基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计_王琳.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：王琳，孙强，段美栋，等 基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计 科学技术与工程，（）：.，（）：.基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计王琳，孙强，段美栋，江照伟，李昌辉，李夏（.山东高速股份有限公司，济南；.山东省交通科学研究院，济南）摘 要 为提升超薄磨耗层的结构韧性和整体协同受力，提出一种“”形开槽抗裂缝反射处治技术和特种不粘轮乳化沥青黏层组合的层间处治设计方案。通过室内复合试件的剪切试验和拉拔试验，对比分析了特种不粘轮乳化沥青的黏结效果，并使用法国 路面结构设计程序计算出了不同层间黏结状态下的路面结构使用寿命。通过有限元软件 对路面结构进行了力学分析，验证“”形开槽技术的抗裂缝反射效果。最终通过依托工程的现场实施和对比分析，验证采用该层间处治设计方案的实际使用效果。结果表明：特种不粘轮乳化沥青的层间黏结效果明显优于普通乳化沥青和改性乳化沥青，是一种性能优良的层间黏结材料，在最佳乳化沥青用量下，可分别延长使用寿命.和.；“”形槽结构的槽底尖端形状可形成孔洞效应，能有效消减裂缝尖端应力集中，“”形槽结构的应力强度因子 始终小于普通路面结构，说明“”形开槽技术能够有效抑制动载作用下的裂缝扩展；从现场观测来看，采用“”形开槽技术处治后的横向裂缝尚未发展到道路表面，而采用普通灌封工艺处理的横向裂缝已发展到道路表面，且整个试验段无其他病害产生，证明该层间处治设计方案使用效果良好，可有效提升超薄磨耗层的结构韧性。关键词 超薄磨耗层；层间处治技术；黏结试验；数值模拟；结构韧性中图法分类号.；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家重点研发计划（）；山东省交通运输科技计划（）第一作者：王琳（），女，汉族，河南范县人，高级工程师。研究方向：道路工程。：。通信作者：孙强（），男，汉族，山东寿光人，硕士，高级工程师。研究方向：道路结构与材料。：。，（.，；.，），“”，“”，.“”，“”，“”，“”，；投稿网址：沥青路面在车辆荷载的反复作用下，服役一段时间后各种表面功能会急速下降，严重影响行车安全性和舒适性。因此，如何快速、高效、经济地改善通车多年后沥青路面的表面使用功能，是当前公路养护行业面临的重要课题之一。针对沥青路面表面功能衰减的问题，超薄磨耗层技术应运而生。该技术具有提高道路表面抗滑性能、修补裂缝、微车辙、坑槽等表面早期病害、降低噪音、提高行车舒适性等优点。而且其施工期短，对交通影响小，造价相对其他方法较低。从目前的养护市场来看，很适合推广和使用超薄磨耗层作为中国高等级沥青路面的预防性养护和轻微路面病害的维修方案。呙润华等基于有限元技术研究了不同温度场下沥青路面层间的力学性能；黄开宇研究了不同沥青结构层层间黏结状态，提出了滑动系数取值表；赵之仲等、靳庆霞等研究了半刚性基层与沥青结构层的层间黏结，提出苯乙烯丁二烯橡胶（）乳化沥青作为黏结层能够有效提高层间黏结、防水等性能；田俊壮等、苏新国等以剪切强度为技术指标研究沥青路面层间黏结力，密级配沥青混合料层间黏结效果较好，黏结材料存在最佳洒布量；常艳婷等研究并提出了环氧乳化沥青粘层材料的最佳配比和洒布量；杜永安、孙强等等通过室内试验及现场工程应用等分析和验证了不同沥青路面层间黏结材料的路用性能；王磊等、张成志等重点研究了沥青路面层间黏结状态对层间剪切强度和疲劳寿命的影响，提出改性乳化沥青的层间黏结效果最好，层间污染将大幅度降低剪切强度和寿命。