武書華　 陳華鑫　 張久鵬　 裴建中　 張中華

(1長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710061)(2長安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710061)(3河南省南陽市公路管理局, 南陽 473057)

半剛性基層瀝青路面層間界面力學(xué)特性與黏結(jié)狀態(tài)的試驗研究

武書華1陳華鑫1張久鵬2裴建中2張中華3

(1長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710061)(2長安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710061)(3河南省南陽市公路管理局, 南陽 473057)

摘要:為了評價不同層間處理工藝的層間黏結(jié)效果及定量地評價重復(fù)荷載作用下的層間黏結(jié)狀態(tài),對試件做層間拉毛和灑布透層油處理,并與層間不做處理的試件進(jìn)行對比．通過恒高度重復(fù)剪切試驗分析了不同處理工藝、不同荷載作用次數(shù)下的層間界面力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,并采用層間黏結(jié)系數(shù)Ks作為層間黏結(jié)性能的評價指標(biāo)．試驗結(jié)果表明,相同荷載作用次數(shù)下,層間拉毛處理試件的層間剪應(yīng)力和層間相對位移最小,剪切回彈模量最大,疲勞壽命為584次,層間黏結(jié)效果最好,但仍然處于半連續(xù)與半滑動狀態(tài);另外,對層間完全連續(xù)狀態(tài)下的重復(fù)剪切試驗進(jìn)行了有限元模擬,得出了層間拉毛、灑布透層油、不做處理試件的層間黏結(jié)百分率分別為71.5%,54%,45%．

關(guān)鍵詞:瀝青路面;半剛性基層;層間黏結(jié)狀態(tài);力學(xué)性能;重復(fù)剪切試驗

半剛性基層瀝青路面基面層間的黏結(jié)狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性具有重要影響[1-3],因此,研究人員非常關(guān)注基面層間的黏結(jié)性能的提高及有效評價其黏結(jié)狀態(tài)的方法．但研究主要集中在以下幾個方面:① 不同接觸狀態(tài)下的層間力學(xué)分析[4-5];② 不同功能層對層間黏結(jié)性能的影響[6-7],如采用不同透層油材料處理層間界面、設(shè)置瀝青封層及應(yīng)力吸收層等措施來改善層間黏結(jié)狀態(tài);③ 采用剪切試驗、拉拔試驗、扭轉(zhuǎn)試驗等方法研究多種因素對層間黏結(jié)性能的影響[8-11],例如,Raab等[8]采用層間平行剪切試驗研究了運(yùn)營9～13年間的瀝青路面層間黏結(jié)性能;Raposeiras等[9]分別采用彎拉試驗、扭轉(zhuǎn)試驗及剪切試驗研究了瀝青層間黏結(jié)性能的影響因素;Collop等[10]基于準(zhǔn)靜態(tài)和反復(fù)加載條件,采用室內(nèi)自動扭轉(zhuǎn)試驗測試了瀝青層界面黏結(jié)性能;Tozzo等[11]采用動態(tài)剪切試驗評價了應(yīng)力狀態(tài)對瀝青層間剪切疲勞特性的影響,提出了基于正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布規(guī)律對層間界面疲勞特性影響的模型．然而,目前的層間處理工藝和評價方法并不統(tǒng)一,使用效果也不理想,在復(fù)雜的道路環(huán)境下路面層間剝離等剪切破壞嚴(yán)重．本文采用SST (superpave shear test)試驗方法,對半剛性基層和瀝青面層界面做層間拉毛和灑布乳化瀝青透層油2種處理,并與界面不做任何處理的試驗結(jié)果進(jìn)行對比,評價了不同處理工藝下的基面層間黏結(jié)性能,并定量地分析了不同荷載作用次數(shù)下的基面層間黏結(jié)狀態(tài)．

