薄層罩面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)技術(shù)指標(biāo)研究

劉娜

(山東公路技師學(xué)院，山東濟南 250104)

0 引言

薄層罩面作為一項新型預(yù)防性養(yǎng)護技術(shù)，可以對破壞路面進行修復(fù)，糾正路面平整度和非荷載性破壞等引起的強度降低問題，同時可起到路面抗滑和防水的作用，從而減少路面維修或重建帶來的時間和資金浪費，達到延長原路面使用壽命的效果[1-3]。該技術(shù)出現(xiàn)時間不長，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中未對其層間性能和指標(biāo)作詳細要求。隨著交通量和汽車載質(zhì)量的增加，鋪筑薄層罩面在投入運營后不久，常出現(xiàn)推移、擁包、開裂和“兩層皮”等病害，過早失去路面預(yù)防性養(yǎng)護的目的[4-6]。這些病害通常是由薄層罩面與原路面層間黏結(jié)性能較差引起的。國內(nèi)外學(xué)者針對薄層罩面層間性能進行了大量研究。文獻[7-8]分析了薄層罩面內(nèi)各層應(yīng)力分布趨勢，并討論了厚度、溫度、彈性模量等對薄層罩面應(yīng)力的影響。文獻[9]研究舊水泥混凝土路面加鋪薄層瀝青罩面的力學(xué)行為，并探討了荷載參數(shù)和材料對罩面層結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。文獻[10]通過試驗和仿真手段研究瀝青路面超薄罩面及黏結(jié)層的特性，給出了相應(yīng)的超薄罩面厚度及黏結(jié)層用量。文獻[11]論述了1.27～3.81 cm(0.5～1.5 in)熱拌瀝青薄層罩面在增加結(jié)構(gòu)承載力、改善行駛平順性、增強防滑性、減少噪音和改善排水等方面的優(yōu)越性。文獻[12]等將壽命周期費用引入罩面設(shè)計中，給出性能期最佳罩面厚度設(shè)計的諾謨圖。文獻[13]提出可用于超薄黏結(jié)混凝土罩面(bonded concrete overlays on asphalt, BCOA)設(shè)計程序的有效等效線性溫度梯度(effective equivalent linear temperature gradient, EELTG)，EELTG表示為BCOA所處氣候條件、地理環(huán)境和設(shè)計特點的函數(shù)，為BCOA設(shè)計程序中有效線性溫度梯度輸入提供科學(xué)指導(dǎo)。文獻[14]對比分析了3種情形下加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)在不同層位上的最不利狀況及層間應(yīng)力分布的力學(xué)響應(yīng)差異性。文獻[15]研究了水泥混凝土路面上瀝青薄層罩面及其層間的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律,表明層間結(jié)合狀態(tài)對“白加黑”薄層罩面層內(nèi)拉應(yīng)力和拉應(yīng)變影響顯著。文獻[16]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗表明瀝青馬蹄脂碎石混合料(stone masic asphalt,SMA)作為薄層罩面的經(jīng)濟性和高效性。文獻[17-18]基于灰色關(guān)聯(lián)理論討論了半剛性基層瀝青路面上薄層罩面厚度、荷載等參數(shù)對層間剪應(yīng)力的影響。為防止病害產(chǎn)生，必須保證罩面層與原路面層間具備足夠的黏結(jié)強度，保證薄層罩面長時間具備或接近完全連續(xù)工作狀態(tài)。目前針對薄層罩面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能，很少提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。基于此，本文首先分析薄層罩面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能要求及黏結(jié)強度理論，然后通過對薄層罩面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的層間力學(xué)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)層參數(shù)影響分析，提出符合薄層罩面應(yīng)用的黏結(jié)層技術(shù)指標(biāo)。