从目前超薄磨耗层的实际使用情况来看，仍存在一些技术问题，其中，层间抗剪能力不足导致的层间破坏和裂缝反射导致的表面开裂是目前影响超薄磨耗层使用寿命的主要因素。现基于裂缝处治技术和层间黏结技术两个方面，设计室内剪切试验、拉拔试验以及数值模拟分析，并通过工程应用进行实践检验，系统研究基于结构韧性提升和整体协同受力的超薄磨耗层层间处治技术。超薄磨耗层层间处治技术.裂缝处治技术裂缝为水的进入提供了通道，加速了唧浆、坑洞、形变及网裂等病害的产生，也严重影响了道路罩面后加铺层的稳定性，研究表明，如果采取的处治措施不当，下承层的裂缝仍然会以 的速度向上延伸发展。在合适的时机，通过合理的材料设计和机械配套一体的标准化工艺，对各类裂缝进行合理的处治，可以达到延缓病害发生、提高养护效率、节约养护时间、降低养护成本、保证沥青路面使用质量和效果的目的。裂缝处理工艺，主要目的是有效封堵水分的继续下渗，提高填缝材料在车轮荷载、自然环境联合作用下的耐久性能。传统裂缝处治一般采用带状挖补、灌缝、贴缝等方式，从实际效果来看，处治工艺流程和施工设备相对简单，裂缝处治后容易出现原位开裂或剥落等现象，如图 所示，造成一年中至少灌缝两次，不但养护投入增加，由于频繁的道路养护作业造成道路通行不便，也存在安全隐患。在中修罩面工程中，不能仅仅考虑“封堵”，还需要考虑如何阻止裂缝的发展，一般采用全深挖补处理，这种处理方式费时费工，增加投入，效果并不理想。基于以上问题，提供了一种“”形开槽的抗裂缝反射处治技术，这是一种可以代替传统的局部全深铣刨的处理技术，如图 所示。该技术可有效防止旧路既有裂缝反射到超薄磨耗层表面，有效提高超薄磨耗层的结构韧性和使用寿命。图 传统裂缝处理方式的缺陷.图 “”形开槽处治工艺流程示意图.“”.层间黏结技术目前，国内大多数养护维修工程中采用乳化沥青作为黏层材料，其中，应用比较广泛的乳化沥科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：青种类主要有普通乳化沥青、改性乳化沥青和 改性乳化沥青等。但实际应用中发现，这些黏层材料通常存在施工时易遭破坏和自身黏结效果不良等问题，从而导致层间破坏。而超薄磨耗层因其结构层厚度更薄，层间黏结面临更大的挑战。基于以上问题，研究采用特种不粘轮乳化沥青作为超薄磨耗层用层间黏结材料，特种不粘轮乳化沥青可以起到不粘轮的效果，保护黏层免受施工破坏，同时，特种不粘轮乳化沥青有很高的附着力，可保证层间黏结效果，力求使超薄磨耗层层间达到或接近连续状态，实现结构整体协同受力。层间黏结试验及数据分析.复合试件组合形式采用“超薄磨耗层 乳化沥青黏层 ”的复合试件组合形式进行室内模拟试验，如图 和图 所示。图 复合试件组合形式.图 复合试件.试验方法剪切试验是评价沥青路面结构层间黏结性能的常用方法，但该试验方法不能反映路面结构在车辆竖向荷载的抗拉拔性能，因此选择斜面剪切试验和拉拔试验，并对沥青路面结构在受力状态下的剪应力和拉应力进行相关性分析，综合评价路面结构层间黏结性能，并分析层间黏结状态对沥青路面结构使用寿命的影响。剪切试验采用自制剪切夹具，夹具为 斜面夹角，如图 所示；加载速度为 ，试验数据通过应力和位移传感器采集和记录，剪应力通过最大荷载值计算，计算公式为 （）（）式（）中：为剪切力，；为试件剪切截面积，为.。拉拔试验采用自制模具，利用环氧树脂将试件和模具黏结为一个整体，采用万能试验机进行拉拔试验，加载速度为 。图 剪切试验夹具.层间黏结性能试验数据选取 种乳化沥青作为复合试件层间黏结材料，分别为普通乳化沥青、改性乳化沥青和特种不粘轮乳化沥青。