1原材料及試件制備

1.1試驗原材料及混合料級配

試驗中采用的原材料有水泥、集料、瀝青和用作透層油的普通陽離子乳化瀝青,其中水泥為陜西秦嶺牌42.5普通硅酸鹽水泥,瀝青為SK-70#石油瀝青,集料為陜西咸陽生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石．所有原材料的各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范技術(shù)要求．半剛性基層采用骨架密實型結(jié)構(gòu),礦料級配如表1所示,經(jīng)室內(nèi)設(shè)計得到骨架密實型水泥穩(wěn)定類礦料的水泥用量為5%,最佳含水率為5.3%．面層采用中粒式AC-20瀝青混合料,礦料級配如表2所示,經(jīng)室內(nèi)設(shè)計得到AC-20瀝青混合料礦料級配的最佳瀝青用量為4.3%．

表1　骨架密實型水泥穩(wěn)定類礦料通過率　%

表2　AC-20瀝青混合料礦料級配通過率　%

1.2層間處理和試件成型方法

采用旋轉(zhuǎn)壓實方法成型試件,為了使制作的基層試件養(yǎng)生后能再次放入試模內(nèi)且滿足旋轉(zhuǎn)壓實儀行程要求,選擇基層試件直徑為14.8 cm,高為8 cm．為了對比不同基面層間的黏結(jié),對基層表面進(jìn)行3種不同工藝處理:層間拉毛、層間灑布透層油、不做處理．① 層間拉毛.在試件成型1 d后采用鋼刷清理基層表面附漿，且骨料裸露,構(gòu)造深度不小于2.5 mm.② 層間灑布透層油.在試件成型6 d后進(jìn)行,此時基層試件強(qiáng)度基本形成,不會造成復(fù)合試件基層壓壞,透層油劑量分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 和1.6 kg/m2,通過測得抗剪強(qiáng)度得到最佳透層油灑布量為1.1 kg/m2．

基層試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7 d,在其上鋪筑瀝青混合料面層,面層高度為6 cm,直徑為15 cm．進(jìn)行切割后的雙層試件高度大約為5 cm．然后按一定比例將環(huán)氧樹脂系膠結(jié)劑與固化劑混合，用混合膠體將試件黏到剪切夾具上,并安裝傳感器.在剪切儀上預(yù)壓幾分鐘,確保傳感器接觸完好,并固化24 h后開啟試驗,試件如圖1所示．

2試驗方法和評價指標(biāo)

2.1重復(fù)剪切試驗方法

采用SST試驗機(jī)進(jìn)行恒高度重復(fù)剪切試驗(repeat shear test at constant height,RSCH),評價重復(fù)荷載作用下層間黏結(jié)性能．在試驗前,首先采用傳感器測試出試件位移變化,然后確定所需施加的水平力大小.前期探索性試驗表明,施加的水平力不應(yīng)超過層間黏結(jié)強(qiáng)度,否則試件很快被破壞且層間位移還可能超出位移傳感器量程．因此,為了減小試驗數(shù)據(jù)的變異性,不同層間處理的試件最少進(jìn)行3次重復(fù)剪切試驗,將3個試件的平均值作為最終結(jié)果．試驗時提供水平剪切荷載和軸向荷載,施加重復(fù)的半正弦剪切荷載,設(shè)定最大剪切力為約2.3 kN,溫度為25 ℃,施加荷載時間為0.1 s,卸載時間為0.6 s,其施加的剪切荷載與軸向荷載如圖2所示．

圖1　SST試驗中的試件

圖2　RSCH 試驗剪切荷載與軸向荷載

2.2評價指標(biāo)