1 黏結(jié)層破壞機理及指標(biāo)要求

薄層罩面結(jié)構(gòu)較薄，層間結(jié)合極其重要。黏結(jié)層的作用是使加鋪罩面與原路面形成整體，抵抗行車荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的各種應(yīng)力，特別是層間的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。為使薄層罩面結(jié)構(gòu)具備或接近完全連續(xù)的工作狀態(tài)，達到延長路面使用壽命的目的，其黏結(jié)層應(yīng)滿足以下性能要求：1)能抵抗車輛荷載產(chǎn)生的橫向剪應(yīng)力，避免路面的推移、擁包。2)黏結(jié)層豎向必須具有較好的抗拉拔性能，這就要求其具有較好的黏結(jié)力，使層間不產(chǎn)生滑移、剝離等病害。3)受荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力共同作用，層間應(yīng)力處于反復(fù)變化狀態(tài)，黏結(jié)層抗剪強度衰減。當(dāng)層間剪應(yīng)力超過其抗剪強度時，產(chǎn)生剪切疲勞破壞。因此，黏結(jié)層應(yīng)具備一定的抗疲勞性能；4)具備一定的防水性能，防止路表水進一步下滲，造成路面結(jié)構(gòu)承載能力下降。

1.1 破壞機理

在實際行車荷載作用下，薄層罩面與原路面層間的破壞機理相當(dāng)復(fù)雜，層間剪切破壞是其中一個非常重要的因素。層間的抗剪切強度不能抵抗剪切面上的剪應(yīng)力作用，路面遭到破壞并迅速蔓延，路面結(jié)構(gòu)喪失功能。

在進行瀝青路面層間抗剪性能和穩(wěn)定性分析時，常用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強度理論[19-21]進行分析。黏結(jié)層的強度主要來自摩擦力和黏結(jié)力，摩擦力是靠上下瀝青面層礦料顆粒之間的摩擦和嵌擠作用形成的，黏結(jié)力主要來自于黏層材料本身的黏結(jié)力以及瀝青與礦料之間的黏結(jié)力。

薄層罩面結(jié)構(gòu)與原路面面層之間的剪切是一種典型的非金屬材料剪切破壞。根據(jù)莫爾-庫倫理論，當(dāng)水平剪應(yīng)力達到瀝青路面層間的抗剪強度τf時，達到極限平衡應(yīng)力狀態(tài)，瀝青路面層間將發(fā)生剪切破壞。剪切平面上的法向應(yīng)力σ與τf成函數(shù)關(guān)系：

τf=f(σ)，

在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，可以用線性函數(shù)近似表示：

τ=c+σtanφ,

(1)

式中：c為黏聚力,τ為剪應(yīng)力，σ為正應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)摩爾-庫倫理論可知，當(dāng)層間光滑接觸時(即τ=0)，較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，層間相對滑動現(xiàn)象更加嚴(yán)重；連續(xù)接觸時，在車輛荷載作用下應(yīng)力分布相對均勻，層間不易發(fā)生破壞。因此，薄層罩面結(jié)構(gòu)黏結(jié)層的強度直接關(guān)系到罩面層牢固程度。黏結(jié)強度不夠會產(chǎn)生軟弱面，在車輛荷載反復(fù)作用下，薄層罩面結(jié)構(gòu)層間更容易破壞。

1.2 黏結(jié)層技術(shù)指標(biāo)

在行車荷載作用下層間出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力為τmax，黏結(jié)層材料的容許抗剪強度為τR。以罩面層和上面層層間的最大剪應(yīng)力作為設(shè)計指標(biāo)時，必須滿足層間出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力不超過黏結(jié)層材料的容許抗剪強度，即：

τmax≤τR。

(2)

假定層間產(chǎn)生的豎向最大拉應(yīng)力為σmax，黏結(jié)層材料的容許拉應(yīng)力為σR，必須保證層間產(chǎn)生的豎向最大拉應(yīng)力小于或等于黏結(jié)層材料的容許拉應(yīng)力，即：

σmax≤τR。

(3)

2 薄層罩面結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力計算

層間接觸面是路面結(jié)構(gòu)抵抗水平剪切力的最薄弱環(huán)節(jié)，特別是在施加水平力作用時，可能超過材料的剪切強度而發(fā)生剪切破壞。為研究層間應(yīng)力的一般規(guī)律，同時提出適應(yīng)于薄層罩面結(jié)構(gòu)黏結(jié)層的相應(yīng)指標(biāo)，利用瀝青路面層間應(yīng)力計算軟件BISAR3.0，通過建立薄層罩面結(jié)構(gòu)計算模型對層間應(yīng)力進行模擬計算。

