薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度理論及影響因素分析

孫超

（同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

0 引言

薄層加鋪是指在原有瀝青路面上加鋪一層厚度為2～4 cm的熱拌瀝青混合料[1]。薄層加鋪可有效地防止路面使用性能的持續(xù)惡化，修復(fù)表面缺陷，延長路面使用壽命。

然而薄層加鋪極容易發(fā)生層間粘結(jié)失效、加鋪層剝落等病害[2]。國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)薄層加鋪層間粘結(jié)特性展開研究[3-13]。本文在充分借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，將黏性土抗剪強(qiáng)度摩爾-庫倫理論拓展至薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度當(dāng)中，通過室內(nèi)斜剪試驗(yàn)的手段，給出了適用于薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度理論，并對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響因素展開研究。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法與裝置

薄層加鋪層間粘結(jié)狀況的試驗(yàn)方法主要有：剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)。而剪切試驗(yàn)又可分為斜剪試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)?？紤]到加鋪層層底在行車荷載作用下處于三向受力的狀態(tài)，而直剪試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)中，試件的受力狀態(tài)與實(shí)際情況有較大的出入，因此本文選擇斜剪試驗(yàn)作為薄層加鋪層間粘結(jié)失效的試驗(yàn)方法。

斜剪試驗(yàn)借助于材料試驗(yàn)系統(tǒng)MTS完成，通過兩平行的模具將試件夾住，在層間形成剪切滑動(dòng)面，并可通過改變模具形狀的方式改變剪切滑動(dòng)角度，具體試驗(yàn)裝置見圖1、圖2。

圖1 斜剪試驗(yàn)試驗(yàn)裝置

圖2 剪切試件

斜剪試驗(yàn)采用邊長為10 cm的立方體試件，試件利用車轍板成形儀器分兩次攤鋪成形。其中下層采用SMA-13瀝青混合料；粘層油采用SBS改性乳化瀝青，其用量為0.8 kg/m2；上層采用UTA-10瀝青混合料，其級(jí)配見表1，最佳油石比為5.4%，聚酯纖維加入量為0.25%，抗剝落劑加入量為瀝青用量的0.4%。

表1 UTA-10級(jí)配組成

1.2 試驗(yàn)控制條件

已有的研究表明，荷載加載速率會(huì)顯著影響室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度值，故本文對(duì)加載速率的影響展開研究，從而為加載速率的控制提供科學(xué)合理的依據(jù)。

本文將MTS荷載加載速率設(shè)定為1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min、30 mm/min、40 mm/min、50 mm/min，共計(jì)7種不同的加載速率。試驗(yàn)溫度為常溫下25℃，剪切角為40°，將這7種速率下的層間抗剪強(qiáng)度繪于圖3。

圖3 抗剪強(qiáng)度與荷載加載速率關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果可見：低速加載與高速加載下的層間抗剪強(qiáng)度差異很大，高速條件下的抗剪強(qiáng)度約為低速條件下的2倍。此外，隨著荷載加載速率的增大，層間抗剪強(qiáng)度隨之增大，而增大幅度逐漸減小，最終抗剪強(qiáng)度值趨于收斂。因此可以認(rèn)為，對(duì)于低速加載而言，抗剪強(qiáng)度受加載速率的影響很大，所以在選用低速加載時(shí)，其加載速率需根據(jù)路面的實(shí)際受力狀況而定。對(duì)于高速加載而言，層間抗剪強(qiáng)度受加載速率的影響不大，可以認(rèn)為加載速率為50 mm/min時(shí)的抗剪強(qiáng)度即為高速加載條件下的代表值。

本文選擇高速加載模式，即50 mm/min為層間抗剪強(qiáng)度的加載速率。其主要原因?yàn)閲鴥?nèi)外大多數(shù)強(qiáng)度試驗(yàn)均采用50 mm/min的加載速率，而且高速加載可以一定程度上消除瀝青混合料蠕變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切角對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

剪切角是指MTS試驗(yàn)中試件剪切滑動(dòng)面與水平面所形成的夾角。其大小直接影響層間剪切滑動(dòng)面上法相壓應(yīng)力與切向剪應(yīng)力的比例關(guān)系，因此本文開展了 20°、25°、30°、35°、40°、45°和 50°共計(jì)7種剪切角條件下的層間剪切試驗(yàn)，試件為干燥試件，試驗(yàn)溫度設(shè)定為常溫條件25°。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：剪切角為20°和25°時(shí)MTS壓頭壓應(yīng)力超過其量程10 kN，故將剪切角為30°、35°、40°、45°和 50°時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度繪制于圖4中，20°和25°的采用趨勢(shì)外延的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖4 剪切角對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：層間抗剪強(qiáng)度隨剪切角α的增大而減小，并且減小幅度逐漸減小。但需要特別指出的是，當(dāng)剪切角α增大到試驗(yàn)范圍之外時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度將進(jìn)一步減小，直至剪切角α等于90時(shí)，所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度即為直剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度。

