高速公路改擴建工程瀝青面層拼接界面技術措施研究和應用

金光來，馮雯雯

(江蘇中路工程技術研究院有限公司，江蘇 南京 211806)

1 概述

高速公路改擴建工程中路面的拼接技術直接關系到擴建工程中路面的使用壽命[1]，尤其是對界面拼接材料的選擇。但是目前常用的溶劑型、乳化型層間黏結材料存在黏結性能差、成型速度慢、初期強度低，以及耐久性較差等諸多問題，導致擴建道路的路用性能較差[2]。因此，有必要研發新型的瀝青面層拼接黏結材料來提高改擴建路面的質量。

不均勻的車流量會使新舊路面接縫處形成剪應力，導致路面拼接部位存在嚴重的質量問題[3-4]，眾多學者針對提高改擴建道路拼接處的處治措施進行了大量的研究。何通海[5]對采用土工格柵與土工合成材料作為新舊路面銜接處的局部補強材料的應用技術進行了研究；柯文豪等[6]采用有限元方法對路面層搭接前后的受力狀態進行了分析研究。近年來，隨著水化技術的快速發展，環氧樹脂的相容性和適應性也得到了極大的提高，拓寬了環氧樹脂在道路工程中的應用范圍[7-8]。周啟偉等[9]通過車轍試驗對水性環氧乳化瀝青微表處的高溫性能進行了研究，結果表明混合料的動穩定度得到明顯地提高。曾德亮[10]采用水性環氧乳化瀝青進行霧封層施工，結果表明路面的抗滲性能得到顯著的提升。張慶等[11]研究了環氧摻量對乳化瀝青黏結性能與其混合料路用性能的影響，結果表明環氧樹脂可明顯提高乳化瀝青的黏度，并能有效地改善混合料的水穩性能。但目前水性環氧樹脂改性的瀝青界面黏結材料在高速公路改擴建工程中的應用還相對不夠成熟，尚且缺乏可靠的理論依據和施工規范標準等。

本研究首先基于理論分析方法，設置3種工況來模擬實際使用過程中路面服役狀態，進而明確新老路瀝青面層界面拼接的技術標準；其次，分別制備了不同礦粉摻量下的水性環氧瀝青與乳化瀝青膠結料，以及不同增強劑摻量下的水性環氧瀝青黏結材料，通過拉拔強度試驗和劈裂強度試驗確定了黏結性能最佳的層間黏結材料與其摻配比例，并以江廣高速公路改擴建工程為依托進行試驗段的應用，通過芯樣凍融劈裂試驗對層間黏結材料的水穩定性進行了評價研究。以期為改擴建工程瀝青面層拼接界面黏結材料的研發，以及現場施工應用提供參考依據和理論指導。

2 瀝青面層拼接關鍵位置受力分析

本文首先基于理論分析方法，通過建立力學模型，分析改擴建工程新老路拼接界面的力學特性，明確薄弱受力位置與其影響范圍，從而為瀝青面層拼接技術制定提供指導。

2.1 模型參數確定

2.1.1新老路結構拼接方案的確定

本節以某條高速改擴建所采用的拼接結構為例進行分析，如圖1所示，其具體拼接結構方案為：①采用4 cm改性SMA-13材料進行統一罩面；②面層拼接臺階：面層第一層臺階為第二車道與第三車分界線往內20 cm處銑刨至老路面層頂部，高度為12～14.5 cm，第二層臺階寬20 cm，高度為10 cm，臺階沿著第二車道與第三車分界線部位；③基層拼接臺階：基層第一層臺階開挖至面層底，臺階寬25 cm；第二層臺階開挖至基層中部，厚19 cm，寬25 cm；最后直接開挖至底基層底，厚39 cm。

圖1 新老路拼接示意圖

2.1.2結構材料參數的確定

新老路拼接結構層材料參數如表1所示。

2.1.3路面結構模型的建立

路面結構為二維模型，整體模型尺寸為15 m×6 m，即4個車道的水平距離，分別建立3個part，分別對應于統一罩面層(part 1)，老路結構(part 2)和新路結構(part 3)。所有材料均設定為彈性材料，結構層間為完全連續接觸，不同part接觸面設置“Tie”接觸模式，整個模型的橫向和縱向可以沿法向自由轉動但是無法向位移，底面無三向位移不可轉動，網格劃分時采用CPE8R單元。汽車荷載采用單軸雙圓均布荷載，標準軸載為BZZ-100，加載長度為0.213 m，因此在條件下，荷載設置為常規荷載0.7 MPa，輪隙間距為1.5δ，荷載中心間距3δ。其模型如圖2所示。

