半剛性基層瀝青路面基-面層間界面強(qiáng)度研究

唐 羽，吳國(guó)雄，陳 強(qiáng)，李慶節(jié)

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市交通委員會(huì)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，重慶 400060；3.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

半剛性基層瀝青路面基-面層間界面強(qiáng)度研究

唐 羽1，吳國(guó)雄1，陳 強(qiáng)2，李慶節(jié)3

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市交通委員會(huì)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局，重慶 400060；3.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

半剛性基層瀝青路面中，半剛性基層和瀝青混合料面層兩種材料性能差異較大，基-面層間界面的良好連接至關(guān)重要。采用BISAR軟件分析基-面層間應(yīng)力，得出基層、面層的模量和厚度變化對(duì)界面剪應(yīng)力和正應(yīng)力的影響規(guī)律。采用自制夾具進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)，研究了剪切速率和試驗(yàn)溫度變化與基-面層間界面剪應(yīng)力之間的關(guān)系；回歸擬合表明，路面結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力與剪切速率、試驗(yàn)溫度具有較好的相關(guān)性。

道路工程；瀝青路面；基-面層間；剪切試驗(yàn)；界面力學(xué)強(qiáng)度

0 引 言

半剛性基層瀝青路面基-面層間連接的實(shí)際狀態(tài)不同于設(shè)計(jì)時(shí)采用的連續(xù)狀態(tài)，基-面層間接觸的實(shí)際狀態(tài)是介于完全連續(xù)和完全光滑之間的一種狀態(tài)[1]。半剛性基層、瀝青面層和層間封層在材料、模量、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面存在著差異，因此，諸多因素影響著基-面層間界面力學(xué)強(qiáng)度。任赟等[2]研究了路面結(jié)構(gòu)不同層間接觸狀態(tài)；H.OZER等[3]研究得出路面層間接觸狀況的改變對(duì)面層設(shè)計(jì)厚度影響較大的結(jié)論；顏可珍等[4]研究了瀝青混凝土路面的層間接觸狀態(tài)對(duì)加鋪層的影響；SUN Jisha等[5]研究了不同接觸狀態(tài)下瀝青路面的疲勞壽命；柳浩等[6]得到了瀝青路面基-面層間接觸狀態(tài)變化與基-面層間正應(yīng)力、剪應(yīng)力和相對(duì)位移的變化關(guān)系；白雪梅[7]通過(guò)研究得出路表彎沉、面層內(nèi)最大剪應(yīng)力對(duì)層間接觸狀態(tài)的變化不敏感。

筆者開展對(duì)半剛性基層瀝青路面的基-面層間界面力學(xué)強(qiáng)度的系統(tǒng)研究。通過(guò)層間剪切試驗(yàn)，得出路面結(jié)構(gòu)的層間剪應(yīng)力與剪切速率、試驗(yàn)溫度具有較好的相關(guān)性，從而為半剛性基層瀝青路面基-面層間剪應(yīng)力的預(yù)估提供了一種參考方法。

1 BISAR軟件計(jì)算分析

運(yùn)用BISAR軟件對(duì)半剛性基層瀝青路面基-面層間力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用的是彈性層狀體系理論和雙圓均布荷載，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取有關(guān)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。在分析影響因素時(shí)，其他因素設(shè)定為常量，均假定為只受垂直荷載作用。

1.1 基層模量和厚度改變對(duì)層間強(qiáng)度的影響

1.1.1 基層模量

選用材料和參數(shù)見表1，表中3個(gè)點(diǎn)位分別是雙輪輪隙中心(A)、輪載作用邊緣(B)、輪載作用中心(C)對(duì)應(yīng)的基-面層間位置。計(jì)算不同基層模量下，

基-面層間的剪應(yīng)力τ、正應(yīng)力σxx，并繪制出它們的相關(guān)關(guān)系，如圖1。

表1 基本參數(shù)

圖1 基層模量與τ，σxx之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the base modulus and τ, σxx

