加熱碎石封層對瀝青路面層間抗剪性能的影響

劉圣潔　趙之仲　李曉波　隋明言　王曉銘　劉桂強(qiáng)　趙瑜隆

摘要：為提升瀝青路面層間的抗剪性能，延長瀝青路面使用壽命，以瀝青路面碎石封層為研究對象，采用AC-20瀝青混合料與水泥穩(wěn)定碎石混合料成型復(fù)合試件，采用剪切儀進(jìn)行層間抗剪強(qiáng)度和層間剪切疲勞試驗(yàn)，分析在攤鋪瀝青面層時(shí)加熱碎石封層對瀝青路面層間剪切疲勞性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：碎石封層經(jīng)過加熱的復(fù)合試件的抗剪強(qiáng)度、破壞位移、疲勞壽命分別增大約36%、26%、118%，加熱碎石封層有利于提高瀝青路面層間整體性能，延長瀝青路面壽命；隨應(yīng)力比的增大，復(fù)合試件的剪切疲勞壽命急劇降低，道路運(yùn)營時(shí)應(yīng)控制通行車輛的超載情況。

關(guān)鍵詞：碎石封層；復(fù)合試件；抗剪強(qiáng)度；抗剪壽命

中圖分類號：U416.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2023）02-0075-06

引用格式：劉圣潔，趙之仲，李曉波，等.加熱碎石封層對瀝青路面層間抗剪性能的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（2）：75-80.

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0 引言

瀝青路面層間結(jié)合質(zhì)量是影響瀝青路面壽命的主要因素之一[1-2]，合理的層間處治措施不僅能提高瀝青路面層間的黏結(jié)力，減少層間滑移與反射裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，還可減少水損壞現(xiàn)象的發(fā)生，對提高瀝青路面的使用壽命、節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等均有重要意義[3-5]。部分學(xué)者認(rèn)為瀝青面層的層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)是完全連續(xù)的，也有學(xué)者認(rèn)為是完全滑動(dòng)的[6-7]。目前較一致的結(jié)論是若路面較厚，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按層間連續(xù)狀態(tài)計(jì)算，保證各層緊密結(jié)合；需考慮瀝青層與半剛性基層間的移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可針對具體情況選定層間結(jié)合因數(shù)或摩擦因數(shù)計(jì)算[8-10]。各研究對層間摩阻力的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)未給出明確答案[11-12]。因此，有必要選擇較先進(jìn)的試驗(yàn)方法分析瀝青路面的層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)。

路面層間摩擦因數(shù)與傳統(tǒng)致密材料間的摩擦因數(shù)意義不同，后者是指2個(gè)物體接觸面間的摩擦力和作用在其中1個(gè)物體表面上的垂直力之比[13-14]，而產(chǎn)生層間摩擦因數(shù)的接觸面由瀝青、碎石封層及水泥穩(wěn)定碎石形成，摩擦力源于瀝青的黏結(jié)力和碎石相對移動(dòng)而產(chǎn)生的抗剪切力[15-16]。

提高瀝青路面層間結(jié)合質(zhì)量的關(guān)鍵是提高層間的結(jié)合強(qiáng)度和層間的摩擦性能。主要從理論和試驗(yàn)2個(gè)方面研究層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)。在理論研究中，學(xué)者們多采用有限元或離散元對層間界面進(jìn)行仿真[17-19]，咼潤華等[20]采用軟件ABAQUS實(shí)現(xiàn)路面的三維建模，分析不同的層間接觸狀態(tài)對路面力學(xué)性能的影響，并建立考慮層間接觸狀態(tài)的疲勞性能預(yù)估模型，但缺乏實(shí)踐驗(yàn)證。在室內(nèi)試驗(yàn)分析中，石長洪等[21]設(shè)計(jì)30種層間處治方案，在試驗(yàn)段鋪筑路面后鉆芯取樣獲得層間試件，并進(jìn)行直剪試驗(yàn)和應(yīng)力消散試驗(yàn)，結(jié)果表明：應(yīng)力消散能與直剪試驗(yàn)的黏結(jié)強(qiáng)度相關(guān)性較高，應(yīng)力消散試驗(yàn)可作為層間黏結(jié)性能測試的1種試驗(yàn)方法。邸洪江等[22]設(shè)計(jì)不同配比的層間黏結(jié)材料，并進(jìn)行抗剪強(qiáng)度和抗拔強(qiáng)度測試，分析溫度對層間強(qiáng)度的影響規(guī)律，為不同環(huán)境下層間黏結(jié)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。各研究中試件結(jié)構(gòu)的加載狀態(tài)與路面實(shí)際受力狀態(tài)存在偏差，且未分析后續(xù)的層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)破壞規(guī)律[23]。因此，有必要優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)程，分析層間聯(lián)結(jié)產(chǎn)生抗剪強(qiáng)度的機(jī)理，確定層間聯(lián)接強(qiáng)度的指標(biāo)和變化規(guī)律。

