cm，按连续配筋混凝土设计，采用普通硅酸盐水泥42.5#、

中砂和9.5～13.2mm的碎石，脱模后进行养生，使其达到设计强度。然后从正中间锯开，此时水泥混凝土试件可能稍有体积膨胀，如不能再放进马歇尔试模，需用金刚轮磨掉一部分以便能重新放进试模。

3.2 层间粘结层的制作

使用的层间粘结材料包括加德士重交沥青(AH-70#)、路翔SBS改性沥青，加德士重交沥青掺加120目的橡胶粉进行长时间的机械搅拌。两种沥青的性能指标见表 2。

将沥青按1.4kg/m²均匀地涂在水泥混凝土表面，然后按不加土工布与加土工布两种形式分别制作。不设土工布的试件在涂上沥青后，按表面积撒布40%的 4.75～9.50mm碎石；加设土工布的，在沥青较热时贴上，用木锤挤密，使沥青浸润土工布，不再铺设碎石层。

3.3 沥青混合料试件成型

沥青混凝土按调整级配后的AC-20混凝土，级配范围见表 3。

实际配比都取中值。根据沥青混合料试件制作方法(击实法),实际集料重量按马歇尔标准试件成型试件确定。通过试验调整的混合料满足试件高度要求时集料重量可取1213g，油石比则取3.5%、4.0%、4.5%和5.0%共4种，通过计算不同油石比时的空隙率，利用内插法得空隙率为4%时所需油石比为3.91%。将水泥混凝土试件重新装入马歇尔试模中，再按设计的配合比将热拌沥青混合料倒入试模, 在沥青混合料表面标准击实75次，制得圆柱形试件。待试件冷却后按制作马歇尔的方法脱模，脱模时注意不要扰动粘结层的结合效果，试件搬运时要轻拿轻放。

3.4 在直剪试模中浇筑最终试件

先将试模螺丝固定，涂上柴油作为脱模剂，制作水泥砂浆，倒入内为三角形柱体的试模中，将需剪切的圆柱形试件埋入砂浆中适当深度，可用试件夹固定，浇筑成形下半部，待砂浆稳定成型后，再倒过来浇筑另一半，仅露出包括剪切面的小段圆柱体。然后对砂浆进行养护使其能承受一定的压力。

4 直剪试验及结果分析

层间粘结层是用沥青铺设而成的。沥青是一种粘弹性材料，劲度模量与荷载作用的时间、温度有关系，因此在试验中要严格控制温度和加载速度。试件放在

25℃的恒温箱中4h，且用空调将室温调整至相等温度，取出后立即进行试验，将试件放入便携式剪切仪的剪切室中, 竖向压力按0.4、0.7、1.0 MPa设置，同时安放百分表测量水平位移，同种条件下每组试件做3个取平均值，当一组测定值中某个测定值与平均值之差大于标准差1.15倍时则舍弃该测定值。水平荷载

按1 kN/4s的速度施加，水平力通过压力泵连接钢缆绳推动上剪室对试件进行剪切, 每增加1 kN记录水平位移，试件破坏后记录最大水平荷载和水平位移。

根据实测结果，按照库仑公式，可算得粘聚力和内摩擦角，见表 4。

由试验结果可知，各种条件下的层间抗剪强度基本满足层间剪应力的要求；抗剪强度随着竖向压力的增大而增大，橡胶沥青虽然对缓解反射裂缝有一定作

用，但用于抗剪时可能由于本身的弹性而降低了结合效果，平均最大抗剪强度相对较弱，改性沥青由于本身较好的力学性质而使抗剪强度性能较好，铺设土工布

能增加抗剪强度，减少了高温对沥青粘结力的影响，另外铺设土工布有利于缓解AC层的反射裂缝，因此粘结层采用SBS改性沥青加土工布的结构形式相对较好。

鉴于沥青混合料的模量随温度升高而降低，抗剪强度则会出现下降。故取轮压为0.7MPa，温度分别为5、15、25℃时对设置土工布的改性沥青粘结层抗剪强度进行试验，发现温度对层间剪应力有较大的影响(图 2)，随着温度的降低，层间抗剪强度提高，而高温时抗剪强度降低，大致呈直线关系。层间破坏主要发生在高温条件下，SBS改性沥青的温度敏感性相对较好，高温下仍能保持较大的粘度，因此宜选用SBS改性沥青。

5 结论

对于CRC+AC复合式沥青路面，其层间粘结层是容易产生损坏的薄弱环节，尤其是AC层较薄时更是如此。采用适当的粘结层材料可以增加层间结合能力，提高抗剪强度。利用便携式岩土剪切仪，可比较不同粘结层材料与形式的抗剪效果。本项试验比较了工程中常用的几种粘结层材料与结构形式，由试验结果可知，各种条件下的层间抗剪强度基本满足层间剪应力的要求，SBS改性沥青加铺土工布的形式抗剪性能较好。由于缺乏确定层间粘结层在一定重复荷载下水平抗剪疲劳寿命的方法，且抗剪的效果与道路的实际受力情况存在一定的差异，实测抗剪强度与实际剪切应力应满足的最小安全系数仍有待进一步的研究。