由圖1可知，隨著基層模量增大，基-面層間剪應(yīng)力τ呈減小趨勢(shì)，而基-面層間正應(yīng)力σxx則逐漸增大，在C點(diǎn)處增幅達(dá)到最大，為47.9%，說(shuō)明輪載作用中心(C點(diǎn))對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力增加趨勢(shì)顯著。

1.1.2 基層厚度

基層厚度分別取0.1，0.15，0.20 m，基層彈性模量E=1 600 MPa，其余參數(shù)不變。計(jì)算得到基層厚度與基-面層間剪應(yīng)力τ、正應(yīng)力σxx的關(guān)系，如圖2。

圖2 基層厚度與τ，σxx之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the base thickness and τ, σxx

由圖2可知，隨著基層厚度的增加，基-面層間剪應(yīng)力τ先減小后增大，但變化均不明顯，C點(diǎn)處的剪應(yīng)力最大；基-面層間正應(yīng)力σxx呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，輪隙中心(A點(diǎn))的正應(yīng)力最大。

1.2 面層模量和厚度改變對(duì)層間強(qiáng)度的影響

1.2.1 面層模量

面層模量的取值如表2。

計(jì)算得到面層模量與基-面層間剪應(yīng)力τ、正應(yīng)力σxx的關(guān)系，如圖3。由圖3可知，隨著面層模量增加，基-面層間剪應(yīng)力τ相應(yīng)增大；但基-面層間的正應(yīng)力σxx呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且C點(diǎn)處正應(yīng)力減小趨勢(shì)最明顯。

表2 基本參數(shù)

圖3 面層模量與與τ，σxx之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the surface modulus and τ, σxx

1.2.2 面層厚度

面層厚度分別為0.05，0.10，0.15 m，瀝青面層彈性模量定為1 300 MPa，其余參數(shù)不變。計(jì)算并建立面層厚度與基-面層間剪應(yīng)力τ、正應(yīng)力σxx的關(guān)系，如圖4。

圖4 面層厚度與τ, σxx之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the surface thickness and τ, σxx

由圖4可知，面層厚度的變化對(duì)基-面層間受力影響最為顯著。隨著面層厚度增加，B，C點(diǎn)處的剪應(yīng)力τ呈下降趨勢(shì)，而A點(diǎn)處的剪應(yīng)力τ是先減小后增加；基-面層間正應(yīng)力σxx呈明顯下降趨勢(shì)，C點(diǎn)降幅高達(dá)78.1%?？梢姡?面層間受力響應(yīng)對(duì)面層厚度的變化比較敏感。

2 基-面層間剪切試驗(yàn)

研究剪切試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)外加條件(如剪切速率、試驗(yàn)溫度等)對(duì)剪應(yīng)力的影響，并探索其規(guī)律性。

2.1 試驗(yàn)方案與步驟

2.1.1 試件尺寸

試模為自主研發(fā)制成，分兩層，每層厚度均為5 cm，可以拆卸，如圖5。

圖5 試模Fig.5 Test mold

按照J(rèn)TG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》成型車轍試件，尺寸為30 cm × 30 cm × 10 cm，然后切割成10 cm × 10 cm × 10 cm的測(cè)試試件用于剪切試驗(yàn)，如圖6。

圖6 試件Fig.6 Specimen

2.1.2 剪切速率

采用4種剪切速率5，10，15，50 mm/min，加載方式采用應(yīng)變控制的方式。

2.1.3 試驗(yàn)溫度

采用3種試驗(yàn)溫度0，25，50 ℃進(jìn)行斜剪試驗(yàn)，分別表征低溫、常溫和高溫3種不同溫度環(huán)境，試驗(yàn)前試件需要在0℃的冰箱和50℃的溫箱中保溫5 h以上。

2.2 層間處理

2.2.1 透層油

厚度為5 cm的基層鋪筑好后，靜壓成型，及時(shí)撒布乳化瀝青制成的透層油，滲透深度不小于5 mm，然后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室7 d以上。