本試驗(yàn)研究采取有效提高層間摩擦因數(shù)和層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的技術(shù)制備瀝青混合料，采用材料試驗(yàn)系統(tǒng)（material test system，MTS）模擬路面結(jié)構(gòu)層層間豎向受力狀態(tài)，測試抗剪強(qiáng)度和剪切疲勞壽命，分析加熱碎石封層對瀝青路面層間最大抗剪力、層間破壞位移、疲勞壽命的影響。

1 混合料配合比設(shè)計(jì)

采用AC-20瀝青混合料與水泥穩(wěn)定碎石混合料成型復(fù)合試件。AC-20瀝青混合料采用>11～22 mm、>6～11 mm、>3～6 mm、0～3 mm等4檔石料進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)，通過調(diào)整確定合成級配，如表1所示。AC-20瀝青混合料的最佳油石比為4.3%。水泥穩(wěn)定碎石混合料采用>20～40mm、>10～20mm、>5～10mm、0～5mm 等4檔石料進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)，經(jīng)調(diào)整確定最佳合成級配，如表2所示。水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量為5.8%，最大干密度為2.268 g/cm3，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

2 復(fù)合試件制備及試驗(yàn)方法

2.1 復(fù)合試件制備

為制備與路面實(shí)際情況相符的復(fù)合試件，按照與施工現(xiàn)場一致的操作順序制備復(fù)合試件，最后用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型復(fù)合試件。復(fù)合試件分為3部分：上部為AC-20瀝青面層，下部為水泥穩(wěn)定碎石基層，中間為碎石封層。

復(fù)合試件制備流程為：根據(jù)文獻(xiàn)[24]，采用靜壓法制備Φ150 mm×60 mm的圓柱形水泥穩(wěn)定碎石試件，依據(jù)施工現(xiàn)場乳化瀝青使用量對其表面進(jìn)行均勻噴灑；將噴灑乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石試件放入包裝袋中，封袋扎牢，放入養(yǎng)護(hù)間養(yǎng)護(hù)7 d，此試件不進(jìn)行抗剪強(qiáng)度檢測，養(yǎng)護(hù)最后1 d不做浸水處理；水泥穩(wěn)定碎石試件養(yǎng)護(hù)7 d后，用刷子在試件表面涂刷熱的基質(zhì)瀝青，用量為0.9 kg/m2，涂刷后立刻撒布預(yù)拌碎石，用量為6 kg/m2，并進(jìn)行碾壓，制備半剛性基層；將半剛性基層放入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀試模內(nèi)，將試模放入烘箱烘烤至130 ℃后備用；計(jì)算制備AC-20瀝青面層試件所需瀝青混合料的質(zhì)量，將稱好的瀝青混合料置于烘箱加熱至170 ℃預(yù)留；將半剛性基層等分為2組進(jìn)行對照觀察，每組成型2個(gè)試件，1組放入烘箱內(nèi)，將半剛性基層烘至130 ℃，另1組置于室溫（20±1）℃下，不經(jīng)過加熱；用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀將瀝青混合料與2種半剛性基層分別碾壓成型為2種復(fù)合試件。

2.2 試驗(yàn)方法

剪切儀如圖1所示。將剪切儀的底板通過立柱連接在MTS上，固定擋板提供橫向約束力；通過前后調(diào)節(jié)移動(dòng)擋板改變橫向約束力；壓頭與MTS和移動(dòng)剪切環(huán)連接，施加上下往復(fù)的豎向力；采用輪輻式傳感器測量橫向約束力；將剪切環(huán)固定在底板上，將復(fù)合試件的一半放置在底板上，固定剪切環(huán)與移動(dòng)剪切環(huán)一起形成豎向剪切力；移動(dòng)剪切環(huán)可上下自由移動(dòng)，將豎向應(yīng)力傳至試件，在復(fù)合試件的碎石封層處，移動(dòng)剪切環(huán)與固定剪切環(huán)共同作用形成剪切力。