种乳化沥青分别采用 种乳化沥青用量，按照固含量折算成纯沥青用量为、.、.、.、.，分别进行剪切试验和拉拔试验，研究乳化沥青种类和用量对层间黏结性能的影响。部分试验过程如图 和图 所示，试验结果如表、图 和图 所示。图 剪切试验.图 拉拔试验.，（）王琳，等：基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计投稿网址：表 不同纯沥青用量下的层间剪应力和拉应力 纯沥青用量（）.剪应力普通乳化沥青.改性乳化沥青.特种不粘轮乳化沥青.拉应力普通乳化沥青.改性乳化沥青.特种不粘轮乳化沥青.图 剪应力与纯沥青用量关系曲线.图 拉应力与纯沥青用量关系曲线.由试验结果可知，随着纯沥青用量的增大，种乳化沥青的层间剪应力和拉应力均出现先增大后减小的趋势，在纯沥青用量为.时达到峰值，故.为最佳纯沥青用量，此时路面结构层间黏结性能最优，相较于不采用乳化沥青的情况，种乳化沥青在最佳用量下，剪应力分别提升了.、.和.，拉 应 力 分 别 提 升 了.、.和.。在乳化沥青用量达到峰值前，沥青路面结构层接触面未达到完全黏结状态；在乳化沥青用量达到峰值后，沥青路面结构层间存在多余的乳化沥青，形成富油润滑层，降低沥青路面结构层间黏结效果。因此在施工过程中，应确定最佳乳化沥青洒布量，在节约建设成本的基础上保证沥青路面结构层间黏结效果。在相同的纯沥青用量下，种乳化沥青的层间剪应力和拉应力的大小顺序为：特种不粘轮乳化沥青 改性乳化沥青 普通乳化沥青。数据表明，最佳乳化沥青用量下，特种不粘轮乳化沥青相比于另外两种乳化沥青，剪应力分别提升了.和.，拉应力分别提升了.和.，证明特种不粘轮乳化沥青的层间黏结效果明显优于改性乳化沥青和普通乳化沥青，是一种性能优良的层间黏结材料。.剪应力与拉应力的相关性分析在路面使用过程中沥青路面结构层间黏结性能下降，将导致路面结构失稳、防水性能下降等情况，并引发车辙、坑槽等一系列道路结构病害，据相关研究和实践经验发现，抗剪强度值是室内试验评价层间黏结性能的关键指标，而施工现场多采用拉拔试验进行检测评价。目前剪切试验和拉拔试验都可作为评价路面结构层间黏结性能的方法，但两种试验方法在加载类型、破坏机理等方面存在明显的区别。采用 统计分析软件，对特种不粘轮乳化沥青在不同纯沥青用量条件下两种试验数据进行相关性分析，试验数据如表 所示，分析结果如表 所示。表 抗剪强度和抗拉强度相关性分析结果 项目抗剪强度抗拉强度抗剪强度 相关性.显著性（双侧）.抗拉强度 相关性.显著性（双侧）.注：表示在.水平（双侧）上显著相关；表示样本数量。由表 可知，由 软件分析结果为 相关系数为.、显著水平为.（双侧），表明两种试验方法的试验数据呈显著正相关关系，即室内剪切试验和现场拉拔试验的试验结果可相互验证，均可作为评价沥青路面结构层间黏结性能的有效方法。.层间黏结状态对沥青路面结构使用寿命的影响分析以某工程实例为参考研究层间黏结状态对沥青路面使用寿命的影响，采用法国路面结构设计程序 中 模块反演了不同层间结合状态对沥青路面使用寿命的影响，计算结果如表 所示。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：表 计算结果 层间结合状态完全连续半连续完全光滑使用寿命.由表 可知，相对于完全连续，层间半连续、完全光滑状态下路面使用寿命降幅分别为.和.，表明随层间黏结性能下降，路面结构使用寿命明显减少。为了直观地分析乳化沥青用量对沥青路面结构使用寿命的影响，以抗剪强度作为层间黏结状态评价指标，假设剪应力最大时为完全连续状态，剪应力为零时为完全光滑状态，由此可拟合出不同乳化沥青用量下的沥青路面结构使用寿命，具体数据如表 和图 所示。表 不同纯沥青用量下路面结构使用寿命预估表 纯沥青用量（）.