在橋面鋪裝、隧道加鋪以及舊水泥混凝土加鋪工程中，瀝青混凝土與水泥混凝土界面之間黏結(jié)性能的好壞直接影響路面的使用性能。采用有限元計(jì)算方法，分析了水泥混凝土與瀝青混凝土界面之間的剪應(yīng)力隨荷載狀況、加鋪層厚度變化的影響;并選用3種界面黏結(jié)材料進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，得到了其界面之間剪應(yīng)力的一些變化規(guī)律。
為了提高橋面和隧道路面的行車(chē)舒適性，一般都要在隧道、水泥混凝土橋面上加鋪瀝青混凝土。但因?yàn)r青混凝土和水泥混凝土材料的強(qiáng)度、變形及相容性等均存在較大的差別，兩種路面結(jié)構(gòu)界面的黏結(jié)技術(shù)顯得非常重要。據(jù)調(diào)查，凡是有剛?cè)崧访娼Y(jié)構(gòu)的橋面鋪裝發(fā)生早期病害的情況普遍存在，這可能是設(shè)計(jì)方面認(rèn)識(shí)不足，或界面黏結(jié)材料性能參差不齊，或超載交通的普遍存在，或施工缺陷等，影響因素較多。當(dāng)然也有使用環(huán)境和自然氣候的原因，特別是橋梁結(jié)構(gòu)，變形大，溫差大，對(duì)黏結(jié)材料的適應(yīng)性要求高。另一方面，黏結(jié)層還應(yīng)有防水的功能，一般瀝青混凝土鋪裝層只有4cm 厚，路面水易于通過(guò)空隙滲透到界面層，在荷載作用下，形成高壓水流，沖擊界面結(jié)構(gòu)，造成早期病害。
目前，高速公路向西部延伸，向山區(qū)進(jìn)發(fā)，橋隧比占線(xiàn)路總長(zhǎng)50%以上，有的達(dá)到80%，橋隧鋪裝層界面處治受到行業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。而界面處治技術(shù)中，界面抗剪尤為重要，本文采用有限元方法，計(jì)算分析了水泥混凝土與鋪瀝青混凝土界面之間的剪應(yīng)力隨鋪裝層厚度變化及隨荷載影響的變化規(guī)律;同時(shí)，選用當(dāng)前市面上常用的幾種防水黏結(jié)材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到了一些較為重要的結(jié)論，對(duì)相關(guān)工程實(shí)踐有參考價(jià)值。
1 有限元方法分析瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應(yīng)力
1.1 瀝青混凝土與水泥混凝土界面接觸模型
(1)水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層，其理論模型既區(qū)別于彈性層狀體系，也不同于彈性地基上的板，為便于理論分析，結(jié)合一些實(shí)際情況，采用如下假設(shè)：
�、俑鲗訛榫|(zhì)的各向同性的線(xiàn)彈性體;
②每一層之間的接觸面為完全連續(xù)的;
�、鄄挥�(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響。
(2)汽車(chē)荷載采用雙圓均布垂直荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓為0.7MPa。
1.2 瀝青混凝土加鋪層厚度對(duì)界面剪應(yīng)力的影響水泥混凝土與瀝青混凝土鋪裝層之間的受力狀況是比較復(fù)雜的，特別是高溫季節(jié)，橋面比一般路面溫度高，要求鋪裝層有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性;由于瀝青混凝土與水泥混凝土材料的相容性差，兩者界面間的黏結(jié)性能顯得更為重要，黏結(jié)性能直接影響著這種復(fù)合路面的使用性能。所謂黏結(jié)性能在水平方向就是抗剪能力。有資料報(bào)道，增加瀝青混凝土加鋪層的厚度，可以增加其與水泥混凝土界面間的黏結(jié)性能，可在一定程度上防止瀝青混凝土面層相對(duì)于水泥混凝土板的滑移。但單純依靠增加瀝青混凝土加鋪層的厚度是不現(xiàn)實(shí)的：一方面增加加鋪層厚度可能受到路面標(biāo)高的限制;另一方面增加加鋪層厚度，必將大幅增加路面造價(jià)。因此，需要尋找其他經(jīng)濟(jì)可行的方法來(lái)增強(qiáng)瀝青混凝土與水泥混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度。
本文從3.5cm 厚鋪裝層開(kāi)始計(jì)算，每增加2cm，層間剪應(yīng)力有明顯的下降，但當(dāng)厚度達(dá)到10cm后，剪應(yīng)力下降不明顯。不同瀝青混凝土加鋪層厚度對(duì)界面間剪應(yīng)力的影響見(jiàn)表1所示。
表1 不同瀝青混凝土加鋪層厚度對(duì)界面間剪應(yīng)力的影響
加鋪層厚度cm3.568101214
