水泥橡膠瀝青混凝料與公路面層粘接性能研究

劉和操 劉正雄 蔡莉莉 李新燕 張莉麗

摘 要：為了研究水泥橡膠瀝青混凝土公路路面層間粘接性能，在原材料中摻入6.0%的水泥，借助車輪碾壓制備試件。分析車輪輪胎接地壓力，采用三維有限元模型展示路面結(jié)構(gòu)，考慮不同行車方向和彈性彈簧部分粘彈性，構(gòu)建剪切模量和拉拔模量方程。在低溫-10、常溫20、高溫40 ℃狀態(tài)下，測試復合試件直接剪切、拉拔力學性能，并分析不同溫度區(qū)間層間粘接程度變化規(guī)律。結(jié)果表明，所研究方法剪切強度和拉拔強度與實際研究過程中的數(shù)值一致，粘接強度僅在40 ℃下與實際值存在最大為0.05 N/mm2的誤差。

關(guān)鍵詞：水泥；橡膠瀝青；公路面層間；粘接性能；三維有限元

中圖分類號：TQ172.7;U416.217

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0041-04

Research on the adhesive performance between cement rubber asphalt concrete and highway surface layer

LIU Hecao，LIU Zhengxiong，CAI Lili，LI Xinyan，ZHANG Lili

（Southwest Transportation Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650032，China

）

Abstract：In order to study the interlayer bonding performance of cement asphalt concrete highway pavement，6.0% cement was added to the raw materials and specimens were prepared by wheel rolling.The ground pressure of wheels and tires was analyzed，and the three-dimensional finite element model was used to display the pavement structure.Considering the different driving directions and the viscoelasticity of elastic springs，the equations of shear modulus and drawing modulus were constructed.The direct shear and tensile mechanical properties of composite specimens at low temperature of -10 ℃，normal temperature of 20 ℃，and high temperature of 40 ℃ were tested，and the changes in interlayer adhesion degree in different temperature ranges were analyzed.The results showed that the shear strength and pull out strength of the studied method were consistent with the values in the actual research process，and the maximum error between the bond strength and the actual value was 0.05 N/mm2 only at 40 ℃.

Key words：cement;rubber asphalt;highway pavement interlayer;adhesive performance;three dimensional finite element

瀝青路面由路面、基層、下層及鋪裝層等構(gòu)成，路面各層之間的粘接力對瀝青路面的使用效果也有較大的影響。但是，在國內(nèi)的公路施工過程中，并沒有注意到瀝青面層之間粘接狀態(tài)，造成了許多層之間的粘接性能不佳，導致很多道路在使用初期就產(chǎn)生了疲勞開裂、車轍等現(xiàn)象，極大地降低了其服役壽命。當前，在國內(nèi)的道路施工中，對層間粘接開始重視了起來，如提出了基于斜剪試驗的粘接性能研究方法［1］，通過對瀝青混合料的層間斜剪試驗，研究了瀝青混合料的種類、摻量、溫度和水泥混合料對層間粘層抗剪強度的影響；提出了基于直剪試驗的粘接性能研究方法［2］，該方法研究了瀝青膠凝材料特性、噴灑用量、混合料種類、水環(huán)境、荷載和老化等因素對瀝青粘層的粘接效果。研究借助三維有限元模型構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)，分析剪切模量和拉拔模量。以此為依據(jù)，在不同溫度下，研究水泥瀝青混凝土公路路面層間粘接性能。

1 試驗材料及試件制備

1.1 試驗材料

選用的試驗材料：水泥，

無錫市江淮建

材科技有限；

ARHM-25橡膠改性瀝青，

山東遠明新材

料有限公司；

ATB-25橡膠改性瀝青，

山東眾輝土工材料有限公司;

PC-2型乳化瀝青，

新鄭市同輝建材廠;

纖維加強型橡膠改性瀝青，

濰坊鼎筑防水材料有限公司;

玻璃纖維，

河間世磊玻璃纖維布實力供應商。

在使用了6.0%的水泥用量之后，將在瀝青面層中使用橡膠改性瀝青混合料ARHM-25和ATB-25作為對比試驗組，在基礎與表面的層間結(jié)合時，選用了具有滲透力的粘接材料，用PC-2乳化瀝青作滲透層用油［3］。

