UHPC-AC復(fù)合路面瀝青層剪應(yīng)力試驗研究

聶憶華,鐘世雄,毛 惺,劉福財,肖 敏

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.廣東蓋特奇新材料科技有限公司,廣東 清遠 511600)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC),以超高強度、韌性和耐久性為特征,成為實現(xiàn)水泥基材料性能大跨越的新體系[1,2]。UHPC因其高成本,目前主要用于輕型混凝土結(jié)構(gòu)或加固工程中,而道路工程結(jié)構(gòu)中僅在鋼橋面鋪裝瀝青路面有成功應(yīng)用[3,4]。UHPC-AC復(fù)合路面結(jié)構(gòu)是將UHPC的超高性能與瀝青混凝土 (asphalt concrete,AC)行車舒適性相結(jié)合的一種新型復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),UHPC作為下面層主要起承重作用,表面AC層則作為功能層。該結(jié)構(gòu)整體強度高、壽命長、厚度薄、施工快,將是高等級道路路面結(jié)構(gòu)發(fā)展方向之一。復(fù)合路面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵破壞之一是瀝青層剪切破壞,然而目前有關(guān)復(fù)合路面剪應(yīng)力研究尚不多。

劉朝暉等[5-6]研究了CRC-AC連續(xù)配筋混凝土與瀝青混凝土復(fù)合式路面,用Bisar3.0軟件對標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下該復(fù)合式路面的剪應(yīng)力進行了計算分析,研發(fā)了一套CRC-AC室內(nèi)壓剪試驗裝置及方法。申愛琴、王選倉等[7-8]開展了普通水泥混凝土下面層加鋪瀝青混凝土長壽命路面結(jié)構(gòu)探索,利用路面層間材料多功能剪切儀,特別就層間不同接觸狀態(tài)及路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對路面剪應(yīng)力的影響規(guī)律進行了深入研究。李嘉等[4,9]研究鋼橋面瀝青磨耗層與UHPC層間抗剪性能,基于剪切破壞能量分析原理,提出剪切斷裂能計算方法。以上成果為UHPC-AC新型復(fù)合路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力研究提供了借鑒經(jīng)驗。

聶憶華等[10-11]初步研究了半剛性基層UHPC-AC復(fù)合路面結(jié)構(gòu)中瀝青層剪應(yīng)力的變化規(guī)律及瀝青層剪應(yīng)力的影響因素,提出了瀝青層最大剪應(yīng)力與各結(jié)構(gòu)層厚度、模量的多元線性回歸方程。本研究在此基礎(chǔ)上進一步考慮水平力系數(shù)、層間結(jié)合狀態(tài)等參數(shù),分析UHPC-AC新型復(fù)合路面結(jié)構(gòu)瀝青層最大剪應(yīng)力的分布規(guī)律、影響因素,并進行UHPC-AC層間以及瀝青混合料60℃剪切強度試驗研究與瀝青層剪應(yīng)力指標(biāo)校核。

1 分析模型

研究對象半剛性基層UHPC-AC復(fù)合路面結(jié)構(gòu)可簡化為圖1(a)所示雙圓均布復(fù)合負載(包括垂直、單向水平荷載)作用下N=5層彈性連續(xù)-半結(jié)合體系。結(jié)構(gòu)層從上到下依次為:瀝青混凝土面層、UHPC下面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、水泥穩(wěn)定土底基層、路面基礎(chǔ)。表1給出了該體系各層材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 半剛性基層UHPC-AC復(fù)合路面結(jié)構(gòu)計算模型

