水泥混凝土路面瀝青混凝土功能層剪切變形性能

何 銳，陳拴發(fā)，胡 苗，陳華鑫，盛燕萍

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.長(zhǎng)安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061；3.廣西交通科學(xué)研究院 廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；4.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

與瀝青路面相比，水泥混凝土路面具有承載力大、穩(wěn)定性好、造價(jià)低、對(duì)交通等級(jí)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是，中國早期修建的水泥混凝土路面普遍存在著使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限的現(xiàn)象［1－2］.研究表明，水泥混凝土路面的早期破壞主要是由于基層的不均勻支撐及面板與基層之間的不良接觸所引起［3－4］.在水泥混凝土面板和基層之間設(shè)置瀝青混凝土功能層（簡(jiǎn)稱功能層）以后，不僅可以有效改善水泥混凝土路面的層間接觸狀況，還能減少基層沖刷，有效延長(zhǎng)基層使用壽命.同時(shí)，水泥混凝土面板下的柔性功能層可以起到很好的彈性緩沖作用，有效緩解輪載傳遞來的動(dòng)態(tài)沖擊，起保護(hù)面層和基層的作用.

鑒于以上原因，研究人員對(duì)設(shè)置功能層的水泥混凝土路面力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并鋪筑了試驗(yàn)路，但是，關(guān)于功能層瀝青混凝土剪切變形性能的研究仍鮮有涉及［5－6］.研究表明，在車輛荷載作用下，功能層內(nèi)部將產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力.因此，為防止功能層發(fā)生剪切破壞或過大的永久變形，需要對(duì)其瀝青混凝土的剪切變形性能進(jìn)行驗(yàn)證.本文采用自主開發(fā)的功能層累積變形測(cè)試裝置，對(duì)功能層瀝青混凝土在重復(fù)荷載作用下的剪切變形性能進(jìn)行了研究，并根據(jù)灰關(guān)聯(lián)理論對(duì)其影響因素進(jìn)行了定量分析.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用SK－90基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示；集料采用玄武巖；礦粉采用石灰?guī)r磨制的石粉.礦料的物理性能指標(biāo)見表2.

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Properties of asphalt

表2 礦料的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical properties of the mineral aggregates

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，參照規(guī)范中各級(jí)配范圍，選用3種瀝青混凝土AC－16，AC－13 和AC－10作為功能層材料進(jìn)行試驗(yàn)，所采用的級(jí)配如表3所示.采用馬歇爾試驗(yàn)確定3種級(jí)配的最佳油石比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為4.2%，4.8%和5.0%.為了分析不同級(jí)配與瀝青用量對(duì)功能層瀝青混凝土累積變形的影響，在最佳瀝青用量的基礎(chǔ)上變換瀝青用量0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分別進(jìn)行了3 組對(duì)比試驗(yàn).

表3 試驗(yàn)用礦料級(jí)配Table 3 Gradation of the mineral aggregates

1.2 試驗(yàn)方法

由于功能層設(shè)置于水泥混凝土路面板與基層之間，不直接承受行車荷載的碾壓和沖擊作用，也沒有暴露在大氣之中受外界溫度和環(huán)境的直接影響.因此，采用常規(guī)的車轍試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)和三軸試驗(yàn)都無法模擬該功能層的實(shí)際受力狀況.根據(jù)功能層的實(shí)際受力環(huán)境，理想的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)是該功能層位于完全側(cè)限條件下，四端處于固結(jié)狀態(tài)，在上端處于懸臂狀態(tài)的一側(cè)施加重復(fù)動(dòng)荷載，觀察施加荷載處的累積變形情況.本文提出的功能層累積變形測(cè)試原理如圖1所示，測(cè)試裝置如圖2所示.由于實(shí)際狀態(tài)下水泥混凝土路面板和基層的壓縮變形很小，所以該裝置采用鋼板墊片近似代替路面基層，上部活動(dòng)鋼板代替水泥混凝土面板.上部活動(dòng)鋼板之間的縫隙模擬面板之間的接縫，荷載作用于面層接縫處，功能層在四端固結(jié)的狀態(tài)下受力，測(cè)試在重復(fù)動(dòng)荷載作用下該功能層最不利受力位置處產(chǎn)生的永久變形.功能層側(cè)面采用硬質(zhì)橡膠墊片進(jìn)行固定，以模擬路面結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束作用.