在車輛行駛作用下,路面基面層間接觸面上下不僅有磨阻力,而且還會產(chǎn)生剪切相對位移,因而層間黏結(jié)性能也會隨之衰減．路面結(jié)構(gòu)層間界面的平均剪應(yīng)力與層間相對位移曲線如圖3所示,可以看到,破壞前的曲線在初始階段呈直線上升,此時直線斜率即為路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)系數(shù)K0,此后隨曲線上升一直達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度,此時的水平剪切系數(shù)為Kmin,也正是路面層間界面由初始的層間接觸狀態(tài)變化到黏結(jié)破壞的階段．實際中主要關(guān)注路面的使用性能,因此本文主要研究路面破壞前的曲線特征．文獻(xiàn)[12]研究表明,古德曼模型中的層間黏結(jié)系數(shù)Ks可以定量地評價層間黏結(jié)性能,即

(1)

式中,τ為層間剪應(yīng)力;Δu為水平相對位移．

圖3中的曲線斜率即為層間黏結(jié)系數(shù)Ks,Ks

圖3　路面結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力與層間相對水平位移典型曲線

值越大,說明層間黏結(jié)狀態(tài)越好．Ks從K0減小至Kmin意味著層間黏結(jié)狀態(tài)的變化,當(dāng)層間黏結(jié)系數(shù)Ks小于100 MN/m3時,層間可能處于脫黏狀態(tài)或者完全滑動狀態(tài)；當(dāng)Ks大于1.0×106MN/m3時,層間可能處于完全黏結(jié)狀態(tài)[13]．

3結(jié)果及分析

3.1層間剪應(yīng)力隨荷載作用次數(shù)的變化

層間剪應(yīng)力隨荷載作用次數(shù)的變化如圖4所示．可以看出,隨著荷載次數(shù)的增加,層間剪應(yīng)力隨之增加;相同荷載作用次數(shù)下,層間拉毛的試件所受的層間剪應(yīng)力最小,灑布透層油處理的試件次之,不做任何處理的試件層間剪應(yīng)力最大．主要原因是隨著荷載作用次數(shù)增加,層間損傷越嚴(yán)重,導(dǎo)致層間黏結(jié)越差,因此,層間剪應(yīng)力也越來越大;另外,層間拉毛黏結(jié)效果最好,也可能是半剛性基層表面有一定的粗糙度,集料直接裸露且呈堿性,當(dāng)鋪筑瀝青混合料面層時,溫度較高瀝青流動性較強(qiáng)且呈酸性,與粗糙的集料有較強(qiáng)黏結(jié)力,壓實成型后界面形成較強(qiáng)的磨阻效應(yīng),增強(qiáng)了界面的黏結(jié)力,在反復(fù)剪切作用下,層間受到的剪應(yīng)力更均勻地分散在其他各層上．

3.2層間剪切位移隨荷載作用次數(shù)的變化

層間剪切位移隨荷載作用次數(shù)的變化如圖5所示．可以看出,相同荷載作用次數(shù)下,層間拉毛產(chǎn)生的相對位移最小,層間灑布透層油的相對位移次之,而基層表面不做處理的試件經(jīng)歷相同的荷載作用次數(shù)后產(chǎn)生的剪切位移最大,為0.220 mm．加載次數(shù)在100次左右時,層間相對位移迅速增加,主要原因可能是一開始施加剪切力,層與層之間的集料顆粒重新排列,這個過程也會引起較大的剪切位移,之后曲線呈直線穩(wěn)定增長,此狀態(tài)持續(xù)到荷載作用次數(shù)約為550次.隨著荷載次數(shù)繼續(xù)增加,基層與面層間發(fā)生了明顯的相對位移,黏結(jié)力不斷下降,主要靠層與層之間的磨阻力來阻止位移的增加．

圖4　層間剪應(yīng)力隨荷載作用次數(shù)的變化

圖5　重復(fù)荷載作用下層間位移變化規(guī)律

3.3剪切回彈模量隨荷載作用次數(shù)的變化

剪切回彈模量隨荷載作用次數(shù)的變化如圖6所示．可以看出,在不同層間接觸狀態(tài),剪切回彈模量隨著剪切作用次數(shù)的增加而減小,基層表面拉毛試件的剪切回彈模量最大,并且在荷載作用70次以內(nèi),剪切回彈模量的下降幅度也最慢,不做處理的下降幅度最大．荷載作用70次后,3種不同界面的層間回彈模量下降的幅度趨于一致,從第1次施加荷載至重復(fù)加載結(jié)束,層間拉毛的試件剪切回彈模量從372 MPa下降到263 MPa,灑布透層油的試件剪切回彈模量從298 MPa下降到155 MPa,層間不做處理的試件剪切回彈模量從120 MPa下降到39 MPa,分別下降了29.3%,47.9%和67.5%．