采用Bisar3.0進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移計算[12]。如圖1(a)所示,X為道路橫斷面方向,Y為行車方向,Z為道路深度方向。路表垂直荷載采用軸重為100 kN的單軸-雙輪組[13],荷載計算參數(shù)見表2。單向水平荷載集度系數(shù)即水平力系數(shù)f對于一般路段車行道考慮車輛緊急制動按0.5取值,交叉口等路段考慮緩慢制動按0.2取值[14],故表2中f取值范圍設(shè)置為0～0.7即0、0.1、0.3、0.5、0.7?？紤]到路面結(jié)構(gòu)和荷載的對稱性,僅選左輪側(cè)AC面層點位進行計算。在Z方向選取距路表0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm五個深度的計算面,各平面如圖1(b)按X、Y方向間隔0.5δ取49個計算點位。

表2 荷載計算參數(shù)

Bisar 3.0程序采用各單圓復(fù)合荷載在計算點處產(chǎn)生的柱坐標(biāo)中應(yīng)力和位移分量計算多圓(2個)復(fù)合荷載作用下計算點處產(chǎn)生的公共直角坐標(biāo)中總應(yīng)力和總位移分量[15]。該體系各荷載圓在其局部柱坐標(biāo)中邊界條件如下:

(1) 表面應(yīng)力邊界條件(z=0)

(1)

式中:在rθz圓柱坐標(biāo)下,τzr1為徑向剪應(yīng)力;τzθ1為切向剪應(yīng)力;σz1為正應(yīng)力,應(yīng)力符號的下標(biāo)1表示應(yīng)力處于N層彈性體系的第一層;p為水平荷載集度;q為垂直荷載集度;δ為荷載圓半徑。

(2)層間結(jié)合條件(z=zi)

(2)

式中:應(yīng)力或位移分量的下標(biāo)i或i+1表示該應(yīng)力或位移分量位于N層彈性體系的第i層或第i+1層(i=1,2,3,4);w為垂直位移,u和v為水平位移;Aki為第i層與第i+1層間彈性柔量系數(shù),即層間相對位移與界面剪切力的比值,為層間抗剪彈性模量G的倒數(shù)[15]。

定解條件:當(dāng)z趨向為無窮大時,所有的應(yīng)力和位移分量均趨于零。

(3)

式中:di為層間摩擦參數(shù);Ei和μi分別為i層的彈性模量和泊松比;Alki為簡化彈性柔量系數(shù)。

層間摩擦參數(shù)di的取值范圍為0～1:di=0時,摩擦力最大;di=1時,摩擦力為零。Bisar 3.0采用Aki或者簡化彈性柔量系數(shù)Alki表征各結(jié)構(gòu)層間的結(jié)合狀態(tài)[16-17]。由式(3)可見:當(dāng)Alki=0(di=0)時,層間完全連續(xù);當(dāng)Alki=100δ時,層間接近完全光滑(di≈0.99);Alki取0～100δ之間,層間處于半結(jié)合狀態(tài)。

參考國外相關(guān)試驗路段各層材料參數(shù)范圍[18],康愛紅等[19]提出的一種瀝青路面結(jié)構(gòu)層最佳模量組合確定方法以及《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[13](JTG D50—2017)、《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》[14](GJJ 169—2012) ,表1各結(jié)構(gòu)層參數(shù)中可變量取值如下:E1=7000/8500/10000/11000/12000 MPa、E2=30000/38000/42000/46000/55000 MPa、H1=3/4/5/7/8 cm、H2=2/3/4/5/6 cm、d1=0/0.3/0.5/0.7/1;表2中水平摩擦力系數(shù)f=0/0.1/0.3/0.5/0.7;除可變量之外,表1、表2中的其余參數(shù)均固定。計算時,各可變量按如下基本值選取:E1=10000 MPa、E2=42000 MPa、H1=4 cm、H2=5 cm、d=0、f=0.5;當(dāng)需要研究某一可變量例如f值對結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)影響規(guī)律時,只需改變上述值中的f取值0/0.1/0.3/0.5/0.7,其余可變量按基本值選取。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 沿深度分布規(guī)律

針對圖1(a)的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),分別計算在不同E1與H1、E2與H2、f、d下的瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax,繪制τmax隨深度分布如圖2—圖7。