表1 路面結構參數匯總Table 1 Summary of pavement structure parameters舊路面新路面結構層厚度/cm模量/MPa結構層厚度/cm模量/MPa統一罩面層SMA-1349 278統一罩面層SMA-13 49 278原始罩面層511 500中面層 610 500上面層511 500聯結層上 610 500中面層511 500聯結層下1011 250下面層711 500基層3810 000基層3811 500底基層203 000底基層208 500土基—80土基—80

圖2 有限元模型

2.2 不同工況拼接力學特性分析

2.2.1工況設置

設定3種不同的工況條件，用于表征路面結構在實際使用過程中服役狀態。

a.工況1。

該工況為理想狀態，即新舊路面結構均質連續，不存在新路路基差異性沉降和新舊路面材料性能一致，此時臺階部位受力最小，作為基準對比條件。

b.工況2：擴建新路面模量低于舊路面模量。

考慮實際使用中擴建新路面與老路模量不一致的情況，由于老路經過多年的服役，路面材料壓實致密，導致模量較高，因此新建路面材料本身模量要低于舊路面。

c.工況3：考慮新舊路基沉降差異，新路基沉降2 cm。

新建路基與老路路基存在差異性沉降，根據相關規范要求，規定“路基拼接時，應控制新老路基之間的差異性沉降，既有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增加值不應小于0.5%”，經過計算，在路拱橫坡度增加0.5%的情況下，路面中樁高程與邊樁高程差為9 cm，進一步計算出老路路基中心和新路路基中心差異沉降為4.5 cm，因此考慮假設新舊路基差異為2 cm。

2.2.2結果分析

經過模擬分析，得到新舊路面拼接部位的拉應力變化情況，見圖3。不同工況條件下路面拼接部位最大拉應力見表2。

圖3 應力云圖

表2 不同工況條件下路面拼接部位最大拉應力Table 2 Maximum tensile stress of pavement splicing part under different working conditionsMPa工況面層上部臺階面層下部臺階工況10.444 00.278 0工況20.451 00.268 5工況30.747 2 0.538 3

從不同工況的拼接部位最大拉應力分析可知，與工況1相比，工況2面層拼接臺階的拉應力基本相當，而工況3(新舊路基差異沉降2 cm)的拉應力則明顯增大，面層上部臺階拼接部位的最大拉應力增長68.3%，面層下部臺階拼接部位最大拉應力增長93.6%。

2.3 瀝青面層界面拼接技術標準

結合理論模擬分析結果，初步提出瀝青面層界面拼接技術標準，即面層拼接抗拉強度的初步指標≥0.75 MPa。

3 瀝青面層界面拼接材料設計

3.1 原材料

3.1.1水性環氧瀝青

水性環氧樹脂改性乳化瀝青外觀為黑色或褐色均勻液體，無明顯顆粒，主要技術性能指標見表3。

3.1.2乳化瀝青

乳化瀝青選用陽離子型慢裂慢凝乳化瀝青，主要的技術性能指標如表4所示。

3.1.3增強劑

選用由印度尼西亞BAI公司生產的灰分含量為75%的高灰分巖瀝青粉末作為增強劑，其主要技術性能指標如表5所示。

3.1.4礦粉

本研究選用石灰巖礦粉作為界面黏結材料的填料，其主要性能指標如表6所示。

表3 水性環氧瀝青的主要技術性能指標Table 3 Performance indicators of splicing materials項目蒸發殘留物含量/%黏度(C40 ℃,4 mm)/spH(10%水溶液)復合件剪切強度/MPa復合件拉拔強度/MPa附著力拉拔強度/MPa25 ℃40 ℃25 ℃40 ℃25 ℃40 ℃測試結果483690.850.630.670.522.041.08技術要求≥435～507～11≥0.50≥0.35≥0.40≥0.30≥1.20≥0.70