圖6　重復(fù)荷載作用下的剪切回彈模量變化圖

3.4剪切疲勞壽命與層間黏結(jié)系數(shù)的關(guān)系

由于SST試驗不能明顯判斷試件的疲勞壽命,且試驗初夾具尚未完全與試件接觸,導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,而層間黏結(jié)系數(shù)Ks表示試件破壞位置的斜率．本文進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn),剪切8次后,測試結(jié)果較為穩(wěn)定．因此,對剪切8次后的一定間隔剪切次數(shù)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并計算，得到層間黏結(jié)系數(shù)Ks,結(jié)合相應(yīng)剪切次數(shù)下的剪切回彈模量,建立不同層間處理工藝的試件經(jīng)歷一定剪切次數(shù)后的黏結(jié)狀態(tài)與疲勞壽命的關(guān)系,Ks與剪切回彈模量數(shù)據(jù)見表3．

層間拉毛、灑布透層油、不做處理試件的剪切回彈模量下降到其初始模量的50%時,其剪切回彈模量分別為186,140,60 MPa.而表3中無剪切回彈模量值為186,140 MPa(剪切817次時所有試件都已層間脫離),也就是說層間拉毛和灑透層油的試件不能統(tǒng)一用初始模量的50%作為疲勞的判斷標(biāo)準(zhǔn).剪切回彈模量60 MPa對應(yīng)界面不做處理的試件，其疲勞壽命為80次左右,層間剪切系數(shù)為1 920 MN/m3,大于100 MN/m3,因此可以把此時的層間剪切系數(shù)Ks值看作判斷試件處于滑動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn).采用內(nèi)插法可以得到層間拉毛與灑布透層油試件的疲勞壽命分別為584和116次．

表3剪切回彈模量與層間剪切系數(shù)

參數(shù)處理工藝剪切次數(shù)883133333500583700750817Ks/(107N·m-3)層間拉毛303256225223221193192191190灑布透層油213198187185183183182182181不做處理207197186183182181178177176剪切回彈模量/MPa層間拉毛372318315297286283273272262灑布透層油280246196187184183166158155不做處理12061.758504543414039

將層間黏結(jié)系數(shù)Ks與剪切彈性模量的關(guān)系繪制成圖7,圖中剖面線部分代表3種處理工藝下試件經(jīng)歷不同剪切次數(shù)(即此時的剪切彈性模量不同)而處于同一種層間黏結(jié)狀態(tài),層間拉毛、灑布透層油、不做處理試件的最大Ks值分別為3 030,2 130,2 070 MN/m3,均大于100 MN/m3且小于106MN/m3,因此3種處理工藝下的層間均處于半滑動半連續(xù)狀態(tài)．另外,結(jié)合層間黏結(jié)系數(shù)小于1 920 MN/m3時層間處于滑動狀態(tài)的條件可以得出,層間黏結(jié)系數(shù)處于1 920～106MN/m3時,層間黏結(jié)狀態(tài)為半滑動半連續(xù)狀態(tài),而采用內(nèi)插法可以得出層間拉毛與灑布透層油試件的疲勞壽命．這樣處理能夠較為合理地評判不同層間處理試件的剪切疲勞壽命與層間黏結(jié)系數(shù)Ks的相互關(guān)系,使得判斷層間黏結(jié)狀態(tài)的范圍進(jìn)一步縮小,判斷結(jié)果更準(zhǔn)確,具有一定的理論意義和應(yīng)用價值．