圖1 功能層累積變形測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic of accumulated deformation test device for function layer

圖2 功能層累積變形測(cè)試裝置Fig.2 Test equipment of accumulated deformation for function layer

在室內(nèi)采用輪碾法成型瀝青混凝土車轍板后，切割成30cm×5cm×5cm 的梁式試件，每種級(jí)配每個(gè)油石比制備3 個(gè)平行試件，共27 個(gè)試件.在MTS動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)系統(tǒng)上對(duì)功能層累積變形測(cè)試裝置進(jìn)行重復(fù)加載，試驗(yàn)溫度為20℃，加載波形為連續(xù)正弦波，峰值荷載為0.7 MPa，最小荷載為0，加載頻率為10Hz，加載作用次數(shù)為0～50 000次.試驗(yàn)開始時(shí)，先緩慢加載至0.1MPa預(yù)壓1min，待壓頭與鋼板接觸面充分結(jié)合后，進(jìn)行正常力加載，同時(shí)采集試件的變形.在工程實(shí)踐中，功能層的厚度一般為3～5cm［2，5］，且隨著厚度的增加其累積變形逐漸增大.針對(duì)這種情況，本文從較不利狀態(tài)考慮，將功能層厚度固定為5cm.

2 結(jié)果與分析

2.1 累積變形與破壞形態(tài)

3種功能層的累積變形隨荷載作用次數(shù)變化趨勢(shì)如圖3所示.從圖3可以看出，在荷載作用下功能層的初期累積變形快速增大，當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到3 000次左右時(shí)，變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，增長(zhǎng)變緩.當(dāng)作用次數(shù)達(dá)到10 000次以后，變形增長(zhǎng)基本呈1條平緩的直線，變形增量很小.在整個(gè)循環(huán)加載過程中，無論是哪種功能層，累積變形均呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，其區(qū)別在于不同的功能層在各個(gè)階段的變形量不同.根據(jù)重復(fù)荷載作用下瀝青混凝土永久變形特性可知［7－8］，當(dāng)作用次數(shù)在3 000次以內(nèi)時(shí)，永久變形發(fā)展處于初始階段，功能層在荷載作用下發(fā)生塑性壓密變形；當(dāng)作用次數(shù)超過3 000次以后，永久變形處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，功能層在荷載的剪切作用下發(fā)生相對(duì)穩(wěn)定的剪切變形，且變形到一定值后基本不再增加，呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì).

總體來看，瀝青用量對(duì)于功能層變形增長(zhǎng)率影響較明顯，隨著瀝青用量的增大，其累積變形逐漸增大.瀝青混凝土的抗變形性能主要取決于瀝青的黏結(jié)力和礦料顆粒之間的嵌擠力，因此，在荷載作用下，瀝青用量越大的混凝土其內(nèi)部的自由瀝青及瀝青與礦料形成的瀝青膠漿將越容易產(chǎn)生剪切變形，導(dǎo)致累積變形增長(zhǎng)越快.

功能層試件的累積變形和破壞形態(tài)如圖4～5所示.從圖4～5可以看出，在重復(fù)荷載作用下，試件的一側(cè)產(chǎn)生明顯的累積變形，并且有可能發(fā)生斷裂或壓碎破壞.室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中，由于車輛荷載的長(zhǎng)期反復(fù)作用，位于面板接縫處和面板角隅處的功能層會(huì)發(fā)生變形、破碎或斷裂等破壞.當(dāng)功能層累積變形過大或產(chǎn)生裂縫破壞后，就會(huì)失去原有的作用，造成板底脫空和基層沖刷等病害.試驗(yàn)表明，累積變形在3.0mm 以下的試件，只是發(fā)生了變形、翹曲等現(xiàn)象，尚未發(fā)生斷裂等破壞，而發(fā)生內(nèi)部壓碎、斷裂的試件，累積變形均在3.5mm以上.鑒于此，為控制功能層的剪切變形性能并便于工程設(shè)計(jì)，本文建議將3.5mm 確定為功能層在上述試驗(yàn)條件下累積變形的最大限值.

2.2 累積變形影響因素

圖3 各功能層累積變形Fig.3 Accumulative deformations for function layer

圖4 試件一側(cè)發(fā)生的變形Fig.4 Permanent deformation on one side of the specimen（2.49mm）