表4 乳化瀝青的主要技術性能指標Table 4 Main technical performance indexes of waterborne epoxy asphalt瀝青類型固含量/%針入度(100 g,25 ℃,5 s)/0.1 mm黏度(60 ℃)/(Pa·s)延度(5℃)/%溶解度/%穩定度/%陽離子(+)59.672.31 20043.598.30.46技術要求≥5380～130≥500≥30≥97.5≤1

表5 BRA主要技術性能指標Table 5 Main technical performance indicators of BRA試驗項目瀝青含量/%密度/(g·cm-3)加熱損失/%含水率/%三氯乙烯溶解度/%試驗結果261.790.750.6423.4印尼國家規范要求≥181.7～1.9≤2≤2≥18

3.2 界面黏結材料組成設計

3.2.1界面黏結材料組成設計方案

本研究采用水性環氧瀝青+礦粉，水性環氧瀝青+增強劑，乳化瀝青+礦粉這3種類型分別進行界面黏結材料組成設計，并開展相關材料黏結性能研究，與傳統乳化瀝青效果進行對比，優選出最佳界面黏結性能材料，具體的界面黏結材料組成設計方案見表7。

表6 礦粉性能指標Table 6 Performance indicators of mineral powder礦粉表觀密度/(g·cm-3)累積篩孔通過率/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm石灰巖礦粉2.73610098.280.3

表7 界面黏結材料組成設計方案Table 7 Design plan of interface bonding material composition試驗方案1試驗方案2試驗方案3水性環氧瀝青∶礦粉=1∶1.5水性環氧瀝青∶增強劑=6∶1乳化瀝青∶礦粉=1.4∶1水性環氧瀝青∶礦粉=1∶1.75水性環氧瀝青∶增強劑=8∶1乳化瀝青∶礦粉=1.5∶1水性環氧瀝青∶礦粉=1∶2水性環氧瀝青∶增強劑=10∶1乳化瀝青∶礦粉=1.6∶1純水性環氧瀝青水性環氧瀝青∶增強劑=15∶1純乳化瀝青純水性環氧瀝青—純水性環氧瀝青—

3.2.2試驗方法

a.拉拔強度試驗。

本研究首先采用輪碾法成型車轍板，待成型后脫模，將車轍板切割成尺寸為15 cm×30 cm×3 cm的4塊，其次將所得的1/4塊車轍板于室外晾干，并將表面灰塵清掃干凈，隨后采用毛刷沿切割面涂刷一層不同黏結材料，保證每次涂刷厚度大致相同，待表面干燥之后，把拉拔頭用環氧樹脂沾牢，將試件置于室溫條件下放置6 h，保證環氧樹脂固化后使得拉拔頭黏結牢固，最后采用附著力拉拔儀進行拉拔試驗，試驗溫度為常溫(25±1)℃，試件為干態，拉拔速率控制在0.02 MPa/s。拉拔試驗與試驗裝置如圖4所示。

(a)涂刷拼縫材料

b.間接拉伸(劈裂)試驗。

本研究首先采用輪碾法成型尺寸為30 cm×30 cm×6 cm的車轍板，將其切割成兩半，晾干備用，其次在切割側面涂刷不同的黏結材料，放置于60 ℃烘箱內烘1 h，然后依據AC20級配標準成型另一半車轍板進行拼接，成型新板時碾壓平行于縱縫進行，溫度不低于150 ℃，初壓溫度不低于145 ℃，碾壓終了溫度不低于100 ℃，拼接過程中為防止集料離析，需在裝料過程中注意將粗集料置于中間，待成型24 h后脫模，于跨縫處鉆取直徑為100 mm的芯樣，最后將芯樣置于室內晾干，采用馬歇爾穩定度儀進行劈裂試驗。

3.3 結果與分析

3.3.1拉拔強度分析

水性環氧瀝青與不同摻量礦粉制備的水性環氧瀝青膠結料的拉拔試驗結果如圖5所示。由圖5可以看出，對于水性環氧瀝青膠結料，隨著礦粉摻量的增加，膠結料的拉拔強度基本呈現出先增大后減小的變化趨勢。當水性環氧瀝青與礦粉的摻比為1∶2時，其拉拔強度與純水性環氧瀝青的拉拔強度相當，但隨著礦粉摻量的降低，拉拔強度增大，這是因為礦粉摻量過大，使得水性環氧瀝青膠結料的稠度增大，涂刷量增加，導致混合料中真正發揮黏結作用的水性環氧瀝青含量降低，黏結性能變差。

