沥青路面层间剪切性能研究

随着我国交通行业的快速发展，沥青路面被广泛应用于我国高等级公路，但是按照弹性层状理论[1-2]体系设计的路面存在着层间抗剪强度不足和防水问题。目前我国沥青路面的施工规范对沥青路面层间施工规定较少，对于实际工程，路面层间粘层材料以及用量的选定没有系统的测试方法与评价标准，大多依靠经验。而良好的路面抗剪强度可以延长路面使用寿命，节约养护成本，因此对路面层间抗剪进行研究具有极为重要的意义。

由于没有统一的抗剪强度试验方法和评价指标，试验装置大多为自主设计，Mohammad[3]使用SuperpaveShearTester剪切仪研究了层间抗剪强度的影响因素，Sholar等[4]发明了简单直接剪切试验设备，研究了水对面层层间抗剪强度的影响，长安大学刘细军等[5]开发了可以在MTS上测试的简单直剪仪器，刘丽等[6]在此基础上进行了剪切疲劳试验，但是该仪器没有考虑到横向的约束力作用，有待进一步改进，朱磊等[7-9]采用了直剪试验研究了层间抗剪强度的影响因素，本研究参考国内外抗剪强度试验方法[10-11]，采用山东省交科院自主研发的剪切夹具进行直剪试验，不但能装备在MTS试验机上，同时能完成横向约束力的施加，以此确定层间抗剪力各因素的影响程度，对层间抗剪能力进行评价，从施工控制措施、路面结构设计和性能预测方面给出合理化建议。

1.1原材料及混合料配合比设计

1.2试件制备

试件制备步骤为：

(1)制备AC-13试件。使用旋转压实仪(SGC)先成型Ф150mm圆柱体试件，成型过程中先进行试压，使试件高度控制在40mm，试件成型时温度控制在145°C，旋转压实100次待冷却后可脱模。

(2)涂抹粘结层材料，撒布预拌碎石，碎石撒布量为4kg/㎡。用橡胶垫模拟胶轮压路机垫于试件上方进行压实，使石料嵌入粘层中。

(3)先将涂抹粘结层材料的AC-13上面层试件放入试模中，再将拌合好的罩面层热沥青混合料倒入试模进行旋转压实，成型温度控制在165°C，加铺厚度控制在25mm左右，压实100次后脱模，最终完成复合式试件的制作。

试件制备流程见图1。

1.3试验方案

2.1粘层油种类及洒布量

由不同种类的粘层油抗剪强度与粘层材料撒布量关系曲线可以看出：

1)不同类型的层间粘结材料其层间的抗剪强度先随粘层油撤布量浓度升高呈现增长趋势，到达峰值后，此后随撒布量增加层间抗剪强度逐渐降低。这是因为初期粘结层材料的撒布量较小，面层不能与粘层油完全接触。此后随撒布量增加接触面积增大，抗剪强度随之增大；当粘结层撒布量到达某一定值时，此时面层与粘层油接触完全，此时层间抗剪强度最大，峰值处对应粘层油洒布量即为最佳粘层油用量。超过此值后，多余的粘层油在层间形成富油层，多余的粘层油降低了两个面层间的摩擦系数，使层间抗剪强度减小。

2)层间抗剪强度与粘层材料撒布量二次回归曲线相关系数均大于0.9，表明两者之间高度相关，由回归曲线公式可得AC-10+AC-13级配对应的SBS改性沥青、70-A沥青和改性乳化沥青最佳粘层油用量分别是1.27kg/㎡，1.4kg/㎡、0.86kg/㎡。SMA-10+AC-13级配对应的SBS改性沥青、70-A沥青和改性乳化沥青最佳粘层油用量分别是1.34kg/㎡、1.37kg/㎡、0.86kg/㎡。

2.2级配对层间剪切强度的影响

2.3温度对层间剪切强度的影响

由图6、图7可以看出：

(1)在最佳粘层材料撒布量条件下，随温度升高三种粘结层材料的抗剪强度均减小。这是因为沥青作为一种粘弹性材料，温度升高，沥青黏度下降，复数剪切模量变小，相位角增大，抵抗流动变形的能力下降。

