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    基于層間剪切的瀝青路面粘層力學(xué)性能研究*

    2013-08-18 03:28:22雷茂錦朱耀庭
    關(guān)鍵詞:粘層抗剪層間

    朱 俊 雷茂錦 張 航 朱耀庭

    (江西省交通科學(xué)研究院1) 南昌 330038) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

    0 引 言

    瀝青路面粘層與橋面防水材料粘層在作用原理及評(píng)價(jià)體系有相似之處,美國(guó)是最早開展橋面防水粘結(jié)層研究的國(guó)家之一,NCHRP在1976年發(fā)表的橋面防水報(bào)告中介紹了防水膜性能的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法[1].在國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì)路面材料裂縫破壞現(xiàn)象的研究主要集中在層底拉應(yīng)力的疲勞問(wèn)題上,引入層間粘結(jié)疲勞的概念,以道路曲線段出現(xiàn)的自上而下的縱向裂縫(top-down cracking)為出發(fā)點(diǎn),用三維有限元分析計(jì)算了重復(fù)水平荷載作用下路面層間結(jié)合疲勞性能,通過(guò)自行設(shè)計(jì)開發(fā)出層間結(jié)合雙剪測(cè)試裝置,進(jìn)行了不同溫度條件下的加速剪切加載試驗(yàn),建立了剪切疲勞方程,評(píng)價(jià)了傳統(tǒng)的層間結(jié)合類型的剪切疲勞特性,并進(jìn)行路面分析和路面壽命評(píng)價(jià)[2-4].

    路面結(jié)構(gòu)的層間狀態(tài)對(duì)其使用性能有顯著影響,層間狀態(tài)光滑條件下的基層結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度以及疲勞壽命都較層間連續(xù)狀態(tài)下的要小,就受層間狀態(tài)影響程度而言,早期抗壓強(qiáng)度較后期強(qiáng)度更明顯,而路面結(jié)構(gòu)的抗折強(qiáng)度和疲勞壽命受路面層間狀態(tài)的影響更為顯著[5].隨著交通量和重型車輛的增加,由于層間損壞而發(fā)生的路面早期病害不僅妨礙了正常交通,影響路面美觀,更易造成交通事故,也給維修、養(yǎng)護(hù)工作帶來(lái)了很大的困難.因此,有必要對(duì)路面粘層開展剪切試驗(yàn)研究.

    1 試驗(yàn)原理

    瀝青路面層間滑移、兩層皮、坑槽和波浪擁包等病害是層間剪切強(qiáng)度不足造成的破壞,即因路面層間的抗剪切強(qiáng)度不足以抵抗剪切面上的剪應(yīng)力,因而導(dǎo)致剪切變形急劇發(fā)展和累積而造成的破壞.這種路面層間抗剪切應(yīng)力破壞的能力,稱為路面層間抗剪強(qiáng)度.

    在層間破壞的瞬間,層間接觸面的剪應(yīng)力數(shù)值等于層間界面的抗剪強(qiáng)度[6],即

    式中:τ為層間接觸面的剪應(yīng)力,MPa;τf為層間界面的抗剪強(qiáng)度,MPa;Pmax為最大水平剪切力,N;A為試樣截面積,m2.式(1)就是層間應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài),并據(jù)此來(lái)判斷層間界面是否破壞.

    已知一點(diǎn)的兩個(gè)正交平面上的大、小主應(yīng)力分別為σ1,σ3,則該點(diǎn)任意平面上法向壓應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ可根據(jù)靜立平衡條件求得:

    直接剪切試驗(yàn)的原理是根據(jù)庫(kù)倫定律,抗剪強(qiáng)度τf是剪切平面上法向應(yīng)力σ的函數(shù).試件的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向應(yīng)力成正比,將同一組試件分別在不同的法向應(yīng)力作用下沿固定的剪切面直接施加水平剪切力直至試件破壞,得到剪壞時(shí)最大剪應(yīng)力,即為抗剪強(qiáng)度,然后根據(jù)庫(kù)倫定律確定試件層間材料參數(shù)c和φ值.工作原理見圖1.

    圖1 剪切儀工作原理圖

    土體力學(xué)學(xué)者研究認(rèn)為莫爾-庫(kù)侖破壞理論解釋土的破壞最成功[7].對(duì)瀝青路面各面層之間以及基層和面層間的剪切破壞,國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者認(rèn)為同樣可以用莫爾-庫(kù)侖破壞強(qiáng)度理論解釋[8-10],其表達(dá)式為:

    式中:σ為剪切面的法向應(yīng)力,MPa;φ為材料的內(nèi)摩擦角,(°);c為材料的粘聚力,MPa.