2.2.2 稀漿封層

待基層試件養(yǎng)護(hù)好后，即鋪筑稀漿封層。稀漿封層采用的是ES-2型，鋪筑厚度為5 mm。最后鋪筑厚度為5 cm的瀝青面層。

2.3 計(jì)算公式

考慮到實(shí)際路面的層間滑移破壞不僅是承受水平荷載，同時(shí)還承受車輛等垂直荷載，因此筆者采用斜剪模式(傾角為45°)，這種模式能更好地模擬路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力，剪切試驗(yàn)示意見圖7。

圖7 剪切試驗(yàn)示意Fig.7 Shear test schematic

根據(jù)已知的傾角和試件的尺寸，推出剪應(yīng)力的計(jì)算公式，如式(1)：

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；F為外部垂直壓力，N；S為剪切試件的剪切面面積，10 000 mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

半剛性基層瀝青路面的基-面層層間斜剪試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)溫度對(duì)剪應(yīng)力的影響

半剛性基層瀝青路面的基-面層層間斜剪試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度與剪應(yīng)力的關(guān)系如圖8。

圖8 試驗(yàn)溫度與剪應(yīng)力的關(guān)系Fig.8 Relationship between test temperature and shear stress

由圖8可見，瀝青路面基-面層剪應(yīng)力隨溫度升高明顯降低。當(dāng)溫度從0→25 ℃，剪應(yīng)力的降低幅度明顯較溫度從25→50 ℃的大。當(dāng)加載溫度為0 ℃時(shí)，試件材料不容易產(chǎn)生滑動(dòng)，剪切破壞原因更多是由于外部垂直荷載引起的，材料本身被壓壞，從而發(fā)生層間破壞。當(dāng)加載溫度為50 ℃時(shí)，瀝青材料表現(xiàn)出流動(dòng)性，抗變形能力顯著降低，層間容易產(chǎn)生滑動(dòng)，因此剪應(yīng)力大幅降低。瀝青材料對(duì)高溫比較敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，路面層間黏度降低，黏結(jié)力下降，容易產(chǎn)生變形、滑移，剪應(yīng)力顯著降低，這也是高溫季節(jié)長(zhǎng)大縱坡路面結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)路面滑移破壞的主要原因。

3.2 剪切速率對(duì)剪應(yīng)力的影響

剪切速率與剪應(yīng)力之間的關(guān)系如圖9。

圖9 剪切速率與剪應(yīng)力的關(guān)系Fig.9 Relationship between shear rate and shear stress

由圖9可見，在同一溫度下，半剛性基層瀝青路面層間剪應(yīng)力是隨著剪切速率的增加而線性增加。但是當(dāng)剪切速率γ>15 mm/min，剪應(yīng)力的增加速率降低，可得出剪應(yīng)力和剪切速率之間是線性關(guān)系，如式(2)：

y=kx+b

(2)

式中：k為剪切速率敏感系數(shù)；b為溫度敏感系數(shù)。

不同溫度下，k變化較小，b的變化較大。即，相較于剪切速率，剪應(yīng)力對(duì)溫度變化更敏感。

3.3 試驗(yàn)溫度與剪切速率的顯著性分析

試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)受到多個(gè)因素影響時(shí)，可以通過(guò)方差分解了解每個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度及影響的顯著性大小，從而為試驗(yàn)方案的優(yōu)選和試驗(yàn)條件的控制提供科學(xué)依據(jù)[8]。

對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)重復(fù)試驗(yàn)雙因素方差分析，試驗(yàn)假設(shè)有A，B兩因素，每個(gè)因素分別設(shè)有m，r個(gè)水平，試驗(yàn)時(shí)對(duì)每個(gè)水平進(jìn)行組合，每個(gè)組合進(jìn)行一次試驗(yàn)，一共進(jìn)行mr次試驗(yàn)。試驗(yàn)方差分析見表4。

表4 雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)方差分析

(續(xù)表4)

