1. 引言
近年来，随着可持续发展意识的深入人心，人们对温拌沥青技术产生了极大兴趣，相比于传统的热拌沥青，其生产过程温度较低，通常在120℃到140℃之间，能源消耗显著减少。低温生产过程减少了温室气体的排放，温拌沥青技术的应用实现了更低的碳排放和烟雾污染，降低了对环境的影响和工人的健康风险。同时，由于温度降低，对沥青老化损伤减少，更有利于旧路面再生沥青的回收利用，符合“双碳”战略和循环经济的要求。
众所周知，良好的层间黏结对于交通荷载引起的剪应力在道路结构内的传递是非常重要的。温拌沥青由于拌合温度较低，可能会导致路面各结构层之间的黏结效果变差，从而对路面结构整体性产生负面影响。这种不确定性是阻碍温拌沥青推广应用的重要问题之一。
目前，国内外学者对温拌沥青路面的层间黏结特性展开了一系列研究[1]-[24]，从再生沥青的添加比例、温拌添加剂、材料老化、集料的颗粒形状、旧路表面处理方式等多个角度对层间抗剪强度的影响规律进行了总结，研究方法以室内试验与有限元模型数值分析为主，且在研究结论上尚未达成一致。
基于此背景，本文以温拌再生沥青路面实际工程为依托，研究了几种使用不同温拌添加剂的再生沥青路面的层间黏结性能，并分析了不同黏层油、服役时长、沥青混合料配合比等因素对层间抗剪性能的影响，为温拌再生沥青路面的推广应用提供参考。
2. 实验方法及材料
2.1. 工程概况
试验路1于2017年4月份修筑，旧路面所有面层结构均进行破除重建，分别在四段试验段上进行取芯并进行抗剪强度试验，前后分两次进行试验，第一次试验时间为2017年4月，第二次试验时间为2020年5月。这四段分别为热拌、温拌添加C1、C2、C3作为添加剂，编号为热-1，温C1-1，温C2-1，温C3-1。道路结构均相同：4 cm OGFC (含15% RA) + 6 cm中面层(含25% RA) + 8 cm下面层(含30% RA)。新沥青和再生沥青RA均为SBS改性沥青，在上面层和中面层层间洒布0.6 kg/m2的热SBS沥青作为黏层油。在温C1-1，温C2-1，温C3-1中，添加剂C1为胺类添加剂，为表面活性剂和黏附增强剂；添加剂C2为烷基酸盐和脂肪酸，为黏性调节剂；添加剂C3为表面活性剂。热拌沥青混合料的生产温度和压实温度分别为170℃和160℃，温拌沥青混合料的生产温度和压实温度分别为130℃和120℃。
试验路2的施工时间为2016年10月，对旧路的上面层和中面层进行破除重建。试验段分为三段，分别为热拌、温拌添加C1和C2添加剂，编号热-2，温C1-2，温C2-2，每个试验段分为两个子段，用来对比研究不同黏层油对层间抗剪强度的影响。在其中一个子段上，在上中面层层间、中下面层层间，使用0.3 kg/m2阳离子乳化沥青作为黏层油，在对比子段上，上中面层间使用0.5 kg/m2的热SBS沥青作为黏层油，中下面层间未进行黏层油处理。道路结构为：4 cm OGFC (含15% RA) + 8 cm中面层(含25% RA)，温拌沥青添加剂(C1和C2)、OGFC等配比设计以及热拌沥青和温拌沥青采用的温度等条件均与试验路1相同。
试验路3的施工时间为2020年7月，对既有路面的中上面层进行破除新建。试验段分为两段，分别为热拌和温拌，编号为热-3和温-3，其中热-3段结构为4 cm SMA (含15% RA) + 6 cm中面层(含20% RA)，温-3段温拌添加剂为C1，结构为4 cm SMA (含25% RA) + 6 cm中面层(含30% RA)。温拌沥青添加剂C1及热拌沥青和温拌沥青采用的温度等条件均与试验路1相同，在上中面层界面处未进行涂层处理。
本文所研究试验路的主要信息如表1所示。
Table 1. Main information on the field trials
表1. 试验路主要信息
序号 |
修建时间 |
断面 |
结构(再生沥青RA含量) |
1 |
2017.04 |
热-1，温C1-1，温C2-1，温C3-1 |
上面层(15% RA)，中面层(25% RA)，下面层(30% RA) |
2 |
2016.10 |
热-2，温C1-2，温C2-2 |
上面层(15% RA)，中面层(25% RA) |
3 |
2020.07 |
热-3，温-3 |
上面层(15%/25% RA)，中面层(20%/30% RA) |
2.2. 测试方法
本文所有芯样均为铺完上面层后钻芯，直径为10 cm，钻孔深度比待检测位置深0.5~1 cm。层间抗剪强度测试方法分为斜剪试验，斜剪试验的垂向位移速率为50 mm/min，层间界面与垂直方向的角度为45˚。试验温度均为20℃，层间剪切强度计算为最大剪切力与层间接触面积之比。根据试验结果评价温拌添加剂、道路服役时长、黏层油等因素对层间抗剪强度的影响。