使用寿命 普通乳化沥青.改性乳化沥青.特种不粘轮乳化沥青.图 不同纯沥青用量下路面结构使用寿命预估图.由表 和图 可知，种乳化沥青均可提升沥青路面层间黏结性能，因此能不同程度上延长超薄磨耗层路面结构使用寿命，相较于不采用乳化沥青的情况，最佳乳化沥青用量下，使用寿命分别延长了.、.和.。其中，特种不粘轮乳化沥青在延长结构使用寿命方面优势明显，相比于普通乳化沥青和改性乳化沥青来说，可分别延长使用寿命.和.。工程应用.现场实施 年 月在某高速养护维修工程中进行了超薄磨耗层的现场实施，结构层厚度 ，试验段长度 ，处理宽度为.超车道。具体做法为：施工前对旧 路面的标线、附着杂物、泥土和灰尘进行全面清理，喷洒特种不粘轮乳化沥青黏层，加铺超薄磨耗层。为了验证“”形开槽裂缝处治工艺的抗裂效果，选取同段落两条相同横向裂缝，其中一条进行了开槽工艺处理，开槽深度和宽度均为 ，开槽示意图如图 所示，现场施工如图 和图 所示，作为对比，另一条横向裂缝进行普通灌封工艺处理，如图 所示。图 “”形开槽技术示意图.“”图 “”形槽.“”图 “”形开槽现场施工.“”，（）王琳，等：基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计投稿网址：图 裂缝普通灌封工艺.裂缝处治效果数值模拟分析利用有限元软件 对路面结构进行力学分析。根据分析需要，把路面结构简化成平面应变模型，用等参八结点四边形单元作为分析的基本有限元单元。旧沥青路面裂缝将在加铺层层底对应位置引起应力集中，考虑最不利荷载位置如图 所示，假设为对称加荷情况，分析过程中忽略了动荷载效应的影响。图 交通荷载力学模型.动态荷载作用下裂缝受力状态分析重点分析“”形槽孔洞在裂缝扩展过程中所起的作用，计算了裂缝扩展过程中遇到“”形槽顶部孔洞，不同孔径尺寸时孔洞顶部受力状态，孔洞半径 分 别 设 定 为、.、.、.，如 图 所示。与积分路径无关的 积分可用来描述裂缝尖端附近应力、应变奇异性的强度，计算了“”形槽顶端不同孔径下的 积分，用以分析孔径对裂缝尖端应力状态的影响。图 说明孔径大小与裂缝尖端应力状态的关系，裂缝的 积分随孔径的增大出现先减小后增大的趋势，在.时达到最小值，这说明.是防止裂缝扩展的最佳孔径。综上可以看出，没有孔洞时裂缝尖端应力状态有很大的奇异性，孔洞的出现极大消减了裂缝尖端图 对称荷载作用下裂缝尖端应力云图.图 对称荷载作用下孔径对 积分的影响.科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：的应力集中，说明孔洞的存在能有效阻碍裂缝的进一步扩展，而“”形开槽设备在开槽完成后，槽底尖端形状可形成孔洞效应，能有效消减裂缝尖端应力集中。.动态荷载作用下裂缝尖端应力强度因子参数应力强度因子 可以判断裂缝是否扩展，它的大小由裂缝前端的局部应力场决定。通过求解动态作用下普通裂缝处理路面结构、“”形槽裂缝处理路面结构的裂缝尖端应力因子，对比分析两种裂缝处理方式在抑制裂缝反射方面的优劣。动态荷载情况下裂缝尖端应力强度因子的计算结果如图 所示。图 动载下不同裂缝处理方式的裂缝尖端应力强度因子.由图 可知，不同裂缝处理方式路面结构的裂缝尖端区域的应力强度因子随时间的变化与荷载变化趋势基本一致，符合半波正弦函数。总体表现为车辆驶近裂缝时 逐渐变大，在.时达到最大值，之后随着车辆驶离，逐渐变小。两种裂缝处理方式间，“”形槽结构的 始终小于普通路面结构的，说明“”形开槽的抗裂缝反射处理工艺能够有效抑制动载作用下裂缝扩展。.附着力拉拔试验按照固含量折算成纯沥青用量下特种不粘轮乳化沥青黏层的洒布量为.，破乳时间约为 。待破乳后，用手触摸无粘手现象。