基于多角度斜剪試驗的橋面鋪裝抗剪性能

胡 濤， 資建民， 金思佳

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

橋面鋪裝直接承受車輛荷載作用并受到溫度和雨水等外界因素的浸蝕，橋面鋪裝相對于普通路面結構較為薄弱，比起普通路基路面，橋面上瀝青混凝土鋪裝層的各種損害更為嚴重。因此在橋面鋪裝的結構和材料設計方面提出了一系列優(yōu)化措施，比如采用合理面層厚度、改良鋪裝層材料、改善施工工藝、選用粘結層材料等等[1～5]。

分析現有的橋面鋪裝破壞情況可知，大多數破壞為鋪裝層表面的裂縫、擁包、推移等與界面層功能失效有關的病害。歸根究底，還是水泥混凝土板和瀝青鋪裝層之間抗剪切破壞能力不足引起的。當車輛在縱坡較大的橋面上行駛并且頻繁啟動、制動時，會引起水平力的作用，使得瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土橋面板之間產生剪應力，當層間的粘結強度不足以抵抗這種剪應力時，粘結層逐漸失效，就會引起層間的相對位移及剪切破壞，對行車安全產生威脅。而有關研究發(fā)現層間的粘結強度與所受荷載、溫度、水、透層油、層間條件、鋪裝材料等有關[1,6～12]，這些因素直接影響著路面使用壽命。

文獻[7，9]分別從鋪裝材料、透層油因素進行了層間抗剪試驗。而文獻[10，13]分別進行了復合式路面結構和無正壓力下的瀝青路面層間剪切疲勞試驗。根據層間粘結條件的不同，長安大學劉濤采用層狀線性彈性程序計算研究了路面結構。計算結果顯示，當基層與粘結層的接觸狀態(tài)不佳時，路面結構的使用壽命最多將減少80%[14]。而這些文獻一般采用拉拔試驗、直剪試驗或者垂直斜剪試驗來進行測試[6～15]，與實際路面受力狀態(tài)不符，無法直接反映車輛在橋面行駛過程中的普通制動狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)及最不利制動狀態(tài)時層間受力狀態(tài)。

在武漢各大長江大橋的調查中顯示，白沙洲大橋、天興洲大橋以及陽邏長江大橋均采用環(huán)氧瀝青鋪筑；長江二橋采用鋼纖維增強特種混凝土材料；而軍山長江大橋采用”橡膠環(huán)氧砂漿+雙層SMA”鋼橋面鋪裝結構形式。但是，現有橋面鋪裝病害跟蹤調查結果并不樂觀，特別是在重載車輛占比較多的外環(huán)線橋面鋪裝中。其中一個主要原因是現有層間粘結檢測方法和指標無法真實反映層間疲勞失效的受力狀態(tài)。

本文結合橋面鋪裝病害資料和現場調查，歸納橋面鋪裝粘結層的破壞失效機理，通過室內多角度斜剪實驗的結果，能夠真實反映橋面鋪裝粘結層抵抗破壞變形能力，這對橋面鋪裝粘結層的施工及質量控制具有指導意義，也對延長橋面使用壽命，規(guī)避病害的產生具有重要的作用。

1 試驗方案

瀝青混凝土面層中采用的瀝青為A級70#道路石油瀝青，粘結層材料為SBS改性瀝青，根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中的試驗方法及本地區(qū)實際情況，AC-13瀝青混合料的油石比取5.1%，即含油量4.8%。

2 試驗方案設計

圖1 試件結構/cm

剪切時，采用30°，40°，45°作為剪切角。表面水平力系數取0.75，即車輛處于下坡路段緊急剎車的最不利制動狀態(tài)時，層間正應力與層間剪應力之比接近1∶1，因此試驗中可采用45°剪切角對應這種最不利制動狀態(tài)。此外根據現有的相關研究，在車輛緊急制動時，水平力約為垂直力的0.5倍，以此為標準，斜剪試驗采用30°剪切角對應一般情況下車輛的行駛狀態(tài)是適宜的。為使試驗結果更加全面，取45°與30°之間的40°作為剪切角度之一。

測試裝置組合示意圖如圖2：

圖2 測試裝置組合的平面示意

3 試驗結果分析

采用25℃和60℃作為剪切溫度，分別在室溫以及保溫箱穩(wěn)定在60℃環(huán)境下進行剪切試驗。開啟剪切儀和數據傳導裝置，調整好位移計的位置，分別調整夾具的傾斜角至30°，40°，45°，以50 mm/min的速率進行剪切，直到試件發(fā)生破壞為止。得到如表1所示試驗結果。

表1 斜剪試驗結果

在多角度斜剪試驗中，由于受剪平面與水平面存在夾角α，實際上試件的層間抗剪強度τ和最大正應力σ由壓應力的峰值分解得到，如圖3所示。

圖3 多角度剪切試驗試件受力示意

其中：

(1)

(2)