3. 结果及分析
3.1. 层间抗剪强度
(a) 试验路1 (2017年)上中面层层间 (b) 试验路1 (2020年)上中面层层间
(c) 试验路2上中面层层间 (d) 试验路2中下面层层间
(e) 试验路3上中面层层间
Figure 1. Average interlayer shear strength
图1. 层间平均抗剪强度
在具体试验过程中，不同的位移率测试条件测得的层间抗剪强度值不同，为了能够统一标准，均采用2.2节测试方法中测试条件所得结果进行分析，层间抗剪强度平均值如图1所示。
3.2. 温拌沥青技术与热拌沥青技术对比
温拌沥青技术和热拌沥青技术在试验路1和2的层间抗剪强度方差分析结果如表2和表3所示，可以看到，热拌沥青技术和温拌沥青技术测试所得的平均抗剪强度值接近，其差异无统计学意义(p值远高于0.05)。
2017年在试验路1的试验结果中，热-1和温C2-1的差异具有统计学意义，热-1和温C1-1、热-1和温C3-1的p值接近0.05。从图1中可以看出，温C1-1、温C2-1、温C3-1三组温拌沥青芯样的层间平均抗剪强度值均在0.38~0.39 MPa，热-1芯样的层间平均抗剪强度为0.46 MPa，相差0.07~0.08 MPa。
试验路2的试验结果与试验路1类似，热-2与温C1-2、热-2与温C2-2的p值略大于0.05，热-2的上中面层层间平均抗剪强度为0.41 MPa，温C1-2的上中面层层间平均抗剪强度为0.36 MPa。
试验路2的中下面层层间平均抗剪强度对比时发现，温拌沥青技术的测试结果优于热拌沥青技术，试验路3的测试结果也是如此，温-3的层间平均抗剪强度为1.43 MPa，显著高于热-3的层间平均抗剪强度1.04 MPa。
总体看来，温拌沥青技术对路面的层间抗剪强度不会产生不利影响，其抗剪强度与热拌沥青技术路面的层间抗剪强度相当。
Table 2. Analysis of shear strength between layers of WMA and HMA (Field trial 1, Upper and middle surface layers)
表2. 温拌沥青与热拌沥青层间抗剪强度差异分析(试验路1，上中面层层间)
断面 |
2017年 |
2020年 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
热1 vs温C1-1 |
0.054 |
N |
0.790 |
N |
热1 vs温C2-1 |
0.020 |
Y |
0.524 |
N |
热1 vs温C3-1 |
0.059 |
N |
0.779 |
N |
Table 3. Analysis of shear strength between layers of WMA and HMA (Field trial 2)
表3. 温拌沥青与热拌沥青层间抗剪强度差异分析(试验路2)
断面 |
上中面层 |
中下面层 |
乳化沥青 |
SBS改性沥青 |
乳化沥青 |
SBS改性沥青 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
热2 vs温C1-2 |
0.522 |
N |
0.091 |
N |
0.216 |
N |
0.319 |
N |
热2 vs温C2-2 |
0.684 |
N |
0.319 |
N |
0.438 |
N |
0.326 |
N |
3.3. 温拌添加剂影响分析
温拌添加剂对试验路1和2层间抗剪强度影响的方差分析结果如表4和表5所示，其p值均远高于0.05，说明不同温拌添加剂的使用对层间抗剪强度的影响差异无统计学意义。从图1中可以看出，不同温拌添加剂条件下所测得的层间平均抗剪强度非常相近，即温拌添加剂类型对层间抗剪强度没有显著影响。
Table 4. Analysis of the shear strength with different warm-mix additives (Field trial 1, Upper and middle surface layers)
表4. 不同温拌添加剂抗剪强度差异分析(试验路1，上中面层层间)
断面 |
2017年 |
2020年 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
温C1-1 vs温C2-1 |