圖7　層間黏結(jié)系數(shù)Ks與剪切回彈模量關(guān)系圖

4層間接觸狀態(tài)的確定與分析

可以采用層間黏結(jié)系數(shù)Ks判斷層間處理工藝黏結(jié)的效果,但不能定量地確定層間的狀態(tài)．為了評價層間不同處理工藝的實際接觸狀態(tài),本文在進(jìn)行數(shù)值模擬時,盡量準(zhǔn)確模擬試驗條件,得出了完全連續(xù)接觸試件的重復(fù)剪切試驗力學(xué)響應(yīng),結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)所采取的3種層間處理方式均不能達(dá)到完全連續(xù)狀態(tài)．結(jié)合其他研究發(fā)現(xiàn),不管采取何種層間處理都難以達(dá)到完全連續(xù)狀態(tài)．為了探明室內(nèi)不同層間處理方法中層間的黏結(jié)狀態(tài),本文假設(shè)以理想條件下有限元模型為層間完全連續(xù)狀態(tài),確定層間不同處理工藝的接觸效果．

4.1有限元模型及計算結(jié)果

為了模擬RSCH試驗過程,采用有限元軟件的線彈性計算模型,單元類型為8節(jié)點等參元SOLID45單元進(jìn)行層間完全連續(xù)狀態(tài)下的剪應(yīng)力分析,邊界條件為:底面z向固定,頂面3個方向均約束．材料參數(shù)見表4,建立的基面層間完全連續(xù)計算模型如圖8所示．

表4材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)層厚度/mm半徑/m彈性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)鋼板100.182000.307700瀝青層250.151.20.352400水泥穩(wěn)定基層250.153.20.202220

圖8基面層間完全連續(xù)模型

基面層間完全連續(xù)下的層間剪應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化如圖9所示．可以看出,層間剪應(yīng)力隨著加載次數(shù)的增加呈遞增趨勢,由于軟件模擬過程中施加的荷載是動態(tài)荷載,每施加一次荷載都會累加之前的作用力和變形,產(chǎn)生累加效應(yīng),因此,隨著加載次數(shù)的增加剪應(yīng)力一直在增加,但是不能模擬出試件的破壞時刻,加載次數(shù)按室內(nèi)試驗中整個剪切疲勞次數(shù)進(jìn)行模擬．

4.2層間接觸狀態(tài)的確定

隨著剪切疲勞次數(shù)的增加,層間剪應(yīng)力增加,不同荷載作用次數(shù)，層間產(chǎn)生的剪應(yīng)力和相對水平位移也不同．因此,本文將室內(nèi)試驗得到的同一荷載作用次數(shù)下的層間剪應(yīng)力與層間完全連續(xù)狀態(tài)下數(shù)值模擬得到的層間剪應(yīng)力的比值η作為判斷標(biāo)準(zhǔn),以此評價基面層間的黏結(jié)百分率,即

圖9　基面層間完全連續(xù)下的層間剪應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化圖

(2)

式中,η為層間黏結(jié)百分率,%;τi,0為荷載作用次數(shù)i且層間完全連續(xù)條件下的層間剪應(yīng)力；τi,n為荷載作用次數(shù)i，采用處理工藝為n的層間剪應(yīng)力，n表示層間拉毛、灑布透層油和不做處理工藝．η=0表示完全光滑；η=1表示層間接觸為完全連續(xù)；η=0～1表示處于完全光滑與完全連續(xù)之間．