圖2 不同水平力系數(shù)下最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

從圖2(a)可知,不同f取值瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax從路表起隨深度增加呈對數(shù)關(guān)系降低;τmax隨f增大而顯著增大,路表1 cm內(nèi)增幅最大,隨深度增加而增幅下降。從圖2(b)可知,不同深度下τmax與f呈線性增加關(guān)系,路表增速最大,隨深度增加而增速下降;路表處,當(dāng)復(fù)合荷載無水平力即f=0時,τmax為0.234 MPa,當(dāng)f分別為0.3、0.5、0.7時,τmax對應(yīng)為0.486 MPa、0.756 MPa、1.039 MPa,分別比f=0時增加了107.2%、222.7%、343.3%?？梢妼τ诎雱傂曰鶎覷HPC-AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),f越小、其瀝青層τmax越小;水平力系數(shù)是車輛安全行駛的保障,因此在降低f的同時路表結(jié)構(gòu)需保證提供足夠的抗滑性能,同時盡量避免車輛行駛過程中的緊急制動等不利因素。不同f時瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在路表處,提高瀝青面層材料抗剪強度可預(yù)防剪切破壞。

從圖3(a)可知,UHPC-AC層間摩擦參數(shù)d不同取值下瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax從路表起隨深度增加呈對數(shù)關(guān)系降低,R2均高于0.97。從圖3(b)可知,不同深度下τmax隨d增大呈拋物線變化,R2均高于0.95;UHPC-AC層間接近完全光滑時τmax明顯大于半結(jié)合或完全連續(xù)狀態(tài)。路表處,當(dāng)d=0時τmax為0.756 MPa,當(dāng)d=1時τmax為0.961 MPa,增加了27.1%;當(dāng)d=0.3、0.7時τmax分別為0.776 MPa、0.824 MPa,分別比d=0時增加了2.6%、9.0%?？梢妼τ诎雱傂曰鶎覷HPC-AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)越好、其瀝青層τmax越小;UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)可通過采取糙化如銑刨、刻槽、嵌石等、噴灑粘結(jié)材料如乳化瀝青、改性乳化瀝青、環(huán)氧瀝青等來改善。不同層間結(jié)合狀態(tài)下瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在路表處,提高瀝青面層材料抗剪強度可預(yù)防剪切破壞;提高層間抗剪強度,可防止出現(xiàn)層間早期破損,并可在一定程度上減少路表τmax。

圖3 不同UHPC-AC層間摩擦參數(shù)下最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

從圖4可知,不同E1與H1下瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力τmax從路表起隨深度增加呈對數(shù)關(guān)系降低,R2均高于0.97; 隨E1與H1增大反而微增大,但幅度不大。路表處當(dāng)E1從7 000 MPa增加至12 000 MPa時,增加了1.0%;H1從3 cm增加至8 cm時,增加了5.4%?？梢妼τ谠搹?fù)合式路面結(jié)構(gòu),通過增加E1或H1來降低瀝青層τmax效果不理想。

圖4 不同AC層模量與厚度下最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

從圖5可知,不同E2與H2下瀝青層最大剪應(yīng)力τmax從路表起隨深度增加呈對數(shù)關(guān)系降低,R2均高于0.97; 隨E2與H2增大而微減少,幅度不明顯。路表處當(dāng)E2從30 000 MPa增加至55 000 MPa時,減少了1.4%;H2從2 cm增加至6 cm時,減少了1.3%?？梢妼τ谠搹?fù)合式路面結(jié)構(gòu),通過改變E2或H2來減少瀝青層τmax,效果不明顯。