1910年摩爾（Mohr）曾指出材料在發(fā)生剪切破壞時(shí)，其破壞面上的剪應(yīng)力τ是為該方向上法向壓應(yīng)力的函數(shù)，即：

借鑒土體的抗剪強(qiáng)度理論，本文將各剪切角所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為僅受破壞面上剪應(yīng)力τ和法向壓應(yīng)力σ，其結(jié)果見圖5。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪切滑動(dòng)面上法向壓應(yīng)力在一定范圍內(nèi)時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度與法向壓應(yīng)力呈線性關(guān)系。這一關(guān)系與黏性土抗剪強(qiáng)度的庫侖定律極為相似，因此可以借鑒庫倫定律將加鋪層間抗剪強(qiáng)度定義為：

圖5 薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力間的關(guān)系

式中：[τ]——薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度，MPa；

σ——剪切滑動(dòng)面上法向壓應(yīng)力，MPa；

c——粘層油粘聚力，MPa；

φ——加鋪層與原路面間內(nèi)摩擦角。

2.1.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)c

參數(shù)c表示剪切面法向壓應(yīng)力為零時(shí)，層間的抗剪強(qiáng)度。因此，可以將其定義為僅由粘層油粘結(jié)作用所提供的層間抗剪強(qiáng)度，故稱為粘層油粘聚力。同時(shí)，粘層油粘聚力c恰為直剪試驗(yàn)所測(cè)得的抗剪強(qiáng)度，因此粘層油粘聚力c可以通過直剪試驗(yàn)獲得。

粘層油粘聚力c值大小主要受粘層油性質(zhì)、原路面構(gòu)造深度、加鋪層級(jí)配、路表溫度和水的剝落損壞程度等五方面因素影響。具體影響情況如下：

（1）粘層油性質(zhì)

粘層油性質(zhì)主要包括粘層油自身的粘結(jié)效果，例如SBS改性瀝青的粘結(jié)效果高于普通瀝青，而普通瀝青又高于乳化瀝青。此外，粘層油的用量也會(huì)影響其粘結(jié)效果。當(dāng)用量過小時(shí)，粘層油無法有效均勻的填充于原路表及加鋪層的空隙中，從而減小了有效接觸面積，降低了粘結(jié)效果。如圖6所示，當(dāng)粘結(jié)層厚度持續(xù)增大，超過最佳值時(shí)，其粘結(jié)力會(huì)顯著降低。

圖6 粘層油厚度對(duì)粘結(jié)力的影響

（2）路面構(gòu)造深度與加鋪層級(jí)配

路面構(gòu)造深度和加鋪層級(jí)配的大小會(huì)直接影響粘結(jié)面上的表面積，從而影響粘結(jié)效果。

（3）溫度與濕度

溫度與濕度均會(huì)影響粘結(jié)層的粘結(jié)效果，但各自的作用機(jī)理目前清楚，因此本文借助室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其影響機(jī)理展開研究。

2.1.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

參數(shù)φ表示抗剪強(qiáng)度曲線的斜率，其物理意義為：在不設(shè)有粘結(jié)層的情況下，加鋪層受外力作用而處于臨界平衡狀態(tài)時(shí)，外力與接觸面法向間的夾角。換而言之，此時(shí)加鋪層能否沿接觸面滑動(dòng)與外力大小無關(guān)，僅與夾角有關(guān)。當(dāng)這一夾角小于參數(shù)φ時(shí)，不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)這一夾角大于參數(shù)φ時(shí)，便會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。因此將抗剪強(qiáng)度參數(shù)φ稱為加鋪層與原路面間內(nèi)摩擦角。

內(nèi)摩擦力主要是由于加鋪層和原路面間的表面摩擦力和由于加鋪層壓實(shí)過程中的連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力所引起。因此內(nèi)摩擦角的大小主要取決于接觸面的粗糙程度以及粘層油和水的潤滑作用。

2.2 溫度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

加鋪層、原始路面以及粘結(jié)層均對(duì)溫度十分敏感，不同的溫度條件下，各種材料所呈現(xiàn)的性能差異很大。因此，本文通過室內(nèi)斜剪試驗(yàn)，研究25℃、40℃、50℃所對(duì)應(yīng)的層間抗剪強(qiáng)度。

表2為干燥條件、40°剪切角時(shí)，不同溫度下層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：該工況條件下，試驗(yàn)層間抗剪強(qiáng)度隨著溫度的升高線性遞減。