2.1 模型及參數(shù)設(shè)計

薄層罩面結(jié)構(gòu)可看作彈性層狀體系，假定罩面與原路面上面層層間完全連續(xù)接觸，建立如圖1和表1所示計算模型。應(yīng)用彈性層狀體系理論計算雙圓均布垂直荷載與水平荷載綜合作用下的層間應(yīng)力，計算采用標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，輪胎壓強為0.7 MPa。輪壓半徑R為10.65 cm，兩輪中心距為3R=31.95 cm。

圖1 薄層罩面結(jié)構(gòu)計算模型及參數(shù)設(shè)定

表1薄層罩面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

結(jié)構(gòu)層厚度/cm模量/MPa泊松比薄層罩面2.515000.25上面層4.014000.25中面層6.012000.25下面層8.010000.25基層25.015000.25底基層30.05000.25土基40.00.35

在車輛正常行駛和駕駛員有思想準(zhǔn)備的制動、啟動時，水平力系數(shù)f不大，一般小于0.17。車輛在緊急制動、上坡和轉(zhuǎn)彎時，f達0.5左右，最大值接近于路面的摩擦系數(shù)[22-23]。為提出合適的層間技術(shù)指標(biāo)，考慮最不利的狀況，取f=0.5進行計算。

2.2 薄層罩面與原路面層間應(yīng)力預(yù)分析

為確定合適的計算點位，首先進行預(yù)分析處理，預(yù)分析結(jié)果如表2所示。計算時取水平力系數(shù)f=0和f=0.5兩種條件下點位線1和點位線2處的豎向正應(yīng)力σz、垂直于z軸的面且沿x軸方向作用的剪應(yīng)力τzx及沿y軸方向作用的剪應(yīng)力τzy，如圖2所示。

表2 界面層上各點位應(yīng)力計算結(jié)果 kPa

a)俯視圖 b)立面圖圖2 結(jié)構(gòu)計算點位分布

2.2.1 豎向正應(yīng)力變化規(guī)律

由表2可知：無論有無水平力荷載作用，單輪中心下的σz明顯大于雙輪輪隙中心，σz均為壓應(yīng)力。無水平力作用時，σz基本成對稱分布；當(dāng)受水平力荷載作用時，原有正應(yīng)力對稱分布的狀態(tài)發(fā)生改變。單輪中心下和雙輪輪隙中心下的輪胎后部區(qū)域可能會出現(xiàn)拉應(yīng)力。層間出現(xiàn)一定范圍的壓應(yīng)力有益于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而一旦結(jié)構(gòu)層間出現(xiàn)拉應(yīng)力，很容易引起薄層罩面與原路面脫黏現(xiàn)象，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在后續(xù)進行拉應(yīng)力計算時，可只分析單輪中心和雙輪輪隙中心后部區(qū)域，對于輪胎的前部區(qū)域可不予分析。

2.2.2 剪應(yīng)力變化規(guī)律

由表2可知：層間τzx明顯大于τzy，即沿x方向更易產(chǎn)生剪切破壞。在后續(xù)分析層間抗剪時，可僅考慮τzx；在考慮水平力荷載作用時，后半?yún)^(qū)域τzx小于前半?yún)^(qū)域；單輪中心下τzx明顯大于雙輪輪隙中心，因此，在進行后續(xù)分析時，僅分析沿水平力方向前半?yún)^(qū)域的τzx。

圖3 調(diào)整后計算點位線分布

由以上分析可知：層間的τmax出現(xiàn)在單輪中心下前部區(qū)域，σmax在單輪中心下后部區(qū)域。為進一步探究層間最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力變化規(guī)律，擬增加位于單輪內(nèi)外側(cè)側(cè)邊緣及內(nèi)部點位線3(y=0.053 3 m)、4(y=0.106 5 m)、5(y=0.213 0 m)、6(y=0.319 5 m)，如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)層參數(shù)影響分析