1.2 試件制備

利用上述材料制備了ARHM-25、ATB-25瀝青混合料及水泥穩(wěn)定砂礫混合料的復合試件，復合

試件成型過程如圖1所示。

在復合試件制備過程中，使用了車輪碾壓的方法進行試件成型。

用于試件制備過程需要準備的儀器：

鋼刷（20 mm刷毛長度），

桐城市福澤鬃刷有限公司；

ABS高壓水槍，

義烏市驚眠電子商務商行；

鉆芯機（發(fā)動機13馬力），

獻縣新創(chuàng)儀器設備廠；

壓鑄模具（多型腔模具），

泊頭市歐曼特模具廠。

當路面經(jīng)碾壓達到一定強度后，再用鐵刷子、高壓水炮將路面上的砂礫清理干凈，保證路面干凈，不出現(xiàn)疏松的砂礫［4］。對已處理過的地基，先噴灑PC-2乳化瀝青透層油，破乳后再噴灑纖維增強的橡膠-2膠凝材料。待中間層處理完成后，成型上層瀝青混合料。最終，使用100 mm的鉆芯器鉆芯取樣模具內(nèi)的復合試件，從而獲得可供實驗使用的圓柱體試件［5］。

2 試驗條件及方法

2.1 試驗條件

采用車輪碾壓方法進行試驗時，測量的輪胎接地壓力可用圖2表示。

本試驗假設：輪胎的單輪負載30 kN，輪胎壓力500 kPa；車輛以中低速運行，車輛行駛方向的輪胎地面應力是按照測量得到的地面應力來確定的［6］。

根據(jù)試件制備結(jié)果，采用三維有限元模型展示路面結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

在考慮降雨效應的基礎上，采用4 100、4 000 MPa、的基礎水穩(wěn)彈性模量［7-8］。在有限元分析中，一般假設：（a）模型底部受到完全約束，沒有出現(xiàn)任何方向的位移；（b）受到豎向壓力作用時，不會產(chǎn)生x方向的位移；（c）受到側(cè)向壓力作用時，不會產(chǎn)生y方向的位移［9］。

粘彈性材料的反應通常包括2個方面：一個是彈性；另一個是粘彈性。彈性彈簧部分在受到外力作用的瞬間會立即產(chǎn)生反應，而有粘彈性彈簧部分在反應過程中會有一段時間才能產(chǎn)生反應［10］?；谛∽冃卫碚摚琈axwell單元的粘彈性本構(gòu)關(guān)系，可表示為：

考慮低溫、常溫和高溫3種狀態(tài)，選取其對應的溫度-10、20、40 ℃，分別對復合試件的力學性能進行了測試。測試方法為直接剪切測試和拉拔測試。

將鉆孔后的巖心按一定比例放置在恒溫箱中保持4 h，再將溫度控制好的復合試件迅速地裝入剪力或拉力設備中［11］。在此基礎上，采用通用力學實驗裝置，對其進行了加載實驗，并對其進行了分析。在測試復合試件的層間剪切強度時，設置45 mm/min的剪切速度；在測量拉伸強度時，拉伸速度為每分鐘8 mm/min。試驗全部時間控制在2 min以內(nèi)，確保試驗在符合要求的情況下進行。

由于剪切、拉伸試驗能夠更好地模仿真實路面的破壞形態(tài)，所以在實驗室中對于瀝青路面的研究都是通過檢測其剪切、拉伸強度的數(shù)值來判斷其粘接性能的好壞;另外，拉拔試驗由于其操作方便，對于路面破壞的區(qū)域也很小等特點而受到廣泛的青睞，剪切和拉伸2種試驗都能夠反映出粘接層之間的粘接性能［14］。

2.2 試驗方法

為了研究不同溫度下瀝青混合料路面層間強度的差異性，選取瀝青混合料AR-HM-25為試驗組，ATB-25為對照組；將溫度由低溫到常溫的過程劃分為相對低溫區(qū)（-10～20 ℃），由常溫到高溫的過程劃分為相對高溫區(qū)（20～40 ℃），各溫度區(qū)間下的層間變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，通過設置試驗組和對照組可以避免試件制作的瀝青用量影響試驗結(jié)果。對于剪切強度，在相對低溫區(qū)的數(shù)值要比相對高溫區(qū)的數(shù)值大，無論瀝青用量多少，相對高溫區(qū)剪切強度衰減影響均明顯大于相對低溫區(qū)；對于拉拔強度相對低溫區(qū)與相對高溫區(qū)相比，相對低溫區(qū)拉拔強度衰減影響均明顯小于相對高溫區(qū)。