表2 不同溫度下層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

將不同溫度下的抗剪強(qiáng)度曲線見圖7（a），并將抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、隨溫度變化規(guī)律見圖7（b）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)試驗(yàn)溫度從20℃升高至50℃，粘聚力c呈線性降低，c值約降低為20℃時(shí)的1/4。而內(nèi)摩擦角隨著溫度的升高而升高，但變化幅度僅為3°，變化并不明顯。因此，可以認(rèn)為溫度對(duì)粘層油粘聚力c的影響較大，而對(duì)內(nèi)摩擦角φ的影響并不明顯，可以忽略不計(jì)。這種試驗(yàn)現(xiàn)象可以解釋為：溫度升高增強(qiáng)了瀝青材料的流動(dòng)性，降低了粘結(jié)力，因此層間粘層油的粘聚力c顯著降低，而內(nèi)摩擦角φ主要受接觸面的粗糙程度影響，溫度的影響不明顯。

圖7 薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度曲線隨溫度變化規(guī)律

2.3 濕度對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

薄層加鋪層間水分子的來源主要有兩類：一類是地表降雨后，雨水沿加鋪層微裂紋等損傷進(jìn)入加鋪層，并在行車荷載作用下產(chǎn)生巨大的動(dòng)水壓力。動(dòng)水壓力進(jìn)一步?jīng)_蝕加鋪層并使接觸面瀝青剝落，細(xì)集料損失，最終導(dǎo)致層間分離。另一類是白天高溫路基土體中的水以水蒸氣的形態(tài)沿原路面的裂縫向上擴(kuò)散至層間位置，由于加鋪層阻礙了水蒸氣的擴(kuò)散，水蒸氣在層間處聚集，當(dāng)夜晚降溫時(shí)，水蒸氣便以液態(tài)水的形態(tài)存在于層間。當(dāng)行車荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，從而使層間的瀝青剝落，最終導(dǎo)致層間分離。

由上述分析可見，薄層加鋪的層間濕度狀況會(huì)顯著影響其抗剪強(qiáng)度大小。因此，本文分別對(duì)干燥條件、飽水24 h以及飽水24 h后0.03 MPa動(dòng)水壓力作用下層間抗剪強(qiáng)度展開研究。

如圖8所示，路表動(dòng)水壓力借助于MTS三軸室水圍壓模擬。根據(jù)李少波、張宏超等人對(duì)路面動(dòng)水壓力的實(shí)測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)中動(dòng)水壓力設(shè)為0.03 MPa[14]。

圖8 考慮動(dòng)水壓力影響的MTS抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

將干燥、飽水24 h以及飽水24 h后0.03 MPa水壓作用下，層間抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果繪于圖9(a)中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ分別繪于圖9(b)和圖9(c)中。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同濕度條件下，抗剪強(qiáng)度[τ]仍隨剪切面法向壓應(yīng)力σ呈線性變化。粘層油粘聚力從1.49 MPa下降到1.28 MPa，但相較于溫度的影響，其變化范圍不大。而內(nèi)摩擦角φ從22.08°下降為15.59°，下降了約6°，濕度對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響明顯大于溫度的影響。這可以解釋為：水在一定程度上深入到剪切滑動(dòng)面，起到潤滑作用，而持續(xù)施加動(dòng)水壓力進(jìn)一步擴(kuò)大了潤滑效果，從而降低了層間內(nèi)摩擦角。

圖9 不同濕度條件下層間抗剪強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果來看，濕度對(duì)于層間抗剪強(qiáng)度的影響并沒有定性分析的那樣顯著。究其原因可解釋為：濕度對(duì)于層間抗剪強(qiáng)度的影響是一個(gè)緩慢持續(xù)的過程，可認(rèn)為是一個(gè)動(dòng)水壓力反復(fù)作用的疲勞破壞過程。而本試驗(yàn)中試件粘結(jié)狀況較好，尚未經(jīng)過動(dòng)水壓力的長期作用，粘結(jié)層瀝青尚未剝落，故試驗(yàn)得到的結(jié)果相較于實(shí)際狀況較小。

3 結(jié)語

薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)加鋪層能否發(fā)生剪切破壞、加鋪層剝落的重要力學(xué)指標(biāo)。本文借助于MTS試驗(yàn)系統(tǒng)，確定了評(píng)價(jià)加鋪層抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)方法，提出了加鋪層抗剪強(qiáng)度理論，并分析了抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響因素。具體結(jié)論如下：

（1）確立了斜剪試驗(yàn)作為層間抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，并通過改變滑動(dòng)面角度的方式，實(shí)現(xiàn)了不同工況條件下受力狀態(tài)的模擬。

（2）對(duì)不同加載速率條件下薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度展開了研究，認(rèn)為高速加載更適用于抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，并且當(dāng)加載速率達(dá)到一定程度時(shí)，其對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響程度很小，因此確定50 mm/min為最佳加載速率。

（3）通過斜剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈線性關(guān)系。因此根據(jù)摩爾—庫倫理論，初步建立了薄層加鋪層間抗剪強(qiáng)度理論。

（4）對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值影響因素展開研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，除了加鋪層、粘結(jié)層等材料自身因素之外，溫度和濕度狀況同樣會(huì)影響抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中溫度會(huì)顯著影響粘層油粘聚力c，濕度狀況會(huì)影響薄層加鋪層間內(nèi)摩擦角φ。

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