在遭受料车碾压后，车轮上没有沥青且不产生拉丝现场，黏层沥青没有被带走，而是产生一条很深的车轮痕迹，如图 所示。由此说明不粘轮乳化沥青破乳后，不会发生粘轮，可有效保护黏层免受摊铺设备和运输车辆破坏。待特种不粘轮乳化沥青破乳后，进行附着力拉拔试验检测，如图 所示，具体检测结果如表 所示。图 车辆碾压后产生轮迹.图 附着力拉拔试验检测.表 附着力拉拔试验检测结果 检测项目平均值设计要求试验温度.附着力拉拔强度.长期性能观测 年 月对横向裂缝发展情况进行现场观测后发现，采用“”形开槽裂缝处治工艺处理后的横向裂缝尚未发展到道路表面，如图 所示，而采用普通灌封工艺处理的横向裂缝已发展到道路表面，为了防止雨水进入，只能再次进行灌封处理，如图 所示，证明“”形开槽技术的抗裂缝反射效果明显。而整个试验段无其他病害产生，证明“”形开槽抗裂缝反射处治技术和特种不粘轮乳化沥青黏层组合的层间处治设计方案使用效果良好，后续将持续进行跟踪观测。结论（）相较于不采用乳化沥青的情况，种乳化沥青在 最 佳 用 量 下，剪 应 力 分 别 提 升 了.、.和.，拉 应 力 分 别 提 升 了.、，（）王琳，等：基于结构韧性提升的超薄磨耗层层间处治设计投稿网址：图 “”形开槽裂缝处治工艺处理后横向裂缝发展情况.“”图 普通灌封工艺处理后横向裂缝发展情况.和.。证明乳化沥青黏层可显著提升沥青路面的层间黏结性能，但乳化沥青类型对层间黏结性能的提升效果差异较大。（）在相同的纯沥青用量下，种乳化沥青的层间剪应力和拉应力的大小顺序为：特种不粘轮乳化沥青 改性乳化沥青 普通乳化沥青。最佳乳化沥青用量下，特种不粘轮乳化沥青相比于另外两种乳化沥青，剪应力分别提升了.和.，拉应力分别提升了.和.；剪切试验和拉拔试验数据呈显著正相关关系，均可作为评价沥青路面结构层间黏结性能的有效方法。（）法国 软件计算结果表明：种乳化沥青均可不同程度上延长超薄磨耗层路面结构使用寿命，相较于不采用乳化沥青的情况，最佳乳化沥青用量下，使用寿命分别延长了.、.和.。其中，特种不粘轮乳化沥青在延长结构使用寿命方面优势明显，相比于普通乳化沥青和改性乳化沥青来说，可分别延长使用寿命.和.。（）路面结构力学分析结果表明：“”形槽结构的槽底尖端形状可形成孔洞效应，能有效消减裂缝尖端应力集中；“”形槽结构的应力强度因子 始终小于普通路面结构，说明“”形开槽技术能够有效抑制动载作用下的裂缝扩展。（）从现场观测来看，采用“”形开槽技术处治后的横向裂缝尚未发展到道路表面，而采用普通灌封工艺处理的横向裂缝已发展到道路表面，证明“”形开槽技术的抗裂缝反射效果明显；而整个试验段无其他病害产生，证明“”形开槽抗裂缝反射处治技术和特种不粘轮乳化沥青黏层组合的层间处治设计方案使用效果良好，可有效提升超薄磨耗层的结构韧性。参考文献 谭忆秋，姚李，王海朋，等 超薄磨耗层沥青混合料评价指标 哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：.，.，：.南雪峰，田泽峰 超薄磨耗层层间抗剪强度试验研究 公路，（）：，（）：.李亚龙，成志强 超薄磨耗层 沥青混合料设计及性能 科学技术与工程，（）：，（）：.赵振祥 高等级沥青路面裂缝成因及预防措施 公路交通科技（应用技术版），（）：（），（）：.呙润华，张海虎 考虑层间接触状态的沥青路面力学性能分析 科学技术与工程，（）：，（）：.黄开宇 高速公路沥青路面结构层层间粘接状态的研究科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：公路工程，（）：，（）：.赵之仲，柳泓哲，刘桂强，等 柔性基层与半刚性基层的层间抗剪规律 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