對2種復(fù)合試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)。設(shè)置加載速率為0.1 mm/s，記錄垂直壓力及對應(yīng)垂直位移，至復(fù)合試件破壞時(shí)停止加載，確定最大剪應(yīng)力和相對位移。

對2種復(fù)合試件進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)。取疲勞荷載與最大剪應(yīng)力之比分別為0.07、0.05、0.03，加載頻率為2 Hz，加載曲線為正弦波形，至直剪試驗(yàn)最大剪應(yīng)力對應(yīng)位移時(shí)停止加載，確定疲勞破壞次數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 加熱碎石封層對復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度的影響

將2種復(fù)合試件分別安裝在剪切儀上，采用MTS以0.1 mm/s的加載速率進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪應(yīng)力隨剪切位移的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知：2種復(fù)合試件的剪應(yīng)力均先隨剪切位移的增大而增大，當(dāng)剪切位移增大到一定程度時(shí)達(dá)到最大剪應(yīng)力，然后剪應(yīng)力隨剪切位移的繼續(xù)增大而減小并趨于穩(wěn)定。

與碎石封層未經(jīng)過加熱的復(fù)合試件相比，碎石封層經(jīng)過加熱后，復(fù)合試件的抗剪強(qiáng)度和最大剪應(yīng)力對應(yīng)的滑動(dòng)距離均較大。原因是碎石封層經(jīng)過加熱后，基質(zhì)瀝青因溫度升高而黏附在半剛性基層和碎石表面，復(fù)合試件層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較高，結(jié)合更緊密，層間的抗滑性能顯著提升。在壓力作用下，鋪筑瀝青面層時(shí)熱的碎石封層更易嵌入瀝青混合料中，碎石封層與瀝青面層結(jié)合更緊密，層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度提高。

3.2 加熱碎石封層對復(fù)合試件剪切疲勞壽命的影響

在直剪試驗(yàn)中，碎石封層加熱后復(fù)合試件的最大剪應(yīng)力為0.76 MPa，對應(yīng)剪切位移為1.71 mm，未加熱碎石封層試件的最大剪應(yīng)力為0.53 MPa，對應(yīng)剪切位移為1.36 mm。對2種復(fù)合試件進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)。取疲勞荷載與最大剪應(yīng)力之比分別為0.07、0.05、0.03，采用正弦波形加載，加載頻率為2 Hz，當(dāng)剪切位移達(dá)到復(fù)合試件直剪試驗(yàn)中最大剪應(yīng)力對應(yīng)位移時(shí)，視為復(fù)合試件已破壞，立即停止加載，確定加載次數(shù)。剪切位移隨加載次數(shù)的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知2種復(fù)合試件的衰變大致分為3個(gè)階段：第1階段，在剪應(yīng)力作用下，瀝青受剪變形，剪切位移隨加載次數(shù)的增加而迅速增大；第2階段，封層中的碎石在封層瀝青和AC-20瀝青混合料中移位并重新分布，剪應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)剪切位移增大到一定程度時(shí)，封層中碎石重新定位，封層相對于水泥穩(wěn)定基層開始整體滑移，此時(shí)達(dá)到最大剪應(yīng)力，對應(yīng)圖3曲線上拐點(diǎn)位置，剪切位移隨加載次數(shù)的增加達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)；第3階段，復(fù)合試件整體滑移后，主要由碎石封層與水泥穩(wěn)定基層的摩擦力和瀝青與碎石封層的黏結(jié)力抵抗剪應(yīng)力，抗剪強(qiáng)度較低，在剪應(yīng)力作用下剪切位移迅速增大，剪切位移隨加載次數(shù)的增加而急劇增大，直至復(fù)合試件破壞。