τmax/MPa0.360.280.210.170.160.16
1.3 超載對(duì)瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應(yīng)力的影響伴隨著公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通量的迅猛增加，疲勞荷載應(yīng)力會(huì)大幅提高。當(dāng)然，更重要的是超載交通，在過(guò)境交通中，出現(xiàn)了許多特大型的運(yùn)輸車(chē)輛，總載重可達(dá)1 200kN，單軸軸重達(dá)240kN。受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，載貨車(chē)輛中，除空車(chē)外，80%有超載現(xiàn)象，特別是一些運(yùn)煤車(chē)輛及礦業(yè)車(chē)輛超載率從50%～200%不等。路面結(jié)構(gòu)在重載及超載的作用下會(huì)產(chǎn)生加速破壞，尤其是橋面、隧道鋪裝，層間剪應(yīng)力受超載交通影響比較敏感。
以加鋪4cm瀝青混凝土層路面為例，計(jì)算瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應(yīng)力隨荷載變化的情況。輪胎壓力為1.1MPa時(shí)，剪應(yīng)力為0.44MPa，這相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)荷載超50%的情況，而重載車(chē)超50%是常事。當(dāng)荷載壓應(yīng)力從0.6～1.1MPa變化時(shí)，剪應(yīng)力增加了41.9%，而且沒(méi)有減弱的趨勢(shì)(如表2所示)。有文獻(xiàn)報(bào)道，采用能量法簡(jiǎn)化計(jì)算出，層間大剪應(yīng)力可達(dá)0.778MPa，這一數(shù)值已經(jīng)接近常溫狀態(tài)下瀝青混合料極限抗剪強(qiáng)度。
表2 瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應(yīng)力隨胎壓接地壓強(qiáng)增加的變化
輪胎壓力/MPa0.60.70.80.91.01.1
τmax/MPa0.310.340.370.390.420.44
因此，在界面之間采取加強(qiáng)措施是改善水泥混凝土與瀝青混凝土界面的必然要求。
2 界面處理材料對(duì)瀝青混凝土與水泥混凝土界面抗剪強(qiáng)度影響試
驗(yàn)選取3種界面處理材料進(jìn)行試驗(yàn)，擬對(duì)瀝青混凝土與水泥混凝土界面進(jìn)行對(duì)比分析。
選取的3種界面處理材料分別是乳化瀝青、水性瀝青基防水涂料以及溶劑性防水黏結(jié)涂料。
2.1 試件的制備與試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)需要的試件一共2組8塊，每組分別是未涂刷任何界面處理材料的水泥混凝土與瀝青混凝土試塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)試塊)1塊，以及所選3種界面處理
材料試塊各1塊。具體制備方法如下：
在抗車(chē)轍試模中成型3.5cm 厚瀝青混凝土試件共2組8塊，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生周期(28d)后每組各選取1塊試塊不做界面處理，其余每組3塊試塊涂刷界面處理劑(300g/m2);干燥后換上7cm 高的模具，在水泥混凝土試件上面再成型3.5cm 厚的瀝青混凝土試件;冷卻后成模，切割成100mm×100mm 的試塊;將100mm×100mm__________試塊在要求的試驗(yàn)溫度下恒溫3h，做壓剪實(shí)驗(yàn)。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥混凝土與瀝青混凝土界面無(wú)黏結(jié)材料處治，20℃溫度條件下，界面黏結(jié)力僅0.36MPa，且界面出現(xiàn)滑移現(xiàn)象;當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)，界面幾乎沒(méi)有黏結(jié)了，界面瀝青混合料出現(xiàn)松軟狀態(tài)。分別用乳化瀝青、水性瀝青基防水涂料和溶劑性防水黏結(jié)涂料處理界面后，其黏結(jié)強(qiáng)度都有明顯提高。其中溶劑性防水黏結(jié)涂料效果好，常溫情況下達(dá)到1.18MPa，50℃時(shí)，也有0.27MPa的黏結(jié)力。從界面破壞狀況看，黏結(jié)界面均出現(xiàn)滑移，表明盡管用了優(yōu)質(zhì)黏結(jié)材料進(jìn)行界面處理，但瀝青混凝土與水泥混凝土之間仍然是薄弱環(huán)節(jié)，在工程中應(yīng)引起高度重視。