方差來(lái)源因素A因素B誤差e總和T方差VA=SAm-1VB=SBr-1Ve=Se(m-1)(r-1)F比FA=VAVeFB=VBVe顯著性**

表4中各式的計(jì)算如下：

1)在因素Ai下的樣本均值

(3)

2)在因素Bj下的樣本均值

(4)

3)因素A的偏差平方和

(5)

4)因素B的偏差平方和

(6)

5)誤差平方和Se

(7)

6)總偏差平方和ST

ST=SA+SB+Se

(8)

7)總自由度

fr=總的試驗(yàn)次數(shù)-1=mr-1

(9)

同理：

fA=m-1

(10)

fB=r-1

(11)

fe=fT-fA-fB

(12)

根據(jù)表格計(jì)算出F值后，就可以進(jìn)行因素影響的顯著性分析。給定的顯著性水平α(α= 0.01，0.05，0.1)，通過(guò)查F分布表查出Fα(fA，fe)，F(xiàn)α(fB，fe)并分別和FA，F(xiàn)B進(jìn)行比較，若FA>Fα(fA，fe)，說(shuō)明因素A的影響大于誤差e的影響，并且影響顯著；同理因素B也是一樣。

根據(jù)上述理論對(duì)表3進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表5，取α= 0.05。

表5 方差分析

注：*表示較顯著，**表示顯著。

由表5可知，剪切速率和試驗(yàn)溫度對(duì)層間剪應(yīng)力的影響都是顯著的，但試驗(yàn)溫度影響的顯著性遠(yuǎn)大于剪切速率的影響。

3.4 強(qiáng)度-溫度-剪切速率關(guān)系

對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，建立起強(qiáng)度-溫度-剪切速率的關(guān)系式，如式(13)：

(13)

式中：y為剪應(yīng)力，kPa；xt為試驗(yàn)溫度，范圍為0～60 ℃；xv為剪切速率，mm/min；a，b，c，d為待求解參數(shù)。

將表3中的數(shù)據(jù)代入式(13)，計(jì)算得到：a= 513.47，b=-0.048，c=-0.122，d= 9.145，e= -76.17，相關(guān)系數(shù)R= 0.999。說(shuō)明該擬合具有很好的相關(guān)性，因此，強(qiáng)度-溫度-剪切速率的相關(guān)關(guān)系可用式(14)來(lái)表達(dá)：

(14)

取xt= 30 ℃，xv= 50 mm/min，通過(guò)式(14)計(jì)算得到y(tǒng)計(jì)算= 178 kPa。實(shí)際的剪切試驗(yàn)結(jié)果為y實(shí)驗(yàn)= 185 kPa。計(jì)算數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低3.7%，說(shuō)明用式(14)對(duì)半剛性基層瀝青路面基-面層間剪應(yīng)力進(jìn)行預(yù)估，具有較好的可靠度。

4 結(jié) 論

1)半剛性基層瀝青路面基-面層間界面力學(xué)強(qiáng)度受到材料、溫度、試驗(yàn)條件等諸多因素影響。隨著基層模量增加，層間剪應(yīng)力減小，層間正應(yīng)力增大；隨著基層厚度增加，層間正應(yīng)力成增加趨勢(shì)，層間剪應(yīng)力變化很小。

2)隨著面層模量增加，層間剪應(yīng)力增大，層間正應(yīng)力減小。隨著面層厚度增加，層間剪應(yīng)力總體呈下降趨勢(shì)，層間正應(yīng)力減小。

3)通過(guò)對(duì)半剛性基層瀝青路面基-面層間的剪切試驗(yàn)，得出層間剪應(yīng)力和剪切速率之間呈線性關(guān)系，并且層間剪應(yīng)力相較于剪切速率，對(duì)溫度變化更為敏感。

4)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸擬合表明，層間剪應(yīng)力與試驗(yàn)溫度、剪切速率具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R= 0.999。

[1] 李志宏,黃寶濤.瀝青路面層間接觸面積臨界值的計(jì)算方法[J].建筑材料學(xué)報(bào),2008,11(3):311-317.