    2 室內(nèi)試驗(yàn)

    2.1 試驗(yàn)方案

    分別采用普通乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青和摻加水泥的乳化瀝青作為粘結(jié)層材料,層間結(jié)合料用量分別為0,0.2,0.4,0.6kg/m2旨在分析材料種類及用量對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律.結(jié)合江西省濕熱山區(qū)氣候條件,夏季高溫時(shí),瀝青混凝土路面的表面溫度可以達(dá)到50℃,并且基本上可以保持2h以上,考慮高溫對(duì)路面層間抗剪強(qiáng)度影響的最不利情況,取50℃作為路面表面的極端氣溫,同時(shí)結(jié)合瑞尋高速公路氣候特點(diǎn),本試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度設(shè)定為30,40和50℃.參照瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn),將瀝青混合料層間結(jié)合試件,在規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫48h,然后測(cè)定其浸水剪切強(qiáng)度,以評(píng)定不同層間材料的水穩(wěn)定性能.同時(shí),為了模擬濕熱地區(qū)的氣候特性,將浸水溫度選定為40和50℃.

    2.2 試件成型

    1)利用馬歇爾擊實(shí)成型高度為(50±0.5)mm的下層試件.

    2)試件冷卻后撒上規(guī)定用量的粘結(jié)層材料,讓其在自然環(huán)境條件下破乳固結(jié).待完全固化后,用塑料薄膜封閉養(yǎng)護(hù)以待備用.

    3)事先加工好與馬歇爾試筒相匹配的上層試筒,將拌和好的上層瀝青混合料倒入加工好的試筒內(nèi),放置馬歇爾擊實(shí)機(jī)上進(jìn)行擊實(shí)成型面層,成型的上層試件高度仍為(50±0.5)mm.待上層瀝青混合料溫度降至室溫時(shí)脫模.脫模時(shí)應(yīng)注意輕拿輕放,不要擾動(dòng)層間粘結(jié)狀態(tài).試件制作及成型見圖2.

    圖2 試件成型

    3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

    3.1 不加豎向力的剪切試驗(yàn)

    采用自主開發(fā)的剪切儀對(duì)室內(nèi)制作成型的試件進(jìn)行了不加豎向力的水平剪切試驗(yàn),得到了各個(gè)試件在不同試驗(yàn)溫度和浸水條件下的層間抗剪強(qiáng)度,其結(jié)果如表1所列.

    由表1可以看出,以普通乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘層的抗剪強(qiáng)度大多隨層間結(jié)合料用量的增加先增加而后減小.相比而言,以SBS改性瀝青作為粘層時(shí),其抗剪強(qiáng)度最大.瀝青受溫度影響很大,隨著試驗(yàn)溫度的增加,粘層的抗剪強(qiáng)度大大降低.在高溫試驗(yàn)條件下,相同撒布量的SBS改性乳化瀝青的性能好于普通瀝青.因此,從經(jīng)濟(jì)性、高溫和常溫條件下相同撒布量的抗剪強(qiáng)度來(lái)看,SBS改性乳化瀝青性能優(yōu)于普通乳化瀝青,且用量為0.4kg/m2時(shí)最佳.浸水抗剪強(qiáng)度有所降低,水份的介入弱化了層間抗剪能力,而加入水泥后的粘層材料浸水強(qiáng)度提高近20%,可見,水泥穩(wěn)定后的瀝青路面層間粘結(jié)材料抗水穩(wěn)定性有了較大提升.

    表1 層間剪切試驗(yàn)結(jié)果(不加豎向力)

    3.2 加豎向力的剪切試驗(yàn)

    為了更好地闡述瀝青路面層間材料的性能,借鑒莫爾-庫(kù)倫破壞理論,對(duì)剪切破壞行為進(jìn)行描述,對(duì)不同豎向壓力作用下的剪切強(qiáng)度擬合曲線如圖3和4所示,各條件下抗剪試驗(yàn)結(jié)果見表2,強(qiáng)度參數(shù)見表3.

    表2 層間剪切試驗(yàn)結(jié)果(加豎向力)

    表3 抗剪強(qiáng)度莫爾-庫(kù)倫理論參數(shù)結(jié)果

    綜合分析加豎向力的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,相同材料用量條件下,SBS改性瀝青作為粘層時(shí),其抗剪強(qiáng)度更大.普通乳化瀝青用量0.6kg/m2時(shí)抗剪強(qiáng)度最大,SBS改性乳化瀝青用量0.4kg/m2時(shí)抗剪強(qiáng)度最大.

    圖3 50℃普通乳化瀝青抗剪強(qiáng)度莫爾-庫(kù)倫理論擬合圖

    圖4 50℃SBS改性乳化瀝青抗剪強(qiáng)度莫爾-庫(kù)倫理論擬合圖

    在50℃條件,不加豎向力的各種材料層間抗剪強(qiáng)度較小,它主要由材料的粘聚力決定;而施加豎向力之后的層間抗剪強(qiáng)度明顯增大,其層間抗剪強(qiáng)度主要由層間界面摩擦力大小、表面粗糙率以及材料的粘聚力大小等決定,且抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力大小成正比例關(guān)系.