為探索薄層罩面層間抗剪和抗拉強度的變化規(guī)律，分析水平力系數(shù)、厚度、溫度等因素對層間應(yīng)力的影響，研究最不利情況下的薄層罩面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)技術(shù)指標(biāo)。

3.1 水平力系數(shù)對層間應(yīng)力影響

通過調(diào)整軟件BISAR3.0中水平力系數(shù)(f=0.2、f=0.4、f=0.6)，計算層間正應(yīng)力和剪應(yīng)力，并分析其對層間應(yīng)力的影響。σz計算結(jié)果如表3所示(因計算量較大，不列出σz和τzx的計算結(jié)果詳表)，對應(yīng)σmax和τmax變化規(guī)律如圖4所示。

由表3和圖4可知：f增大，車輪輪后區(qū)域處界面層產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域逐漸增大；界面層σmax、τmax均隨f的增大而明顯增大，且τmax基本呈線性增大，說明f對界面層σmax、τmax有較大影響；σmax出現(xiàn)的點位并不固定，因此在計算σmax時，不能只考慮某點位或某點位線；τmax均產(chǎn)生于同一位置(x=0.106 5 m，y=0.159 8 m)，即單輪的前緣。

表3 不同水平力系數(shù)時的σz計算結(jié)果 Pa

a)σmax b)τmax圖4 水平力系數(shù)對層間應(yīng)力的影響

3.2 結(jié)構(gòu)層厚度對層間應(yīng)力影響

3.2.1 薄層罩面層厚度

取水平力系數(shù)f=0.5，薄層罩面層厚度H1=1.5、2、2.5、3 cm，計算層間正應(yīng)力和剪應(yīng)力，分析H1變化對層間應(yīng)力的影響。在不同H1下，層間σmax、層間τmax與H1變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知：σmax隨H1增加而增大，且增幅較大。τmax隨H1增加而減小，并隨H1增大，降幅增大。

a)σmax b)τmax圖5 薄層罩面厚度對層間應(yīng)力的影響

3.2.2 面層厚度

路面結(jié)構(gòu)計算模型中上面層厚度H2=3、4、4.5、5 cm，中面層厚度H3=5、6、7、8 cm，下面層厚度H4=8、9、10、11 cm，研究各結(jié)構(gòu)層厚度對σz和τzx的影響，并分析σmax和τmax的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 路面各結(jié)構(gòu)層厚度對σmax、τmax影響變化

由圖6可知：1)σmax和τmax隨H2的增大均出現(xiàn)略微降低趨勢，降幅不明顯，因此，可認為H2對層間σmax、τmax無顯著影響。2)H3增加，σmax稍有增大，τmax略減小，變化幅度相對較小。因此，可認為H3對層間σmax和τmax無顯著影響。3)隨H4增加，σmax都有一定的降低，但不明顯，可認為H4對σmax和τmax幾乎無影響。

3.3 溫度對層間應(yīng)力影響

瀝青混合料是一種具有較強溫度敏感性的熱流變材料，受外界環(huán)境溫度影響較大。溫度變化對瀝青混合料的影響主要體現(xiàn)在混合料的彈性模量上，在力學(xué)分析時考慮溫度的影響是通過改變混合料的彈性模量實現(xiàn)的。 對于薄層罩面結(jié)構(gòu),受薄層罩面和面層的功能性保護作用,溫度對半剛性基層的彈性模量影響不大。由于薄層罩面和面層瀝青混合料厚度相對較薄，且暴露在外界環(huán)境中，受溫度影響較大，因此在考慮溫度對層間應(yīng)力影響時，只考慮溫度對薄層罩面和原路面面層彈性模量的影響。40、60 ℃時材料彈性模量如表4所示。

表4不同溫度下各材料實測模量MPa

材料溫度/℃4060SMA-10687315AC-13642294AC-20550252AC-25459210

考慮溫度隨路面深度方向的變化，采用溫度差模擬函數(shù)[24-25]計算不同深度下各結(jié)構(gòu)層對應(yīng)的實際溫度

(4)