圖5 不同UHPC層模量和厚度下最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

以上分析可知瀝青層τmax最大的影響因素是水平力系數(shù)f,其次是UHPC-AC層間摩擦參數(shù)d。

2.2 計算面τmax坐標(biāo)分布規(guī)律

通過計算可得到不同深度處49個計算點中出現(xiàn)最大剪應(yīng)力τmax的點位坐標(biāo)。

路表處最大剪應(yīng)力除了f=0出現(xiàn)在(2.5δ,0,0)外,其余均出現(xiàn)在(1.5δ,±δ,0)處。

1 cm深度處最大剪應(yīng)力大多數(shù)出現(xiàn)在(2.5δ,0,1)處;E1為7 000 MPa、8 500 MPa時出現(xiàn)在(δ,±0.5δ,1)處,11 000 MPa、12 000 MPa時出現(xiàn)在(2.5δ,0,1)處;H1為3 cm和E2為55 000 MPa時,出現(xiàn)在(δ,±0.5δ,1)處;f=0.7時出現(xiàn)在(δ,0,1)處;d=0.3、0.7時出現(xiàn)在(δ,0,1)處。

2 cm深度處最大剪應(yīng)力大多數(shù)出現(xiàn)在坐標(biāo)(2.5δ,0,2)處;E1為7 000 MPa、8 500 MPa時出現(xiàn)在(δ,0,2)處;f=0時出現(xiàn)在(2δ,±0.5δ,2)處,f=0.7時出現(xiàn)在(1.5δ,0,2)處;d=0.3、0.7時分別出現(xiàn)在(δ,0,2)、(δ,±0.5δ,2)處。

3 cm深度處最大剪應(yīng)力大多數(shù)出現(xiàn)在坐標(biāo)(2.5δ,0,3)處;f=0時出現(xiàn)在(2δ,±0.5δ,3)處,f=0.7時出現(xiàn)在(1.5δ,0,3)處;d=0.3、0.7時出現(xiàn)在(δ,0,3),d=1.0時出現(xiàn)在(δ,±0.5δ,3)處。

4 cm深度處d=0時的最大剪應(yīng)力全部出現(xiàn)在坐標(biāo)(2.5δ,0,4)處;當(dāng)d=0.3、0.7、1.0時分別出現(xiàn)在(2δ,0,4)、(δ,±0.5δ,4)、(2.5δ,±0.5δ,4)處。

以上分析表明,路表τmax發(fā)生在(1.5δ,±δ,0)處,其它z=1/2/3/4 cm處,絕大部分τmax出現(xiàn)在(2.5δ,0,z)處,個別因d、f、E1或H1、E2的不同出現(xiàn)在其它點位。

2.3 計算面剪應(yīng)力值分布規(guī)律

根據(jù)計算數(shù)據(jù)利用origin繪出改變f值或d值時瀝青層不同深度計算面剪應(yīng)力值分布三維圖如圖6、圖7。

圖6 不同水平力系數(shù)下剪應(yīng)力計算面分布規(guī)律

圖7 不同UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)下剪應(yīng)力計算面分布規(guī)律

結(jié)合圖2和圖6分析可知,不同f下,τmax均出現(xiàn)在路表處。當(dāng)f=0時,由路表4個峰值點增加到4 cm深度處的6個峰值點;當(dāng)f=0.3、0.7時,由路表4個、3個峰值點減少到4 cm深度處的1個峰值點。表明同一深度處f越大,剪應(yīng)力集中點越少,峰值越大;剪應(yīng)力最大值隨深度增加而顯著減小,與2.1、2.2研究結(jié)論一致。

結(jié)合圖3和圖7分析可知,不同UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)下,τmax均出現(xiàn)在路表處。d越小,表明層間粘結(jié)越好,層間完全連續(xù)狀態(tài)下,τmax隨深度增加集中點減少、值變小;層間接近完全光滑狀態(tài)下,τmax隨深度增加集中點多,值變大;表明d越小、τmax越小;τmax隨深度增加而顯著減小,與2.1、2.2研究結(jié)論一致。