式中：σ為正應力(MPa)；τ為層間抗剪強度(MPa)；P為荷載峰值(N)；A為受力面積(mm2)。

根據上述公式對表1中的試驗結果進行處理，每組數據取平均值，得到各工況下的層間抗剪強度評價結果以及對應的正應力，如表2，3。

表2 25℃下的層間抗剪強度與正應力 Mpa

表3 60℃下的層間抗剪強度與正應力 Mpa

3.1 層間抗剪強度與正應力之間的關系

將25℃時各角度下試件的抗剪強度與破壞時的正應力之間關系通過圖4的曲線圖進行描述。

圖4 25℃時抗剪強度-正應力關系曲線

通過兩者的關系曲線可以看出，層間抗剪強度與正應力之間存在良好的線性關系，符合摩爾-庫倫理論中對于抗剪強度與正應力之間關系的描述，其中：

τ=c+σztanφ

(3)

式中：c為粘結層材料的粘聚力；φ為粘結層材料的內摩擦角；σZ為破壞時的法向正應力

因此，根據抗剪強度-正應力關系曲線可以得出在25℃時：

τ=0.450σ+0.244

(4)

此時，c=0.244，φ=24.2°。當鋪裝條件與外界環(huán)境不變時，抗剪強度值會隨著正應力的增加而增加。

分析60℃時抗剪強度與正應力之間的關系，得到關系曲線如圖5。根據關系曲線可知，60℃時，兩者之間仍然存在線性關系，其函數關系為：

τ=0.541σ+0.040

(5)

此時，c=0.040，φ=28.4°。

圖5 60℃時抗剪強度-正應力關系曲線

層間抗剪強度與正應力的這種關系進一步地說明，在相同鋪裝結構下，同樣載重車輛經過的橋面坡度越大，且制動條件越不利時，橋面鋪裝層受到的法向正應力越小，層間抗剪強度隨之減小。若此時發(fā)生緊急制動，水平作用力突然增大，層間抗剪強度難以承受因此產生的較大剪應力從而極易發(fā)生層間剪切破壞，因此在進行橋面鋪裝結構設計時，需要充分考慮重載車輛的最不利情況(鋪裝層最大坡度和完全制動的組合)。

3.2 層間抗剪強度與溫度之間的關系

為了分析溫度對層間抗剪強度產生的影響，將不同剪切角度下25℃和60℃時的層間抗剪強度進行比較(圖6)。當溫度從25℃升到60℃時，層間抗剪強度產生了大幅度的減小。其中在40°剪切時，抗剪強度甚至降低到25℃時的16%。將兩種溫度下的抗剪強度-正應力曲線放在一起進行比較(圖7)，以分析當溫度改變時，層間抗剪強度對于正應力的響應。

圖6 不同剪切角度下25℃和60℃的抗剪強度

圖7 兩種溫度下抗剪強度-正應力關系曲線

對比兩種溫度下的抗剪強度-正應力關系曲線，根據式(4)，(5)中的計算結果可知，當溫度升高時，相比φ值較為微小的增加，c值則明顯的減小。這表明在高溫條件下，粘結層材料的粘聚力減弱明顯，進而引起粘結層抗剪強度在正應力較低情況下的明顯降低。此時，非重型車輛荷載的作用亦可導致層間剪應力大于抗剪強度而出現剪切破壞，這也是粘結層的剪切失效大多發(fā)生在夏季高溫天氣的原因之一。

4 總 結

本文通過模擬橋面鋪裝層間的不同受力狀態(tài)，選擇多角度斜剪試驗對層間粘結強度進行評價。為了反映車輛在橋面行駛過程中的普通制動狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)及最不利制動狀態(tài)，分別選擇30°，40°及45°剪切角進行剪切實驗。此外，考慮夏季高溫天氣，采用25℃和60℃兩種實驗溫度。對實驗結果從層間抗剪強度角度進行層間粘結強度的評價，主要得出以下結論：

(1)同一試驗溫度下，層間抗剪強度與法向正應力存在線性相關性，符合摩爾-庫倫理論中對于抗剪強度與正應力之間關系的描述，即τ=c+σztanφ。

(2)在六種方案中，試驗溫度為25℃，剪切角度為30°時的層間粘結強度最高。層間粘結強度存在著隨試驗溫度的升高而減小，隨剪切角度的減小而增大的變化趨勢。

(3)層間抗剪強度與正應力的這種關系進一步地說明，在相同鋪裝結構下，同樣載重車輛經過的橋面坡度越大，且制動條件越不利時，橋面鋪裝層受到的法向正應力越小，層間抗剪強度隨之減小。若此時發(fā)生緊急制動，水平作用力突然增大，層間抗剪強度難以承受因此產生的較大剪應力從而極易發(fā)生層間剪切破壞，因此在進行橋面鋪裝結構設計時，需要充分考慮重載車輛的最不利情況(鋪裝層最大坡度和完全制動的組合)。

(4)當溫度升高至60℃時，同一剪切角度下的層間抗剪強度將發(fā)生不同程度的減小。其中30°剪切時抗剪強度的降低較小，45°及40°剪切時抗剪強度的降低較大，40°剪切時甚至減小到常溫下的16%。此外，從兩種溫度下的層間抗剪強度-正應力曲線中可以看出，溫度升高時，粘結層材料的粘聚力下降，這也是引起層間抗剪強度下降的主要原因之一。