    4 實(shí)體工程研究

    4.1 試驗(yàn)路概況

    本項(xiàng)目為濟(jì)南至廣州高速公路在江西境內(nèi)的最后一段,即瑞金至尋烏段(贛粵界),全長(zhǎng)123.956km.路線地處贛南,為南嶺山脈、武夷山脈與羅霄山脈的交匯地帶,屬于亞熱帶南緣,呈典型亞熱帶的丘陵山區(qū)的濕潤(rùn)季風(fēng)氣候.四季分明,光熱充足,冷暖顯著,降水豐沛而分配不均,全年大風(fēng)日較少,平均風(fēng)速為1.8m/s.年平均的氣溫19.3℃,區(qū)域1月平均氣溫最低,為8.2℃,7月平均氣溫最高,達(dá)28.6℃,極端最高氣溫38℃以上,極端最低氣溫可達(dá)-5℃以下.年平均降水量1 647.3mm,12月降水最少為49.1mm,5月降水最多,為266.7mm,年平均降水日數(shù)161.7d,年平均大風(fēng)日3.7d,年平均霜期78d.

    路面采用瀝青混凝土路面,設(shè)計(jì)使用年限15a,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100kN.綜合調(diào)查交通量和遠(yuǎn)景預(yù)測(cè)交通量的同時(shí)考慮車輛超載的因素,設(shè)計(jì)年限內(nèi)彎沉設(shè)計(jì)與瀝青層彎拉設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次為1 725.19萬(wàn)次、半剛性基層彎拉設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次為3 186.16萬(wàn)次.

    結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果和項(xiàng)目實(shí)體工程需求,試驗(yàn)路段層間粘層材料采用了SBS改性乳化瀝青和摻3%水泥的SBS改性乳化瀝青兩種方案,用量均為0.4kg/m2.以此對(duì)比分析兩種方案的粘結(jié)效果,并驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)成果.

    4.2 芯樣檢測(cè)及效果評(píng)價(jià)

    對(duì)芯樣進(jìn)行了切割加工和室內(nèi)剪切試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度為室溫27℃).以此來(lái)驗(yàn)證層間處治方法和材料的合理性,為瀝青路面層間粘結(jié)層的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù).芯樣的檢測(cè)結(jié)果見表4.

    表4 芯樣室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果

    分析表4可以看出:2種粘層類型的芯樣剪切強(qiáng)度(除芯樣層間有裂縫外)均大于1.0MPa,同樣粘層材料用量0.4kg/m2條件下,加3%水泥SBS改性乳化瀝青芯樣的剪切強(qiáng)度較SBS改性乳化瀝青芯樣的剪切強(qiáng)度增大了34.3%.層間接觸狀態(tài)(裂縫)對(duì)層間抗剪切強(qiáng)度影響很大.正常芯樣的剪切破壞面呈現(xiàn)了一定程度的不規(guī)則,這說(shuō)明增加粘層材料后,使的層間抗剪強(qiáng)度得到了加強(qiáng),其抗剪強(qiáng)度大于瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度.

    此外,將芯樣剪切結(jié)果與室內(nèi)制作試件的剪切結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)芯樣的剪切強(qiáng)度要大很多.這是因?yàn)槭覂?nèi)制作試件是采用馬歇爾擊實(shí)成型的,而實(shí)際路面施工采用輪胎壓路機(jī)碾壓施工,兩者層間界面粗糙度、瀝青混合料的密實(shí)度和空隙率都有差異.

    5 結(jié) 論

    1)相對(duì)30℃條件下,50℃條件下的層間抗剪強(qiáng)度損失了70%.浸水導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度降低,通過(guò)在SBS改性乳化瀝青種摻水泥,使層間浸水抗剪強(qiáng)度提高近20%.

    2)50℃條件下,對(duì)試件進(jìn)行加豎向壓力的層間剪切試驗(yàn),得到了兩類粘結(jié)層材料的層間抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ值,SBS改性乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度比普通乳化瀝青的抗剪強(qiáng)度大.

    3)對(duì)瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度影響最敏感的因素首先是溫度,其次是粘層材料用量,再次是粘層材料類型和雨水的浸入.SBS改性乳化瀝青抗剪性能優(yōu)于普通乳化瀝青,且最佳用量為0.4 kg/m2.

    4)對(duì)試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)取芯并進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn),摻3%水泥SBS改性乳化瀝青的層間抗剪切強(qiáng)度為1.508 5MPa;SBS改性乳化瀝青的層間抗剪切強(qiáng)度為1.122 8MPa.

    在濕熱環(huán)境,重載交通和高溫作用下,瀝青路面層間處治材料抗剪強(qiáng)度的不足,會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)甚至受到嚴(yán)重破壞.基于層間抗剪強(qiáng)度而言,SBS改性乳化瀝青優(yōu)于普通乳化瀝青,濕熱地區(qū)公路瀝青路面應(yīng)該優(yōu)先選擇聚合物改性乳化瀝青作為粘層材料.在SBS改性乳化瀝青中摻入一定量的水泥,可以提高高溫濕熱環(huán)鏡下粘層的抗剪強(qiáng)度,摻量一般為3%~5%.瀝青路面設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)該合理選擇粘層材料類型及其用量,以滿足瀝青路面的層間抗剪強(qiáng)度要求,避免早期損壞,保證服役性能穩(wěn)定,延長(zhǎng)使用壽命.

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