圖5 試件內(nèi)部發(fā)生的斷裂Fig.5 Fracture happened in the specimen（3.70mm）

灰關(guān)聯(lián)理論能在小樣本、貧信息條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而找出各種因素與系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)之間的關(guān)系，分辨出主要因素和次要因素，對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展做出積極有效的引導(dǎo)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，其基本思想是根據(jù)各參數(shù)幾何曲線的相似程度來判斷其聯(lián)系是否密切.相似程度采用關(guān)聯(lián)度描述.關(guān)聯(lián)度描述了各個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度，關(guān)聯(lián)度越大，影響程度越大［9－10］.本文采用灰關(guān)聯(lián)分析探討了瀝青用量、級(jí)配和空隙率等因素對(duì)功能層累積變形的影響程度，分析過程中選擇瀝青用量、礦料級(jí)配和空隙率作為子序列，將該功能層在荷載作用50 000次時(shí)的累積變形作為母序列.根據(jù)分形理論［9－11］，礦料的級(jí)配具有明顯的分形特征，采用分形維數(shù)可以較好表征礦料級(jí)配.因此，本文采用3種礦料的分形維數(shù)作為礦料級(jí)配的定量表征，并進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析.3種礦料的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示.灰關(guān)聯(lián)分析的計(jì)算安排與相關(guān)參數(shù)如表5所示.對(duì)表5按照灰關(guān)聯(lián)分析的一般步驟進(jìn)行分析，計(jì)算母序列與子序列的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表6所示.

表4 礦料級(jí)配分形維數(shù)Table 4 Fractal dimension of aggregate gradations

從表6 可見，灰關(guān)聯(lián)度的排序結(jié)果為瀝青用量＞級(jí)配＞空隙率，功能層累積變形受瀝青用量的影響最大，其次是礦料級(jí)配，影響最小的是空隙率.可以斷定，瀝青與礦料的性能以及瀝青的用量，直接影響著功能層的抗變形能力.因此，在進(jìn)行功能層瀝青混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮瀝青用量和礦料級(jí)配的影響，為防止功能層累積變形過大而造成水泥混凝土面板底部脫空，其瀝青用量應(yīng)在滿足水穩(wěn)定性能的基礎(chǔ)上，采用略低于馬歇爾試驗(yàn)方法確定的最佳瀝青用量.

表5 計(jì)算安排及參數(shù)Table 5 Calculation arrangements and related parameters

表6 灰關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation result of graycorrelation

2.3 變形機(jī)理分析

綜上所述，功能層的累積變形來自于壓密變形和永久剪切變形的共同作用.壓密變形是指體積發(fā)生減小的變形，永久剪切變形是指只發(fā)生形狀改變而不發(fā)生體積減小的變形.為了研究功能層累積變形的產(chǎn)生機(jī)理，本文對(duì)試件的變形規(guī)律進(jìn)行了分析，其中試驗(yàn)前后試件的寬度變化如表7所示.在累積變形測(cè)試完成之后，試件頂面發(fā)生了不規(guī)則變形，為了測(cè)試試驗(yàn)前后試件發(fā)生的體積變化，采用鋪砂法測(cè)量不規(guī)則變化的體積，以此來分析體積變形（見圖6）.測(cè)試過程中首先將細(xì)砂填充到試件右側(cè)凹陷處，用直尺將細(xì)砂抹平與左側(cè)未變形頂面齊平，然后稱取所用細(xì)砂的質(zhì)量，再除以細(xì)砂的密度得到體積.試件體積變化測(cè)試結(jié)果如表8所示.

表7 試件的寬度變化Table 7 Width change of specimens

圖6 鋪砂法測(cè)試原理Fig.6 Testing principle of sand patch test

表8 試件的體積變化Table 8 Volume change of specimens

由表7，8可以看出，試驗(yàn)前后試件的寬度變化率遠(yuǎn)大于其體積變化率，說明試驗(yàn)后試件的側(cè)向擠出變形大于壓密作用導(dǎo)致的試件體積減小的變形.因此可以斷定，功能層產(chǎn)生累積變形的主要原因是接縫處面板的剪切推擠作用，而非壓密作用.為了保證功能層獲得較強(qiáng)的抗變形能力，并提高路面結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)提高該功能層混凝土自身的抗剪強(qiáng)度.

3 結(jié)論

（1）功能層累積變形測(cè)試裝置能較好模擬功能層的實(shí)際受力狀態(tài)，在重復(fù)荷載作用下，該功能層的累積變形均呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)；當(dāng)重復(fù)荷載作用次數(shù)小于3 000次時(shí)，永久變形發(fā)展處于初始階段，功能層產(chǎn)生塑性壓密變形；當(dāng)重復(fù)荷載作用次數(shù)大于3 000次時(shí)，永久變形處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，功能層產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定發(fā)展的剪切變形.

（2）在重復(fù)荷載作用下，試件的一側(cè)產(chǎn)生明顯的累積變形，并且有可能發(fā)生斷裂或壓碎破壞.對(duì)于累積變形在3.0mm 以下的試件，只發(fā)生了變形、翹曲等現(xiàn)象，而發(fā)生內(nèi)部壓碎、斷裂的試件，累積變形均在3.5mm 以上.為控制功能層的剪切變形性能并便于工程設(shè)計(jì)，建議將3.5mm 確定為其在本文試驗(yàn)條件下累積變形的最大限值.