表5 結(jié)構(gòu)層沿深度變化的模擬溫度℃

表6不同溫度下各材料彈性模量MPa

材料路表溫度/℃4060 SMA-10720346AC-13740391AC-20701409AC-25635404

式中：ΔTy為路面結(jié)構(gòu)中溫度差，℃；Pi為路面結(jié)構(gòu)第i層表面溫差，Pi+1=Piexp(-bigi),i=1、2、3，其中P1為路表面溫差值；bi為控制溫差隨深度變化因子(反映路面結(jié)構(gòu)材料不同引起的衰減速率不同)，一般取b1=5，bi+1=bi-1；gi為路面結(jié)構(gòu)第i層厚度，m；hi為路面結(jié)構(gòu)第i層表面的y坐標(biāo)(取與道路長度方向垂直的截面，原點為路面表面，截面水平方向為x軸，垂直向下方向為y軸正向)。

由式(4)可以得到各結(jié)構(gòu)層表面和底面溫度，取結(jié)構(gòu)層上下面溫差均值可近似得出路表溫度為20、40、60 ℃時路面結(jié)構(gòu)隨深度變化對應(yīng)的模擬溫度，如表5所示。

通過對不同溫度下各材料的模量進行非線性回歸擬合內(nèi)插計算溫度，可得到受溫度影響變化后材料彈性模量，如表6所示。

完成計算后，再將結(jié)構(gòu)層彈性模量輸入BISAR軟件中，并由此分析溫度對層間應(yīng)力影響，如圖7所示。

a)σmax b)τmax圖7 溫度對σmax、τmax的影響

由圖7可知：當(dāng)溫度為40 ℃時，σmax比溫度為20 ℃時增加了37.4%，τmax是溫度為20 ℃時的1.04倍；當(dāng)溫度為60 ℃時，σmax較40 ℃時增加了18.3%，τmax是溫度為20 ℃時的1.1倍。由此看出，溫度的升高對于層間σmax和τmax的影響效果顯著，高溫對層間的穩(wěn)定性極其不利。

最后，綜合各因素對層間應(yīng)力的影響分析可知，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為2.6 kPa，最大剪應(yīng)力為390.2 kPa。綜合考慮路面結(jié)構(gòu)的耐久性和其他不利因素的影響，取層間容許拉應(yīng)力[σ]=kσmax，式中k為安全系數(shù)，根據(jù)相關(guān)資料設(shè)k=1.2，可得[σ]=3.1 kPa,[τ]=468.2 kPa。

通過計算取整后，在建立的薄層罩面結(jié)構(gòu)模型研究中，罩面結(jié)構(gòu)層間抗剪強度應(yīng)不小于500 kPa，抗拉強度應(yīng)不小于4 kPa。

4 結(jié)語

針對薄層罩面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能不足導(dǎo)致病害發(fā)生這一狀況，從黏結(jié)層的性能要求及層間黏結(jié)強度理論著手，應(yīng)用瀝青路面層間應(yīng)力計算軟件對薄層罩面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的層間黏結(jié)力學(xué)響應(yīng)進行分析，得到以下結(jié)論：f對σmax、τmax均有顯著影響；σmax隨薄層罩面厚度增加而增大，τmax隨薄層罩面厚度增加而減小，薄層罩面厚度變化對層間應(yīng)力有影響；面層各層厚度的變化對σz、τzx、σmax、τmax均存在一定程度影響，但影響幅度并不明顯，可認為面層厚度對層間應(yīng)力無顯著影響；σmax和τmax隨溫度升高均呈現(xiàn)明顯增大狀態(tài)，表明溫度對于σmax和τmax影響效果較為顯著，高溫對層間黏結(jié)的穩(wěn)定性極其不利。根據(jù)試驗結(jié)果，提出薄層罩面結(jié)構(gòu)層間抗剪強度不小于500 kPa，抗拉強度應(yīng)不小于4 kPa。由于時間和條件限制，在以后的工作中可根據(jù)提出的黏結(jié)技術(shù)指標(biāo)展開薄層罩面結(jié)構(gòu)層間性能和黏結(jié)層材料選取的室內(nèi)試驗，以完善指標(biāo)的應(yīng)用價值。