壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移特征行為研究*

邱 欣, 肖上霖, 楊 青, 陶玨強(qiáng), 劉智武

(1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004;2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 金華 321000)

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壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移特征行為研究*

邱 欣1, 肖上霖1, 楊 青1, 陶玨強(qiáng)1, 劉智武2

(1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004;2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 金華 321000)

為探求瀝青與集料界面間的壓剪斷裂失效機(jī)制，在研發(fā)測試加載系統(tǒng)及分析原材料基本物性參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過制作瀝青-集料三明治試件，開展了不同影響因素(集料粗糙度、瀝青老化、環(huán)境溫度及加載速率等)下瀝青-集料界面的粘脫滑移特征行為研究，定量感知了瀝青-集料界面的應(yīng)力傳荷與粘脫滑移過程，構(gòu)建了瀝青-集料界面的粘脫滑移本構(gòu)模型.結(jié)果表明：增大粗糙度和法向應(yīng)力與加快荷載速率能夠提升界面抗剪能力與剪切抑制能;瀝青老化在一定程度上能夠提高界面抗剪強(qiáng)度，但降低了界面剪切抑制能;所構(gòu)建的粘脫滑移本構(gòu)模型能夠表征瀝青-集料界面在壓剪耦合狀態(tài)下應(yīng)力變化三階段特征.研究成果可為瀝青混合料復(fù)雜力學(xué)行為的細(xì)觀分析提供理論支撐，并為混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù).

瀝青-集料界面；粘脫滑移；壓剪耦合；本構(gòu)模型

0 引 言

瀝青混合料是一種典型的多相復(fù)合材料，通常由瀝青、集料、空隙和瀝青-集料界面組成.受施工條件、溫度、集料表面狀態(tài)、瀝青老化等因素的影響，瀝青-集料界面之間往往并不是完全粘結(jié)，而是存在著弱粘結(jié)狀態(tài)，對(duì)瀝青混合料整體的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性都有很大的影響.路況調(diào)查結(jié)果表明，瀝青混合料的各種損傷往往從瀝青-集料界面開始，瀝青-集料界面區(qū)域被認(rèn)為是瀝青混合料的最薄弱環(huán)節(jié)[1].長期以來，一方面,許多學(xué)者采用表面自由能理論、化學(xué)反應(yīng)理論、分子定向理論及分子作用力理論對(duì)瀝青-集料界面的粘附機(jī)理進(jìn)行研究[2-4]，如Miller等[5]研究發(fā)現(xiàn)表面自由能理論是一種可以用來表征混合料粘附性能較好的方法，且基于表面自由能理論的水損害研究結(jié)果同宏觀粘附性試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了良好的一致性.另一方面，研究人員也嘗試采用簡化的力學(xué)試驗(yàn)揭示瀝青與集料界面間的粘附性能，如Khattak等[6]利用切應(yīng)力強(qiáng)度測試對(duì)改性瀝青混合料的界面低溫粘附特征進(jìn)行了研究；Canestrari等[7]采用氣動(dòng)粘接拉伸方法(The Pneumatic Adhesion Tensile Testing Instrument，PATTI)探討了水損壞條件下瀝青-集料界面間粘附破壞的特征行為；Moraes等[8]利用瀝青張拉粘附強(qiáng)度測試儀評(píng)價(jià)了濕度條件對(duì)于瀝青-集料界面粘附強(qiáng)度的影響規(guī)律；Hossain等[9]利用拉拔試驗(yàn)分析了恒定濕度條件下瀝青膠漿薄膜的力學(xué)失效特征；肖月[10]利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行循環(huán)動(dòng)態(tài)拉伸和靜態(tài)拉伸應(yīng)力加載試驗(yàn)，探討了瀝青、集料、溫度、應(yīng)力加載水平和加載方式等對(duì)瀝青-集料界面間的抗拉破壞強(qiáng)度和抗拉疲勞性能的影響規(guī)律；易軍艷[11]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)自制集料與瀝青的夾層試件的界面粘附性能開展了試驗(yàn)研究，并對(duì)界面疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)估.事實(shí)上，盡管界面表面自由能理論可以有效地判定2種材料之間的粘附性能，但試驗(yàn)過程相對(duì)復(fù)雜，需要專用儀器，同時(shí)測試結(jié)果是一種物理指標(biāo)，無法與界面力學(xué)性能指標(biāo)直接關(guān)聯(lián)，目前大多數(shù)室內(nèi)力學(xué)測試手段主要集中在瀝青-集料界面間的張拉特征分析，而對(duì)于主要導(dǎo)致瀝青混合料界面開裂的壓剪耦合失效斷裂模式未見相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)研究.基于此，本文在研發(fā)壓剪耦合測試加載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過制作瀝青-集料夾層測試試件，從細(xì)觀角度定量感知瀝青-集料界面的應(yīng)力傳荷與粘脫滑移過程，進(jìn)而揭示瀝青-集料界面的壓剪失效斷裂特征，據(jù)此構(gòu)建了瀝青-集料界面的粘脫滑移本構(gòu)模型.研究成果可為瀝青混合料復(fù)雜力學(xué)行為的細(xì)觀分析提供理論支撐，并為混合料結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù).