（3）功能層累積變形受瀝青用量的影響最大，其次是礦料級(jí)配，空隙率影響最小.為防止功能層累積變形過大而造成水泥面板底部脫空，應(yīng)在滿足水穩(wěn)定性能的基礎(chǔ)上，使用略低于馬歇爾試驗(yàn)方法確定的最佳瀝青用量.

（4）試件的側(cè)向擠出變形大于壓密作用導(dǎo)致的試件體積減小的變形，說明功能層產(chǎn)生累積變形的主要原因是接縫處面板的剪切推擠作用，而非壓密作用.為了保證功能層獲得較強(qiáng)的抗變形能力，提高路面結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)提高該功能層瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度.

［1］葛折圣，張衛(wèi)軍.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的力學(xué)分析［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，26（6）：23－26.GE Zhesheng，ZHANG Weijun.Mechanic property of asphalt concrete overlay on old cement concrete pavement［J］.Journal of Chang'an University：Natural Science，2006，26（6）：23－26.（in Chinese）

［2］孫萌.設(shè)層間功能層的水泥混凝土路面面層應(yīng)力分析［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.SUN Meng.The stress analysis for surface layer of cement conerete pavement with function layer［D］.Xi'an：Chang'an University，2010.（in Chinese）

［3］廉向東，付欣，熊銳，等.基于層間功能層的水泥混凝土路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)灰關(guān)聯(lián)分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，32（6）：13－17.LIAN Xiangdong，F(xiàn)U Xin，XIONG Rui，et al.Grey incidence analysis of dynamic response of cement concrete pavement with function layer［J］.Journal of Zhengzhou University：Engineering Science，2011，32（6）：13－17.（in Chinese）

［4］易志堅(jiān)，吳國雄，周志祥，等.基于斷裂力學(xué)原理的水泥砼路面破壞過程分析及路面設(shè)計(jì)新構(gòu)想［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20（1）：1－5.YI Zhijian，WU Guoxiong，ZHOU Zhixiang，et al.Failure process analysis of cement concrete pavement based on fracture mechanics and a new idea of pavement design［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（1）：1－5.（in Chinese）

［5］蔡燕霞，臧芝樹，付欣.設(shè)置層間功能層的剛性基層水泥混凝土路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)灰關(guān)聯(lián)分析［J］.公路交通科技，2012，29（11）：35－36.CAI Yanxia，ZANG Zhishu，F(xiàn)U Xin.Grey incidence analysis of dynamic response of cement concrete pavement based on rigid base with function layer［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2012，29（11）：35－36.（in Chinese）

［6］DEMPSEY B J.Development and performance of interlayer stress－absorbing composite in asphalt concrete overlays［J］.Transportation Research Board，2002，1809（1）：175－183.

［7］張久鵬，黃曉明，李輝.重復(fù)荷載作用下瀝青混合料的永久變形［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，38（3）：511－515.ZHANG Jiupeng，HUANG Xiaoming，LI Hui.Permanent deformation of asphalt mixture under repeated load［J］.Journal of Southeast University：Natural Science，2008，38（3）：511－515.（in Chinese）

［8］許嚴(yán)，孫立軍，劉黎萍.基于單軸貫入重復(fù)剪切試驗(yàn)的瀝青混合料永久變形［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，41（8）：1203－1207.XU Yan，SUN Lijun，LIU Liping.Research on asphalt mixture permanent deformation by single penetration repeated load test［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2013，41（8）：1203－1207.（in Chinese）

［9］熊銳，陳拴發(fā)，關(guān)博文，等.乳化瀝青混合料強(qiáng)度影響因素的灰關(guān)聯(lián)熵分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010，31（6）：60－64.XIONG Rui，CHEN Shuanfa，GUAN Bowen，et al.Grey correlation entropy analysis of influence factors on the strength of emulsified asphalt mixture［J］.Journal of Zhengzhou University：Engineering Science，2010，31（6）：60－64.（in Chinese）

［10］李艷春，孟巖，周驪巍，等.瀝青混合料空隙率影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2007，20（1）：30－34.LI Yanchun，MENG Yan，ZHOU Liwei，et al.Grey relation degree analysis of influence factors on asphalt mixtures voids［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20（1）：30－34.（in Chinese）

［11］楊群，郭忠印，陳立平，等.級(jí)配碎石分形特征分析及其在路面工程中的應(yīng)用［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9（4）：418－422.YANG Qun，GUO Zhongyin，CHEN Liping，et al.Fractal analysis of gradation aggregate and its applications in pavement engineering［J］.Journal of Building Materials，2006，9（4）：418－422.（in Chinese）