3 UHPC-AC層間及AC層抗剪強度試驗

3.1 原材料

制備UHPC-AC復(fù)合試件瀝青層采用AC-13,由70#道路石油瀝青、石灰?guī)r碎石、礦粉組成,油石比為5.04%,配合比設(shè)計參考規(guī)范,其各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求;UHPC材料由廣東蓋特奇新材研制和提供,主要成分為水泥、復(fù)合摻合料、石英砂、高效減水劑、碎石、鋼纖維等;層間粘結(jié)劑分別為SBS改性瀝青(用量為1.2 kg/m2)、環(huán)氧樹脂(用量為0.7 kg/m2);層間嵌石分別采用2.36 mm～4.75 mm、4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～13.20 mm三種粒徑的玄武巖碎石。

3.2 試件制備

澆筑4 cm厚的UHPC基板,養(yǎng)護28 d后清潔表面;基板分為兩組,一組按照設(shè)計用量分別在UHPC基板表面上均勻刷涂加熱至165℃的SBS改性瀝青和常溫環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)層,另一組分別采用三種粒徑的玄武巖碎石按不同撒布量(25%、50%、75%)進行嵌石處理;采用輪碾法成型瀝青面層,自然冷卻后用鉆芯取樣法得到直徑為10 cm、高為8 cm的復(fù)合試件如圖8所示。

圖8 UHPC-AC層間復(fù)合試件

3.3 試驗方法與結(jié)果分析

抗剪強度參考規(guī)范[20]采用45°斜面剪切法。試驗設(shè)備為配套斜剪箱夾具的WDW-100E微機控制萬能試驗機,加載速度為20 mm/min。如圖9所示,分別測試60℃狀態(tài)下,嵌石處理UHPC-AC復(fù)合試件、粘結(jié)層UHPC-AC復(fù)合試件、AC-13試件以及SMA-13試件的抗剪強度。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 抗剪強度試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明,粘結(jié)層UHPC-AC層間抗剪強度采用環(huán)氧樹脂比SBS改性瀝青可提高64%,但成本較高;通過嵌石處理UHPC-AC層間抗剪強度較噴灑粘結(jié)層大大提高,通過碎石的嵌擠作用提高了層間抗剪模量G、降低了Alk值和d值,改善了層間結(jié)合狀態(tài);隨著嵌石粒徑和撒布量的增大,層間抗剪強度增大;瀝青混合料SMA-13采用了SBS改性瀝青,較采用普通瀝青的AC-13瀝青混合料抗剪強度提高了37%。

3.4 復(fù)合路面瀝青層剪應(yīng)力指標(biāo)校核

對于最不利條件下的剪應(yīng)力計算時瀝青層表面溫度為60℃、中下層溫度在40℃～50℃范圍。因此瀝青面層模量應(yīng)采用不同溫度條件下動態(tài)壓縮模量,但不同溫度下的模量應(yīng)用給計算帶來了較大的麻煩。通過前述計算分析可知τmax隨E1減小反而微減小,對剪應(yīng)力指標(biāo)校核影響較小。為了方便設(shè)計應(yīng)用,瀝青面層模量計算時采用20℃條件下動態(tài)壓縮模量。針對H1=4 cm的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)在不同非基本可變量參數(shù)下,路表或?qū)娱gτmax出現(xiàn)的位置如表4。其中路表處均出現(xiàn)在前后輪緣中點位置,層間處除了d=1外均出現(xiàn)在外輪緣中點位置。

表4 不同非基本可變量參數(shù)復(fù)合路面結(jié)構(gòu)路表或?qū)娱g最大剪應(yīng)力值與點位

容許剪應(yīng)力采用瀝青混合料或?qū)娱g抗剪強度τs除以路面結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Kr得到,其中瀝青面層材料抗剪強度采用60℃狀態(tài)下,因此瀝青層不發(fā)生剪切破壞的判定條件為[14]:

τmax≤τR=τs/Kr

(4)