0.576 |
N |
0.619 |
N |
温C1-1 vs温C3-1 |
0.781 |
N |
0.584 |
N |
温C2-1 vs温C3-1 |
0.638 |
N |
0.393 |
N |
Table 5. Analysis of the shear strength with different warm-mix additives (Field trial 2)
表5. 不同温拌添加剂抗剪强度差异分析(试验路2)
断面 |
上中面层 |
中下面层 |
乳化沥青 |
SBS改性沥青 |
乳化沥青 |
SBS改性沥青 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
温C1-2 vs温C2-2 |
0.730 |
N |
0.251 |
N |
0.982 |
N |
0.743 |
N |
3.4. 公路服役时长的影响
从试验路1的两次试验结果可以看到，2017年的层间平均抗剪强度在热拌沥青技术条件下为0.46 MPa，而温拌沥青技术条件下为0.38~0.39 MPa。2020年无论是热拌还是温拌，层间平均抗剪强度均高于2.0 MPa，表明在三年的服役期内，热拌沥青技术和温拌沥青技术的层间抗剪强度均增加了约4倍。
这种层间抗剪强度增加现象可能是由于在高温条件时，沥青的流变特性增加，在交通荷载作用下，结构层间沥青及集料颗粒的空间构型和相对位置发生重组融合，增强了路面结构的整体性，结构层间黏聚力与重组前相比是增加的。
3.5. 黏层油的影响
不同黏层油对层间抗剪性能影响的方差分析结果如表6所示。
Table 6. Analysis of the shear strength with different tack coats (Field trial 2)
表6. 不同黏层油抗剪强度差异分析(试验路2)
结构层 |
黏层油 |
热-2 |
温C1-2 |
温C2-2 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
p |
显著性 |
上中面层层间 |
乳化沥青vs SBS改性沥青 |
0.052 |
Y |
0.124 |
N |
0.020 |
Y |
中下面层层间 |
乳化沥青vs无 |
0.021 |
Y |
0.159 |
N |
0.341 |
N |
在试验路2的上中面层间，采用SBS改性沥青作为黏层油时的层间平均抗剪强度均高于乳化沥青，这是因为黏层油采用的SBS改性沥青与上面层和中面层的SBS改性沥青有较好的亲和性。表中热-2和温C2-2的层间抗剪强度差异具有统计学意义，p值小于0.05，也说明了SBS改性沥青和乳化沥青作为黏层油时的层间抗剪强度存在显著差异。
对于中下面层层间抗剪强度而言，未涂抹黏层油的层间平均抗剪强度均高于有乳化沥青。这种现象的原因可能是乳化沥青具有润滑作用，一定程度上降低了沥青层骨料之间的摩擦作用，导致抗剪强度降低。
综上所述，黏层油对层间抗剪强度的影响较大，在实际工程应用中应根据具体情况选择最合适的黏层油。
3.6. 沥青混合料配合比的影响
对比试验路1、2和试验路3，当上面层为OGFC时，热拌沥青和温拌沥青段的上中面层层间平均抗剪强度均低于0.50 MPa，而当上面层为SMA致密层的情况下，热拌沥青和温拌沥青的上中面层层间平均抗剪强度均高于1.00 MPa。此外，在试验路2中，同样采用乳化沥青作为黏层油的中下面层层间平均抗剪强度要高于上中面层约1/3。这些现象的原因可能是OGFC在层间界面上是有较高孔隙率的、不连续的，与邻层结构的接触点少于致密结构。
4. 结语
本文通过对采用热拌沥青和温拌沥青技术的3条试验路的层间抗剪强度进行了对比分析，探究了热拌和温拌技术、温拌添加剂、道路服役时长、黏层油、沥青混合料配合比等因素对层间抗剪强度的影响，得到的结论如下：
(1) 温拌沥青技术不会对路面的层间抗剪强度产生不利影响，其抗剪强度与热拌沥青技术路面的层间抗剪强度相当。
(2) 温拌沥青添加剂类型不影响路面层间的抗剪性能。
(3) 路面层间抗剪性能受黏层油的影响较大，实际工程中应根据具体情况选择合适的黏层油材料。
(4) 由于结构层界面处的沥青和集料颗粒的空间构型和相对位置和在高温和荷载共同作用下发生重组融合，层间抗剪强度在道路服役前几年时间里会随时间推移而增加。
(5) 密级配结构层间的抗剪强度高于开级配结构层间，在开级配结构层作为上面层的道路结构中，应重点关注其对层间抗剪强度的不利影响。
本文研究成果为温拌再生沥青路面技术的推广和应用提供参考。