表1 基質(zhì)瀝青路用性能試驗(yàn)結(jié)果

1 原材料及試件制備

1.1 瀝青

采用鎮(zhèn)海70號(hào)基質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E20—2011)的相關(guān)要求，對(duì)基質(zhì)瀝青的路用性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果如表1所示.分別采用瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFO)和壓力老化試驗(yàn)(PAV)模擬了瀝青的短期老化和長期老化過程，不同瀝青老化狀態(tài)的性能參數(shù)測試結(jié)果如表2所示.

表2 不同老化狀態(tài)下基質(zhì)瀝青的性能參數(shù)

1.2 集料及礦粉

采用的集料由花崗巖軋制而成，其表觀密度為2.765 g/cm3.礦粉采用石灰?guī)r礦粉，基于《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)，其性能指標(biāo)的測試結(jié)果如表3所示.

表3 礦粉性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試件制備

壓剪耦合條件下界面剪切試驗(yàn)采用如圖1所示的“三明治”形狀試件，由直徑為40 mm、高為25 mm的2個(gè)花崗巖石柱，通過瀝青膠漿粘結(jié)而成.集料表面先經(jīng)過30號(hào)粗砂打磨，再用280細(xì)砂拋光，從而達(dá)到試驗(yàn)所需的表面粗糙度.界面層的材料為瀝青膠漿，由瀝青與礦粉按粉膠比0.8制備而成.試件制作過程中，首先將制備好的瀝青膠漿與石柱分別加熱到160 ℃后，使用鐵片蘸取少量膠漿均勻涂抹于2個(gè)石柱拋光表面處，然后迅速將2個(gè)石柱對(duì)中粘合；其次將試件置于材料試驗(yàn)機(jī)中施加0.7 MPa的壓應(yīng)力，作用時(shí)間為2 min，以模擬瀝青混合料實(shí)際成型過程中瀝青與集料的粘結(jié)荷載條件.壓實(shí)過程中將多余的瀝青用刮板和紙巾擦抹掉，以保持試件的整潔.制備得到的試件按編號(hào)放置于整潔的托盤中，于25 ℃環(huán)境下保存.

圖1 瀝青集料界面剪切試件 圖2 瀝青-集料界面測試加載系統(tǒng)

2 測試加載系統(tǒng)及測試條件

2.1 測試加載系統(tǒng)

通過自主設(shè)計(jì)壓剪耦合測試加載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瀝青-集料界面粘脫滑移特征分析.測試加載系統(tǒng)如圖2所示.試件一端固定于夾具內(nèi)部，另外一端置于弧形壓條正下方且端面與涂有凡士林的光滑鋼板接觸.測試過程中，分別由水平和豎向液壓裝置對(duì)試件施加恒定的法向應(yīng)力和一定的剪切荷載，并由傳感器自動(dòng)采集試驗(yàn)測試數(shù)據(jù).

2.2 測試控制條件

為探討粗糙度、瀝青老化程度、荷載速率、溫度及法向應(yīng)力等不同因素對(duì)瀝青-集料界面粘脫滑移破壞全過程的影響規(guī)律，將試驗(yàn)控制條件分為5組，具體如表4所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以界面抗剪強(qiáng)度、界面剪切抑制能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討壓剪耦合條件下瀝青-集料界面的粘脫滑移演變規(guī)律.界面抗剪強(qiáng)度定義為測試峰值荷載與界面面積的比值；界面剪切抑制能定義為位移前8 mm的測試曲線下的面積.

表4 瀝青-集料界面試驗(yàn)控制條件

3.1 集料粗糙度

不同粗糙度條件(5，25，50 μm)下界面的荷載-位移測試曲線及相應(yīng)剪切抑制能的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:粗糙度對(duì)于界面抗剪強(qiáng)度與剪切抑制能有顯著影響；集料表面越粗糙，界面抗剪強(qiáng)度與剪切抑制能就越大，同時(shí)相應(yīng)的殘余應(yīng)力也越大.這是由于當(dāng)集料表面較粗糙時(shí)，其比表面積越大，單位質(zhì)量集料吸附的瀝青膠漿更多，瀝青與集料間的粘結(jié)力更強(qiáng).