圖5 不同摻量礦粉的水性環氧瀝青膠結料的拉拔強度

摻入不同摻量增強劑制備的水性環氧瀝青界面黏結材料的拉拔試驗結果見圖6。由圖6可以看出，隨著增強劑摻量的增加，界面黏結材料的拉拔強度呈現出先增大后減小的變化趨勢，且當水性環氧瀝青與增強劑的摻比為8∶1時，黏結材料的拉拔強度最大，其強度為純水性環氧瀝青的1.9倍。這是由于增強劑的密度較小，為粉末狀，摻量較高時，水性環氧瀝青稠度較大，導致涂刷黏結材料中粉末含量增大，界面存在空隙較多，因此強度降低，但仍明顯高于純水性環氧瀝青，這表明增強劑的摻入使得水性環氧瀝青的黏結性能得到顯著的提高。

圖6 不同摻量增強劑的水性環氧瀝青的拉拔強度

摻入不同摻量礦粉制備的乳化瀝青膠結料的拉拔試驗結果如圖7所示。由圖7可以看出，隨著礦粉摻量的增加，乳化瀝青膠結料的拉拔強度呈現出先減小后增大的變化趨勢，且當乳化瀝青與礦粉摻比為1.4∶1時，其拉拔強度最大。這是由于礦粉摻量增加，膠結料的黏稠增大，膠結料中發揮黏結作用的乳化瀝青的成分減少，導致拉拔強度下降，但依舊高于純乳化瀝青的強度，且添加礦粉的乳化瀝青膠結料的涂刷量遠遠高于純乳化瀝青的涂刷量；故此摻入礦粉的乳化瀝青膠結料具有較好的抗拉拔性能。但與純水性環氧瀝青相比，乳化瀝青膠結料的拉拔強度較低，因此不建議將其作為界面黏結材料進行使用。

圖7 乳化瀝青與礦粉不同比例混合的拉拔強度

上述幾組拉拔強度較好的界面黏結材料的拉拔強度試驗結果對比見圖8。從圖8中可以看出，界面黏結材料的拉拔強度為：水性環氧瀝青+增強劑>水性環氧瀝青+礦粉>純水性環氧瀝青>純乳化瀝青，可知增強劑能夠明顯改善水性環氧瀝青的黏結性能。這是因為增強劑是一種粉末狀的有機烴類化合物，具有良好的塑性和黏附性，同時能與水性環氧瀝青當中的樹脂分子發生接枝反應，形成帶有支鏈的樹脂分子結構，在其固化劑的作用下可以越過瀝青分子的阻礙，從瀝青分子中穿插而過，進而發生相互交聯，成為一個整體。這種整體結構在抵抗外力破壞時顯然比起單純的水性環氧瀝青結構都要強得多。水性環氧瀝青與增強劑通過化學、物理交聯而構成的立體空間網絡狀結構，大幅度提高材料的強度、黏結性和耐久性。因此根據拉拔試驗結果，初步認為水性環氧瀝青+增強劑的效果最佳。

圖8 不同黏結材料的拉拔強度

3.3.2間接拉伸(劈裂)強度分析

根據拉拔試驗結果，優選幾組拉拔強度較好的黏結材料進行劈裂試驗，分別為水性環氧瀝青+礦粉、水性環氧瀝青+增強劑。將純水性環氧瀝青和純乳化瀝青黏結材料進行劈裂強度對比，在成型好的車轍板之間鉆芯，作為正常試件，考察不同黏結材料拼接試件的劈裂強能達到正常試件的百分比數據，取最大值作為優選材料，試驗數據結果如表8所示。

表8 不同界面黏結材料的劈裂強度Table 8 Splitting strength of different interface bonding ma-terials黏結材料劈裂強度/MPa試驗1試驗2平均值正常試件1.871.911.89純乳化瀝青0.550.390.47純水性環氧瀝青0.570.590.58水性環氧瀝青∶礦粉=1∶1.750.660.620.64水性環氧瀝青∶增強劑=8∶10.900.830.87水性環氧瀝青∶增強劑=10∶11.031.281.15水性環氧瀝青∶增強劑=15∶11.070.900.98 注: 正常試件是指成型相同車轍板之后,不切割,直接鉆取芯樣,不做任何處理。

