界面糙化對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面剪切強(qiáng)度的影響

唐艷華,聶憶華,毛 惺,劉福財(cái)

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.廣東蓋特奇新材料科技有限公司,廣東 清遠(yuǎn) 511600)

0 引 言

目前,瀝青路面在國(guó)內(nèi)外通車?yán)锍踢_(dá)到了96%以上,近年來(lái)高性能混凝土發(fā)展迅猛,在高性能混凝土上面鋪筑瀝青混合料,屬于剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu),與國(guó)內(nèi)普通水泥路面加鋪瀝青層(白改黑)具有相似的力學(xué)特性。而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)水泥混凝土路面上加鋪瀝青混合料這種剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)性能的研究已取得眾多成果。長(zhǎng)安大學(xué)任萬(wàn)艷[1]團(tuán)隊(duì)研究水泥混凝土不同的界面糙化類型對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面層間抗剪性能的影響,西南交通大學(xué)李一鳴[2]團(tuán)隊(duì)研究了剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)基層面層處理技術(shù)中包括SBS改性瀝青碎石層和乳化瀝青碎石層的同步碎石封層對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響,長(zhǎng)沙理工大學(xué)柳力[3]團(tuán)隊(duì)提出了加鋪抗裂層、浸漬土工布等方法,以提高剛?cè)釓?fù)合式路面層間的抗裂性能。

上述各團(tuán)隊(duì)研究了層間受力性能受各種不同的層間處理方式的影響。而現(xiàn)階段評(píng)價(jià)層間的力學(xué)性能的兩項(xiàng)基本指標(biāo)分別為層間的剪切強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度。但復(fù)合試件在拉拔試驗(yàn)中多數(shù)在瀝青混合料試件內(nèi)部發(fā)生破壞,所以用剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)復(fù)合試件層間力學(xué)特性更具有代表性[4]。而就剪切試驗(yàn)而言,45°的斜剪試驗(yàn)更能準(zhǔn)確地反映路面的實(shí)際受力情況。為評(píng)價(jià)高性能混凝土上鋪設(shè)瀝青混合料的層間抗剪性能,基于已有研究基礎(chǔ),通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的形式,以撒布不同粒徑及撒布量的碎石來(lái)構(gòu)造不同糙化程度的界面的方式,開(kāi)展復(fù)合試件層間在45°斜剪試驗(yàn)下的剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)研究,以期為類似剛?cè)釓?fù)合式路面的層間設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 界面糙化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件原材料

(1)高性能混凝土原材料。

采用C120強(qiáng)度等級(jí)混凝土,基體組成成分包括:①水泥:產(chǎn)自廣州的越秀牌P·O 42.5R;②復(fù)合摻合料:產(chǎn)自廣東道明鐵路器材有限公司,28 d活性指數(shù)大于110%;③石英砂:產(chǎn)自佛岡,細(xì)度模數(shù)2.0～2.2;④碎石:產(chǎn)自佛岡,壓碎值不大于10%;⑤外加劑:產(chǎn)自廣東道明鐵路器材有限公司,減水率大于30%;⑥鋼纖維:產(chǎn)自湖州,抗拉強(qiáng)度大于2 850 MPa。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420-2020)[5]中相關(guān)試驗(yàn)要求拌和、成型并養(yǎng)護(hù)立方體試塊,得到7 d和28 d的立方體抗壓強(qiáng)度分別為98 MPa、123 MPa。

(2)瀝青混合料。

瀝青面層采用AC-13級(jí)配,原料為道路石油瀝青、石灰?guī)r碎石、礦粉,設(shè)計(jì)油石比為5.04%,瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)主要按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[6]進(jìn)行。

(3)嵌石材料。

嵌石材料為玄武巖,篩分出的2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種粒徑的玄武巖,如圖1所示。

圖1 三種粒徑的玄武巖碎石

1.2 試件制備及層間處理

試驗(yàn)中復(fù)合試件的成型方法采用馬歇爾擊實(shí)法,試件的尺寸為:h=4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm瀝青混合料,Φ=101.6 mm。

復(fù)合試件的成型步驟為:①制備高性能混凝土塊,將混凝土裝入馬歇爾套筒內(nèi)成型4 cm的高度;②將2.35～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種粒徑的玄武巖碎石分別按照25%、50%、75%的撒布量嵌入澆筑好的高性能混凝土界面上,碎石構(gòu)造深度為粒徑的2/5～3/5;嵌石后的高性能混凝土試件見(jiàn)圖2(a)、(b)、(c);③在嵌好碎石的高性能混凝土試塊上覆蓋薄膜紙常溫下養(yǎng)護(hù)48 h;④利用馬歇爾擊實(shí)儀,在嵌有碎石的高性能混凝土界面上擊實(shí)瀝青混合料,成型復(fù)合試件。12 h之后脫模即可進(jìn)行斜剪試驗(yàn),脫模后的復(fù)合試件見(jiàn)圖2(d),每組3個(gè)平行試件。