圖3 不同粗糙度下界面荷載-位移測試曲線及剪切抑制能

3.2 瀝青老化

不同瀝青老化狀態(tài)(原樣，RTFO，PAV)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應(yīng)剪切抑制能的計(jì)算結(jié)果如圖4所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:瀝青的老化增大了界面的抗剪強(qiáng)度，尤其是短期老化作用表現(xiàn)得最為明顯；相對(duì)于原樣瀝青，經(jīng)過短期老化或長期老化后，界面的剪切抑制能大幅度地降低.測試結(jié)果表明，界面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)雖然在一定程度上能夠評(píng)價(jià)瀝青-集料界面的抗剪強(qiáng)度性能，但不能表征瀝青-集料界面粘脫滑移破壞的演變規(guī)律，分析瀝青-集料界面的抗剪強(qiáng)度變化行為應(yīng)從全過程能量的角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)估.

圖4 不同老化狀態(tài)下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.3 荷載速率

不同荷載速率(2，4，6，8 mm/min)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應(yīng)的剪切抑制能的計(jì)算結(jié)果如圖5所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:界面抗剪強(qiáng)度隨著荷載速率的增大而增大，界面剪切抑制能呈現(xiàn)出線性增加的趨勢；最大抗剪強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的剪切位移隨著荷載速率的增大而減小.荷載速率對(duì)于界面抗剪強(qiáng)度的影響，實(shí)質(zhì)上反映了加載時(shí)間對(duì)界面力學(xué)行為的影響.界面層瀝青膠漿作為一種粘彈性材料，其變形表現(xiàn)出一定的速率依賴性，荷載速率大，時(shí)間就短促，材料變形小，應(yīng)力提高快；相反，荷載速度小，時(shí)間就延長，材料變形大，應(yīng)力提高慢.

圖5 不同荷載速率下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.4 溫度條件

不同溫度條件(15，25，35 ℃)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應(yīng)剪切抑制能的計(jì)算結(jié)果如圖6所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:隨測試溫度的增大，界面抗剪強(qiáng)度與剪切抑制能下降；當(dāng)測試溫度為15 ℃時(shí)，界面的剪切強(qiáng)度和剪切抑制能將近2倍于25 ℃的測試結(jié)果.當(dāng)溫度超過25 ℃之后，抗剪強(qiáng)度與剪切抑制能的變化并不明顯.瀝青作為溫感性材料，其基本的力學(xué)參數(shù)與溫度有著重要的關(guān)系.提高溫度降低了瀝青的粘度，從而導(dǎo)致界面間的粘附作用減小.

圖6 不同溫度條件下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.5 法向應(yīng)力

不同法向應(yīng)力(0.1，0.3，0.5，0.7 MPa)作用下瀝青-集料界面的荷載-位移曲線及相應(yīng)剪切抑制能的計(jì)算結(jié)果如圖7所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:法向應(yīng)力水平是影響瀝青-集料界面粘脫滑移抗剪特性的重要影響因素，法向應(yīng)力越大，界面的抗剪強(qiáng)度就越高，界面剪切抑制能越大；當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí)，峰值后曲線下降的趨勢總體上更為平緩.分析表明，雖然重載交通在一定程度上增大了瀝青路面破損的可能性，但由于較高法向應(yīng)力的作用，提升了瀝青-集料界面的抵抗剪切變形能力.

圖7 界面剪切荷載-位移曲線及剪切抑制能

圖8 瀝青-集料界面粘脫滑移本構(gòu)模型

4 瀝青-集料界面粘脫滑移本構(gòu)模型

4.1 多折線粘脫滑移本構(gòu)模型

(1)

4.2 模型參數(shù)標(biāo)定及分析

4.3 影響因素敏感性分析

為了探討影響瀝青-集料界面粘脫滑移特性的主要因素，對(duì)各影響因素進(jìn)行了敏感性分析，引入標(biāo)準(zhǔn)測試條件、抗剪強(qiáng)度比和殘余剪切位移比的概念.其中，標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：粗糙度為5μm、瀝青為原樣瀝青、法向應(yīng)力為0.1MPa、荷載速率為4mm/min、溫度為25 ℃；抗剪強(qiáng)度比為界面剪切強(qiáng)度除以標(biāo)準(zhǔn)條件下的界面剪切強(qiáng)度；殘余剪切位移比為殘余剪切位移除以標(biāo)準(zhǔn)條件下的殘余剪切位移.圖10和圖11分別給出了不同影響因素下抗剪強(qiáng)度比與殘余剪切位移比的計(jì)算結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示不同測試條件下的變量數(shù).