式中:τmax為瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力,MPa;τR為瀝青混合料或?qū)娱g的容許剪應(yīng)力,MPa;τs為試驗測定的瀝青混合料或?qū)娱g抗剪強度,MPa;Kr為路面抗剪強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對交叉口和公交停車站緩慢制動路段:

(5)

對一般行駛路段:

Kr=1.2/Ac

(6)

式中:Ac為道路等級系數(shù),快速路、主干路為1.0,次干路為1.1,支路為1.2;Np為公交停車站或交叉口設(shè)計年限內(nèi)同一位置停車的累計當(dāng)量軸次。

表4中f=0.7、其余可變量按基本值選取時,路表τmax為1.039 MPa,按主干路一般行駛路段計算Kr為1.2則τmax·Kr=1.25 MPa,因此AC-13抗剪強度滿足主干路一般行駛路段路表抵抗剪切破壞要求;層間τmax為0.412 MPa,τmax·Kr=0.494 MPa,因此嵌石處理層間抗剪強度滿足主干路一般行駛路段層間抵抗剪切破壞要求。

表4中f=0.3、其余可變量同上時,路表τmax為0.486 MPa,按主干路大型交叉口累計當(dāng)量軸次3.78×106計算[14]Kr為3.78則τmax·Kr=1.84 MPa,因此該主干路大型交叉口處緩慢制動路段宜采用SMA-13來滿足抵抗剪切疲勞破壞要求;層間τmax為0.298 MPa,τmax·Kr=1.126 MPa,因此嵌石處理層間抗剪強度滿足該主干路大型交叉口處緩慢制動路段層間抵抗剪切疲勞破壞要求。

表4中d=1、其余可變量按基本值選取時(其中f=0.5),層間τmax為0.437 MPa,按主干路一般行駛路段計算Kr為1.2則τmax·Kr=0.524 MPa,若采用粘結(jié)層處理層間抗剪強度不能滿足該主干路一般行駛路段層間抵抗剪切破壞要求,造成層間局部剪切破損,因此層間摩擦參數(shù)d較好地模擬了UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài),此時,路表τmax為0.961 MPa,與f=0.7時的路表τmax接近;因此UHPC-AC復(fù)合路面施工時可采取嵌石處理改善層間結(jié)合狀態(tài),防止出現(xiàn)層間早期破損、同時降低路表最大剪應(yīng)力。

4 結(jié) 論

對于半剛性基層UHPC-AC復(fù)合路面結(jié)構(gòu),瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力試驗研究結(jié)論如下:

(1) 在不同水平力系數(shù)、UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)、瀝青層厚度或模量、UHPC層厚度或模量下,瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在路表,隨深度增加均呈對數(shù)關(guān)系減小。

(2) 瀝青層最大剪應(yīng)力位置在路表處基本上出現(xiàn)在(1.5δ,±δ,0)處,其它不同深度(1 cm～4 cm)處,絕大部分出現(xiàn)在(2.5δ,0,z)處,個別因UHPC-AC層間結(jié)合狀態(tài)、水平力系數(shù)、瀝青層模量或厚度、UHPC層模量的不同出現(xiàn)在其它點位。

(3) 瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力隨水平力系數(shù)增大呈線性增大,隨UHPC-AC層間摩擦參數(shù)增大呈拋物線變化,隨UHPC層、瀝青層厚度與模量變化而微變化。可通過控制UHPC-AC層間處于完全連續(xù)狀態(tài)有效減少瀝青層最大剪應(yīng)力。

(4) 斜面剪切試驗結(jié)果表明嵌石處理層間抗剪強度較噴灑粘結(jié)層明顯提高,且隨嵌石粒徑、撒布量增大而增大;SMA-13瀝青混合料抗剪強度較AC-13提高37%。UHPC-AC復(fù)合路面瀝青層剪應(yīng)力指標(biāo)校核說明瀝青面層不會發(fā)生早期層間破損以及路表剪切疲勞破壞。