2種復(fù)合試件的疲勞壽命不同，但由圖3可知拐點(diǎn)對應(yīng)剪切位移與最大剪應(yīng)力對應(yīng)位移相近，符合疲勞破壞規(guī)律。疲勞荷載與最大剪應(yīng)力的應(yīng)力比與加載次數(shù)的關(guān)系如表3所示。

由表3可知：碎石封層經(jīng)過加熱的復(fù)合試件疲勞壽命明顯比碎石封層未加熱的復(fù)合試件長，說明碎石封層經(jīng)過加熱后層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)較好，抗剪強(qiáng)度較高。隨應(yīng)力比的增大，復(fù)合試件的疲勞壽命急劇減小，應(yīng)力比為0.03時(shí)復(fù)合試件的疲勞壽命是應(yīng)力比為0.05時(shí)的3～4倍，是應(yīng)力比為0.07時(shí)的26～31倍。因此，在公路運(yùn)營階段，應(yīng)盡量減少超載情況，減小層間水平剪應(yīng)力，延長公路的使用壽命。

4 結(jié)論

1）對由AC-20瀝青混合料與水泥穩(wěn)定碎石成型的復(fù)合試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)，碎石封層經(jīng)過加熱和碎石封層未加熱的復(fù)合試件剪應(yīng)力均隨剪切位移的增大而增大，當(dāng)達(dá)到最大剪應(yīng)力時(shí)，瀝青面層與碎石封層的聯(lián)結(jié)面逐漸移動(dòng)，剪應(yīng)力逐漸變小并趨于穩(wěn)定。碎石封層經(jīng)過加熱的復(fù)合試件抗剪強(qiáng)度和最大滑動(dòng)距離均比碎石封層未加熱的復(fù)合試件高，說明攤鋪瀝青面層時(shí)，加熱碎石封層使復(fù)合試件層間聯(lián)結(jié)狀態(tài)較好。

2）對復(fù)合試件進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)，隨疲勞荷載與最大剪應(yīng)力的應(yīng)力比增大，復(fù)合試件的疲勞壽命急劇降低，說明水平剪應(yīng)力對道路的使用壽命影響較大。在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，保證道路層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在公路運(yùn)營階段嚴(yán)格限制超載，減小道路層間水平剪切應(yīng)力，延長道路的使用壽命。

本文只對比碎石封層加熱到130 ℃和碎石封層不加熱時(shí)復(fù)合試件的抗剪性能，加熱到其他溫度對復(fù)合試件層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的影響還有待研究。

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Influence of heating crushed stone seal on shear fatigue performance of

asphalt pavement structure interfaces

LIU Shengjie1， ZHAO Zhizhong1， LI Xiaobo2， SUI Mingyan1，

WANG Xiaoming1， LIU Guiqiang3， ZHAO Yulong1

1.School of Transportation and Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China;

2.Jining Highway Administration Bureau Weishan Highway Bureau，Jining 277600， China；

3.China Railway No.10 Engineering Group Co.， Ltd.， Jinan 250100， China

Abstract：In order to improve the shear performance between the layers of asphalt pavement and prolong the service life of asphalt pavement， taking the crushed stone seal of asphalt pavement as the research object， AC-20 asphalt mixture and cement stabilized macadam mixture are used to form the composite specimens.Theinterlayer shear strength and shear fatigue tests are carried out by the shear apparatus and the influence of heated crushed stone seal on the interlayer shear fatigue performance of asphalt pavement is analyzed. The test results show that the shear strength， failure displacement and fatigue life of the heated composite specimen of the crushed stone seal increased by about 36%， 26% and 118%， respectively. The heated crushed stone seal is beneficial to improve the overall performance of the asphalt pavement interlayer and prolong the service life of the asphalt pavement. The shear fatigue life decreases sharply with the increase of the stress ratio and the overload of vehicles should be controlled during road operation.

Keywords：crushed stone seal; composite specimen; shear strength; shear life

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2022-07-21

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB1600103）；山東省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018B02-01，2020B93）；山東交通學(xué)院2022年研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2022YK024）

第一作者簡介：劉圣潔（1997—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻煌ɑA(chǔ)設(shè)施建設(shè)，E-mail：liushengjie97@126.com。

*通信作者簡介：趙之仲（1978—），男，山東德州人，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槁坊访婀こ獭IM技術(shù)等，E-mail：zhaozhizhong@sdjtu.edu.cn。