在相同荷載作用下,計算得到不同處理方式下的剪應(yīng)力與完全連續(xù)狀態(tài)下的剪應(yīng)力的比值，如圖10所示．可以看出，無論基層表面采用哪種處理方式,層間都沒有達(dá)到完全連續(xù)狀態(tài),但層間拉毛的效果最好,不做處理的效果最差．層間拉毛處理、灑布透層油、不做處理試件的初始黏結(jié)百分率分別為71.5%,54%,45%,當(dāng)荷載次數(shù)達(dá)到816時，層間黏結(jié)百分率分別為66%,47%,40.5%,以施加第1次荷載時的層間黏結(jié)百分率為基準(zhǔn),直到加載結(jié)束,層間黏結(jié)百分率下降速率分別為7.7%,13%,10%．

圖10　層間黏結(jié)百分率隨荷載作用次數(shù)的變化規(guī)律

5結(jié)論

1) 在重復(fù)剪切試驗中,相同的剪切次數(shù)作用下,層間拉毛處理試件的層間剪應(yīng)力和層間相對位移最小;3種處理工藝的試件其剪切回彈模量在荷載作用70次前減小幅度顯著,相同荷載作用下層間拉毛處理試件的剪切彈性模量最大,灑布透層油的次之,不做處理的最?。?/p>

2) 以層間黏結(jié)系數(shù)Ks為評價指標(biāo),確定了3種處理方式下的剪切疲勞壽命,進(jìn)一步縮小了用層間黏結(jié)系數(shù)判斷層間黏結(jié)狀態(tài)的范圍,Ks處于1 920～1.0×106MN/m3時,層間黏結(jié)狀態(tài)為半滑動半連續(xù)狀態(tài)．

3) 為了定量評價層間黏結(jié)狀態(tài),結(jié)合數(shù)值模擬的方法提出了層間黏結(jié)百分率η作為評價指標(biāo),層間拉毛、灑布透層油和不做處理試件的初始黏結(jié)百分率分別為71.5%,54%,45%,當(dāng)施加荷載816次時,層間黏結(jié)百分率分別為66%,47%,40.5%,層間拉毛的試件抵抗層間破壞的能力最強(qiáng),但仍不能確保層間處于完全連續(xù)狀態(tài)．因此,在后續(xù)研究中,將考慮采取更多層間黏結(jié)措施,進(jìn)行相應(yīng)的測試與評價．

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Experimental study on mechanical properties and bond condition at interlayer between asphalt surface and semi-rigid base

Wu Shuhua1Chen Huaxin1Zhang Jiupeng2Pei Jianzhong2Zhang Zhonghua3

(1School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)>(2School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710061, China)(3Nanyang Highway Administration of Henan Province, Nanyang 473057, China)

Abstract:To evaluate interlayer bond effect through different treatments at interface between asphalt surface and semi-rigid base, and interlayer bond condition under repeated loading cycles, the roughening treated, untreated, emulsified asphalt treated specimen were compared. The repeated shear tests were conducted to analyze interlayer interface mechanical response under different numbers of loading cycles and bonding conditions. The interlayer bond coefficient Ks was selected as an evaluation index of interlayer bond properties. The experimental results show that the interface shear stress and relative displacement are the smallest, and shear reaction modulus are the largest, and the fatigue life is 584 cycles for the roughening treated specimen, It is shown that the improvement on the interface bonding condition of roughening treatment is the best. However, even with the best treatment of roughening, the interface is still in the half bonding and sliding condition. In addition, the finite element simulation of the repeated shear test under the full bonding interlayer condition was conducted. It can be concluded that the bonding percentage for the roughening treated, untreated and emulsified asphalt treated specimen is 71.5%，54%, and 45%, respectively.

Key words:asphalt pavement;semi-rigid base;interlayer bonding condition;mechanical property;repeated shear test

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.028

收稿日期:2015-08-04.

作者簡介:武書華(1984—),女,博士生;裴建中(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師, peijianzhong@126.com．

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51378073,51408043)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2014JQ7278)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(310821153502, 310821152003)．

中圖分類號:U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0406-07

引用本文: 武書華,陳華鑫,張久鵬，等.半剛性基層瀝青路面層間界面力學(xué)特性與黏結(jié)狀態(tài)的試驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(2):406-412. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.028.