溫度是決定復合試件層間粘接性能的重要因素，特別是在相對高溫區(qū)，層間粘接性能隨溫度上升而發(fā)生明顯變化，層間粘接性能下降。其中，對于層間剪切強度，在相對低溫區(qū)，底層-表層復合結(jié)構(gòu)以粘層油為主，但當溫度上升時，粘層油發(fā)生軟化，層間粘接力急劇下降；隨著溫度的不斷上升，層間的粘接力包括了由界面形狀所提供的摩阻力以及剩余的粘層油所提供的粘附力，隨著氣溫不斷上升，過量的粘層油將軟化成為富油層，同時也會增大油粒的粘附力。而不足的粘層油則會由于軟化而失去黏附力，因此，層間的強度將以界面形狀所提供的摩阻力為主；對于層間拉伸強度，在相對低溫區(qū)，粘層油的并沒有被徹底軟化，粘合作用仍有很大提高。但當氣溫不斷上升，進入相對高溫區(qū)后，粘層油軟化程度更大，粘性也會大大下降，從而造成層間拉伸強度的快速衰減。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗加載裝置

實驗加載設備是一臺由曲軸帶動的車輛車輪來回運動的車轍試驗機，采用LVDT或無觸點式的位移儀，實現(xiàn)了對車轍變形量自動采集和記錄。當溫度為50 ℃時，測試輪盤與試樣之間的壓力為0.06 MPa，所受載荷約為80 kg，并可根據(jù)具體條件進行適當調(diào)節(jié)。

車轍測試設備需安裝在一個恒溫大棚中，并對測試樣品表面和恒溫大棚的溫度進行檢測和記錄，其準確度為±0.5 ℃，并且能夠?qū)y試過程中的溫度進行持續(xù)的自動記錄。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

采用OLYMPUS顯微鏡，它包括3個部件：一個真空設備和一個動力箱。其中，真空裝置用以保障顯微鏡內(nèi)的真空狀態(tài)，避免影響試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

對于剪切強度，在不同溫度-10、20、40 ℃時使用顯微鏡觀測結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在-10 ℃時路面層間空隙較小，且無明顯空洞，隨著溫度升高，層間剪切強度衰減，在40 ℃下路面層間空隙較大。

對于拉拔強度，在不同溫度-10、20、40 ℃時使用顯微鏡觀測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，-10 ℃時路面層間空隙較??；20 ℃時路面層間出現(xiàn)波紋，存在軟化問題；40 ℃時路面層間出現(xiàn)較大波紋，軟化嚴重，且空隙較大。

3.3 試驗結(jié)果與分析

分別使用基于斜剪試驗的粘接性能研究方法、基于直剪試驗的粘接性能研究方法和基于三維有限元模型的分析方法，對比分析剪切強度和拉拔強度，對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，使用基于斜剪、直剪試驗的粘接性能研究方法，與實際研究過程中的數(shù)值不一致，而使用基于三維有限元模型的分析方法，與實際研究過程中的數(shù)值一致，由此可知使用所研究方法測試剪切強度和拉拔強度分析結(jié)果精準。

基于該分析結(jié)果，將x軸方向作為行車方向，對比3種方法在不同溫度時的粘接強度，對比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，使用基于斜剪試驗的粘接性能研究方法、基于直剪試驗的粘接性能研究方法與實際值不一致，其中在溫度分別為20、40 ℃時，與實際值誤差最大，分別相差0.5 N/mm2和0.6 N/mm2。使用所研究方法與實際值基本一致，僅在40 ℃時與實際值存在最大為0.05 N/mm2的誤差。

4 結(jié)語

（1）通過構(gòu)建路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，可根據(jù)不同行車方向和彈性彈簧部分粘彈性，分析復雜的層間力學；

（2）通過設置不同溫度，能夠獲取復雜層間力學對應的不同溫度區(qū)間粘接程度變化規(guī)律；

（3）通過試驗測試，驗證了所研究方法分析結(jié)果比較精準，為進一步科學評估水泥瀝青混凝土公路路面穩(wěn)定性提供試驗依據(jù)。

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收稿日期：2023-10-10；修回日期：2024-02-09

作者簡介：劉和操（1982-），男，高級工程師，研究方向：橋梁路面施工;E-mail：527506818@qq.com。

引文格式：劉和操，劉正雄，蔡莉莉，等.水泥橡膠瀝青混凝料與公路面層粘接性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：41-44.