(2)当级配为AC-10+AC-20时，SBS改性沥青5°C时抗剪强度最大，25°C时较5°C抗剪强度减小了36.9%，60°C时较5°C抗剪强度减小了56.1%;70-A沥青25°C较5°C时抗剪强度减小了32.8%;60°C较5°C时抗剪强度减小了55.4%，改性乳化沥青在25°C时较5°C抗剪强度减小了20.6%。60°C较5°C时抗剪强度减小了39%。当级配为SMA-13+AC-20时，SBS改性沥青25°C较5°C时抗剪强度减小了28.8%;60°C较5°C时抗剪强度减小了57.6%;70-A沥青25°C较5°C时抗剪强度减小了32%;60°C较5°C时抗剪强度减小了55.7%;改性乳化沥青25°C较5°C时抗剪强度减小了23.6%。60°C较5°C时抗剪强度减小了45%。

(3)层间粘结材料抗剪强度在温度升高初期下降较快，后期速率降低，两种级配中在温度小于40°C时抗剪强度为SBS改性沥青>70-A沥青＞改性乳化沥青，在60°C时3种粘结材料层间抗剪强度相差不大，其中SBS改性沥青在60°C下降幅度最大，表明其温度敏感性最高，受温度影响最大，改性乳化沥青在60°C下降幅度最小，表明其温度敏感性最小，受温度影响最小。

2.4水对层间剪切强度的影响

由图8和图9分析可知：

(1)两种面层材料在浸水条件下面层层间抗剪强度均减小。这是因为水进入面层间与粘结材料结合，是粘结材料的粘结性能减弱。此外水进入层间充当介质减小了粘层材料与面层间的直接接触面积，且起到润滑作用，故而层间抗剪强度减小。

(2)对于两种级配的沥青混合料不论在浸水前还是浸水后，其面层的层间抗剪强度均为AC-10 70-A沥青＞改性乳化沥青。当面层材料为AC-10时，浸水后SBS改性沥青抗剪强度相较于浸水前降低了21.2%，70-A沥青抗剪强度相较于浸水前降低了22.5%，改性乳化沥青抗剪强度相较于浸水前降低了23.8%。当面层材料为SMA-10时，浸水后SBS改性沥青抗剪强度相较于浸水前降低了19.1%，70-A沥青抗剪强度相较于浸水前降低了18.6%改性乳化沥青抗剪强度相较于浸水前降低了22.4%。由此可知两种级配浸水后抗剪强度的下降幅度为AC-10大于SMA-10，表明级配SMA-10+AC-13层间抗剪性能水敏感性低，抗水损害的能力强。粘结层材料下降幅度为SBS改性沥青＜70-A沥青＜改性乳化沥青。其中改性乳化沥青下降最多，表明此类粘层材料遇水粘结性能降低较多，不易抵抗水损害。

(1)沥青路面层间剪切强度受沥青粘结材料类型以及撒布量影响，粘层材料撒布量呈现先增加后减小的趋势，且存在一个最佳粘层油用量。

(2)温度为25℃时，在最佳粘层油撒布量条件下，层间粘结性能为级配上面层SMA-10+中间层AC-13>上面层AC-10+中面层AC-13。

(3)三种粘结层材料的抗剪强度随温度升高而降低。不同粘结材料受温度影响不同，其中SBS改性沥青温度敏感性最大，改性乳化沥青受温度影响最小。当温度小于40°C时，粘层材料的抗剪强度为SBS改性沥青>70-A沥青＞改性乳化沥青。当温度为60°C时，3种粘层材料抗剪性能相差不大。

(4)面层材料在浸水之后层间的抗剪强度均减小，从下降的幅度分析可知，抗水损害能力为级配上面层SMA-10+中间层AC-13>上面层AC-10+中面层AC-13。3种粘层材料的抗水损害能力为SBS改性沥青>70-A沥青＞改性乳化沥青。