不同黏結材料的劈裂強度對比結果如圖9所示。由圖9分析可知，劈裂強度試驗結果與拉拔強度試驗結果相一致，所有水性環氧瀝青的劈裂強度均高于乳化瀝青，因此不推薦選用乳化瀝青作為黏結材料。水性環氧瀝青中摻加礦粉可改善純水性環氧瀝青的黏結強度，水性環氧瀝青與礦粉摻比為1∶1.75時，劈裂強度為純水性環氧瀝青的1.1倍，但強度卻只有正常試件的1/3。

圖9 不同黏結材料的劈裂強度

對于摻加增強劑的水性環氧瀝青，其劈裂強度明顯高于摻礦粉的，隨著增強劑摻量的增大，劈裂強度呈先增大后減小的變化趨勢.當水性環氧瀝青與增強劑的摻比為10∶1時，對應的劈裂強度最大，其值較水性環氧瀝青∶礦粉=1∶1.75的提高80%左右，較純水性環氧瀝青提高100%，較乳化瀝青提高145%，達到正常試件強度的61%，可見增強劑能夠明顯提高水性環氧瀝青的黏結性能，并且滿足本研究提出的“抗拉強度≥0.75 MPa”的要求。因此，本研究推薦采用增強型水性環氧瀝青作拼接界面黏結材料，以提高黏結強度，改善拼接效果。

4 工程應用與效果分析

為了進一步驗證增強型水性環氧瀝青作為瀝青面層黏結材料的技術可行性，2016年于江廣改擴建工程LM-1標右幅K992+000附近將其予以應用，應用部位為下面層臺階豎向界面處，試驗段總長110 m左右。

4.1 施工工藝

采用人工涂刷的方式，用毛刷將混合均勻的界面黏結材料涂刷在舊路面層的側面，要求涂刷均勻，涂刷用量為2.5～3 kg/m2。施工現場如圖10所示。

圖10 現場施工

4.2 使用效果分析

在新舊瀝青面層接縫處取芯，常規界面涂刷乳化瀝青(用量為0.4～0.6 kg/m2)的位置也取芯(見圖11)。觀察界面黏結情況，并對芯樣進行劈裂試驗，評價界面劑的黏結效果。將試驗路鉆取的芯樣編號整理后，切割成統一的高度6.35 cm，在試驗溫度15 ℃，加載速率50 mm/min的條件下進行劈裂試驗，其中跨縫處芯樣劈裂試驗時施加的力的方向平行于拼縫，試驗結果如表9所示。

圖11 現場取芯

表9 現場跨縫處芯樣劈裂試驗結果Table 9 Results of the core sample splitting test at the cross seam in the field編號增強型水性環氧瀝青乳化瀝青試件高度/cm劈裂值/MPa試件高度/cm劈裂值/MPa163.80.774 463.90.157 4264.10.747 263.70.187 8363.60.737 863.70.247 2均值63.80.753 163.80.197 5

從試驗結果可以看出，采用常規乳化瀝青的界面芯樣劈裂強度為在0.20 MPa左右，而采用增強型水性環氧瀝青涂刷的界面芯樣室內劈裂強度則為0.75 MPa，是常規乳化瀝青的3.75倍，可見該增強型水性環氧瀝青界面劑具有優異的抗拉性能。

5 結論

a.明確新老路瀝青面層界面拼接技術標準為“抗拉強度≥0.75 MPa”。

b.與傳統的乳化瀝青相比，水性環氧瀝青、添加礦粉的水性環氧瀝青與乳化瀝青膠結料和添加增強劑的乳化瀝青的黏結性能均有所提高，且增強型水性環氧瀝青的黏結性能提升最為明顯。

c.當水性環氧瀝青與增強劑的摻比為10∶1時，界面黏結材料的黏結強度達到最大，其劈裂強度較添加礦粉的水性環氧瀝青提高80%，較純水性環氧瀝青提高100%，較乳化瀝青提高145%，并推薦以增強型水性環氧瀝青作為新老瀝青面層拼接處的界面黏結材料。

d.通過現場試驗段芯樣凍融劈裂試驗結果表明，采用增強型水性環氧瀝青作為高速公路改擴建瀝青面層拼接界面黏結材料，其抗拉效果是常規乳化瀝青的3.75倍，表明該增強型水性環氧瀝青界面劑具有優異的抗拉性能。