圖2 撒布碎石的混凝土試件及成型的復(fù)合試件

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及控制

(1)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)內(nèi)容。

在常溫狀態(tài)(25 ℃)下,開(kāi)展4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm瀝青混合料復(fù)合試件層間45°斜剪強(qiáng)度試驗(yàn),探究不同碎石粒徑、撒布面積對(duì)層間剪切性能的影響。放置試件的過(guò)程中,需要控制復(fù)合試件的層間位于上、下斜剪夾具的空隙中部,從而保證層間的剪切受力。試驗(yàn)過(guò)程中,施加的豎向力F模擬行車荷載,其沿復(fù)合試件層間的水平分力使得上、下面層產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)而破壞。試驗(yàn)采用控制位移的加載模式,加載速度為10 mm/min,試件破壞后在試驗(yàn)力達(dá)到峰值的20%時(shí)即停止加載。試驗(yàn)完成后記錄峰值力及荷載力-位移曲線,并認(rèn)真觀察剪切破壞面、拍照記錄。

試件層間剪切破壞的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如公式(1)所示:

(1)

式中:τ為層間剪切強(qiáng)度,MPa;F為試驗(yàn)峰值力,N;α為45°;A為粘結(jié)面面積,mm2。

(2)試驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)采集。

試驗(yàn)機(jī)采用WDW-100E微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),可以通過(guò)控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)和測(cè)量系統(tǒng)對(duì)置于45°斜剪夾具中的試塊進(jìn)行試驗(yàn),并得到峰值力與位移的關(guān)系圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

復(fù)合試件層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖3所示。

表1 剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同粒徑的嵌石不同撒布量下層間抗剪強(qiáng)度

由剪切破壞面可知,(1)剪切破壞均出現(xiàn)在層間位置,說(shuō)明試件層間是脆弱面;(2)破壞面呈凹凸不平狀。這是因?yàn)樵谇妒缑嫔?原嵌在高性能混凝土界面上的玄武巖碎石,在經(jīng)過(guò)馬歇爾擊實(shí)儀擊實(shí)瀝青混合料后,絕大部分都嵌入了瀝青混合料內(nèi)。在斜剪試驗(yàn)時(shí)碎石參與受力,在層間發(fā)生剪切破壞時(shí),碎石剝落到上面層瀝青混合料內(nèi),同時(shí)在混凝土界面上也黏附有部分瀝青混合料,這說(shuō)明嵌石處理對(duì)復(fù)合試件層間黏附狀態(tài)影響較大。

2.1 碎石粒徑對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

由圖3數(shù)據(jù)可知,在采用2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種碎石粒徑時(shí),層間剪切強(qiáng)度的規(guī)律是:抗剪強(qiáng)度隨著嵌石粒徑的增大而增大。原因是在采用嵌石處理層間界面時(shí),玄武巖嵌固于瀝青混合料上面層內(nèi)一定深度,在斜剪試驗(yàn)時(shí),玄武巖碎石相當(dāng)于栓釘作用,增大了層間剪切強(qiáng)度,碎石粒徑越大層間抗剪強(qiáng)度越大。

2.2 碎石撒布面積對(duì)層間抗剪強(qiáng)度的影響

在25%、50%、75%三種碎石撒布面積下,復(fù)合試件層間抗剪強(qiáng)度隨著撒布面積的增大而增大。不同撒布量的抗剪強(qiáng)度的關(guān)系是:粒徑為2.36～4.75 mm時(shí),50%、75%的撒布量下的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于25%的撒布量分別增加了30.85%、47.69%;粒徑為4.75～9.5 mm時(shí),50%、75%的撒布量下的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于25%的撒布量分別增加了11.71%、27.08%;粒徑為9.5～13.2 mm時(shí),50%、75%的撒布量下的抗剪強(qiáng)度相對(duì)于25%的撒布量分別增加了53.84%、54.19%。這說(shuō)明嵌石處理在復(fù)合試件層間構(gòu)建了宏觀與細(xì)觀的嵌鎖結(jié)構(gòu),在一定范圍內(nèi),隨著碎石撒布面積增大,嵌石提供的摩阻力也增大,從而提高了層間的抗剪能力。

3 結(jié) 論

(1)由試驗(yàn)可知,將“嵌石”這一界面糙化方式運(yùn)用到復(fù)合式路面的層間構(gòu)造時(shí),在一定范圍內(nèi),層間的抗剪強(qiáng)度隨著嵌石粒徑的增大而增大。

(2)當(dāng)具體選擇一種碎石粒徑時(shí),層間的抗剪強(qiáng)度隨著選定的碎石撒布面積的增大而增大。

(3)當(dāng)選擇9.5～13.2 mm及75%撒布面積的糙化界面時(shí),層間的抗剪強(qiáng)度為5.682 MPa,比粒徑為2.36～4.75 mm時(shí)25%撒布面積下的層間抗剪強(qiáng)度1.277 MPa提高了344.95%,這顯著提高了剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)層間的抗剪能力,為以界面糙化的方式來(lái)提高剛?cè)釓?fù)合式路面層間抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。