圖9 不同條件下的界面模型參數(shù)

變量數(shù)圖10 不同條件下的界面剪切強(qiáng)度比

由分析可知:粗糙度、法向應(yīng)力和荷載速率與抗剪強(qiáng)度比呈正相關(guān)，而測試溫度與抗剪強(qiáng)度比呈負(fù)相關(guān)；界面粗糙度是影響抗剪強(qiáng)度比的最顯著指標(biāo)；在5類影響因素中，法向應(yīng)力對(duì)于殘余剪切位移比的影響最大；增大荷載速率或者提高溫度能夠減少抗剪強(qiáng)度比；雖然瀝青老化對(duì)于2個(gè)指標(biāo)的影響不是最顯著的，但會(huì)影響瀝青混合料界面性能的劣化程度；過度老化能夠降低界面抗剪強(qiáng)度比；隨著瀝青老化程度的增加，殘余剪切位移比呈現(xiàn)一致的下降趨勢.

變量數(shù)圖11 不同條件下的界面殘余剪切位移比

5 結(jié) 論

本文研究了壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移剪切特征行為，對(duì)瀝青混合料界面的抗剪強(qiáng)度和斷裂全過程進(jìn)行分析.基于界面應(yīng)力變化特征，建立了瀝青-集料界面粘脫滑移本構(gòu)模型，主要結(jié)論如下：

1)界面抗剪強(qiáng)度作為一個(gè)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，能夠評(píng)估界面在臨界破壞狀態(tài)的單點(diǎn)應(yīng)力值.而界面剪切抑制能從能量的角度評(píng)估瀝青-集料界面粘脫滑移全過程的變化規(guī)律，為瀝青-集料界面力學(xué)分析提供新視角.

2)粗糙度和法向應(yīng)力的增大能夠增加瀝青與集料間的接觸面積，進(jìn)而提升粘結(jié)力，提升瀝青-集料界面的抗剪強(qiáng)度和剪切抑制能.

3)瀝青老化對(duì)于瀝青-集料界面的粘脫滑移力學(xué)特征的影響相對(duì)比較復(fù)雜.無論是短期老化還是長期老化都能夠提升界面的抗剪強(qiáng)度.然而，老化影響瀝青-集料界面性能的劣化過程，降低了界面的剪切抑制能，從而導(dǎo)致瀝青-集料界面更容易發(fā)生破壞.因此，有必要對(duì)瀝青混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中影響瀝青老化的因素進(jìn)行控制.

4)本文提出的基于瀝青-集料界面粘脫滑移本構(gòu)模型，能夠表征壓剪耦合作用下界面應(yīng)力變化的三階段變化特征.該模型為瀝青-集料界面損傷失效特征研究及瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)數(shù)值分析提供支撐.

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(責(zé)任編輯 陶立方)

Study on bond-slip characteristic behavior of asphalt-aggregate interface under coupled compression-shear

QIU Xin1, XIAO Shanglin1, YANG Qing1, TAO Jueqiang1, LIU Zhiwu2

(1.CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.CollegeofArchitecturalEngineering,JinhuaPolytechnic,Jinhua321000,China)

In order to investigate the failure mechanism of the asphalt-aggregate interface under the coupled compression-shear action, the shear tests were conducted to quantify the interface stress transfer and bond-slip process by taking into account the effects of surface roughness, asphalt binder aging, temperature, loading rate, etc. In addition, an interface bond-slip constitutive model was established in accordance to the experimental analysis. The results indicated that the increase of surface roughness, normal stress and loading rate could result in higher interface shear strength and shear resistance energies. Although asphalt binder aging could increase the interface shear strength, it imposed an adverse impact on the interface shear resistance energy. The interface bond-slip constitutive model could represent a three-stage evolution process of the asphalt-aggregate interface shear failure. The findings would throw a light on the meso-mechanical analysis of asphalt mixtures, and provide scientific support for the optimization design of structure parameters of the mixtures.

asphalt-aggregate interface; bond-slip; coupled compression-shear; constitute model

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.014

2016-07-02；

2016-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408550)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LQ14E080006)

邱 欣(1978-)，男，遼寧鞍山人，副教授，博士.研究方向：道路與材料工程.

U414

A

1001-5051(2017)01-0091-08