LI Zhihong, HUANG Baotao. Calculation method for critical value of interlayer contact area of asphalt pavement[J].JournalofBuildingMaterials,2008,11(3):311-317.

[2] 任赟,張磊,時(shí)偉.層間接觸條件對(duì)半剛性基層瀝青路面壽命影響分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009(11):35-37. REN Yun, ZHANG Lei, SHI Wei. Impact of contact condition between layers on service life of asphalt pavement with semi-rigid base [J].TransportStandardization,2009(11)35-37.

[3] OZER H, AL-QADI I L, HASIBA K I, et al. Pavement layer interface shear strength using a hyperbolic mohr-coulomb model and finite element analysis[C/OL]// T & DI:TheProceedingsofthe2013Airfield&HighwayPavementConference:SustainableandEfficientPavements. Los Angeles, California: ASCE, 2013: 1445- 1456[2014-12-24].http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784413005.122.

[4] 顏可珍,江毅,黃立葵,等.層間接觸對(duì)瀝青加鋪層性能的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(5):11-15. YAN Kezhen, JIANG Yi, HUANG Likui, et al. Effect of bond condition on overlay performance [J].JournalofHunanUniversity(NaturalSciences),2009,36(5):11-15.

[5] SUN Jishu, XIAO Tian, DOU Yuanming, et al.StudyontheRationalThicknessofSurfaceCourseonSemi-rigidBaseAsphaltPavement[M/OL]// ASCE: Pavements and Materials, Geotechnical Special Publication No.212.[S.l.]: ASCE, 2011: 37-44[2014-11-12].http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/47623%28402%295.

[6] 柳浩,譚憶秋,宋憲輝,等.瀝青路面基-面層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)路面應(yīng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路交通科技,2009,26(3):1-6. LIU Hao, TAN Yiqiu, SONG Xianhui, et al. Influence of bonding condition between base and surface courses of asphalt pavement on pavement stress response [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2009, 26(3):1-6.

[7] 白雪梅. 層間接觸狀態(tài)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(2):215-218. BAIXue-mei. Effect of Bonding Condition between Asphalt Layer and Semi-Rigid Layer on Structural Mechanics Response of Asphalt Pavement[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2009,28(2):215-218.

[8] 劉振學(xué),黃仁和,田愛民.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:47-51. LIU Zhenxue, HUANG Renhe, TIAN Aimin.ExperimentalDesignandDataProcessing[M]. Beijing: Chemical Industry Press,2006: 47-51.

Interlayer Mechanical Strength of Base-Surface Layer of Semi-Rigid Base Asphalt Paiement

TANG Yu1, WU Guoxiong1, CHEN Qiang2, LI Qingjie3

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Engineering Quality & Safety Supervision Bureau of Chongqing Communications Commissions, Chongqing 400060, P.R.China; 3. CMCU Engineering Co., Ltd., Chongqing 400039, P.R.China)

In the semi-rigid base asphalt pavement, the performance of semi-rigid base and asphalt mixture layer are very different, so the interlayer connection between base layer and surface layer is crucial. The stress of base-surface layer was analyzed through BISAR software, and the law of interlayer shear and normal stress influenced by the change of the modulus and thickness of base layer and surface layer was acquired. Then a self-made fixture was used to carry out the base-surface layer shear test. The relationship between interlayer shear stress of base-surface layer and shear rate and test temperature change was researched. It is indicated by regression that the interlayer shear stress of pavement structure has good correlation with shear rate and test temperature.

highway engineering; asphalt pavement; base-surface layer; shear test; interlayer mechanical strength

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.07

2015-03-03；

2015-07-11

2014年重慶高校優(yōu)秀成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(KJZH14104)；重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(LHSYS-2013-005)

唐 羽(1983—)，女，重慶人，博士研究生，主要從事道路工程方面的研究。E-mail:faye-yu@163.com。

U416

A

1674-0696(2016)03-033-05