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，胡 苗，陳華鑫，盛燕萍

（1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061；2.長安大學 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710061；3.廣西交通科學研究院 廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；4.長安大學 公路學院，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、穩定性好、造價低、對交通等級和環境適應性強等優點，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低于設計使用年限的現象［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置瀝青混凝土功能層（簡稱功能層）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，有效延長基層使用壽命.同時，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態沖擊，起保護面層和基層的作用.

鑒于以上原因，研究人員對設置功能層的水泥混凝土路面力學特征和結構設計方法等進行了系統研究，并鋪筑了試驗路，但是，關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，功能層內部將產生較大的剪應力.因此，為防止功能層發生剪切破壞或過大的永久變形，需要對其瀝青混凝土的剪切變形性能進行驗證.本文采用自主開發的功能層累積變形測試裝置，對功能層瀝青混凝土在重復荷載作用下的剪切變形性能進行了研究，并根據灰關聯理論對其影響因素進行了定量分析.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用SK－90基質瀝青，其技術指標如表1所示；集料采用玄武巖；礦粉采用石灰巖磨制的石粉.礦料的物理性能指標見表2.

表1 瀝青的技術指標Table 1 Properties of asphalt

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

根據國內外現有研究成果，參照規范中各級配范圍，選用3種瀝青混凝土AC－16，AC－13 和AC－10作為功能層材料進行試驗，所采用的級配如表3所示.采用馬歇爾試驗確定3種級配的最佳油石比（質量分數）分別為4.2%，4.8%和5.0%.為了分析不同級配與瀝青用量對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上變換瀝青用量0.4%（質量分數），分別進行了3 組對比試驗.

表3 試驗用礦料級配Table 3 Gradation of the mineral aggregates

1.2 試驗方法

由于功能層設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境的直接影響.因此，采用常規的車轍試驗、蠕變試驗和三軸試驗都無法模擬該功能層的實際受力狀況.根據功能層的實際受力環境，理想的試驗模型應是該功能層位于完全側限條件下，四端處于固結狀態，在上端處于懸臂狀態的一側施加重復動荷載，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試原理如圖1所示，測試裝置如圖2所示.由于實際狀態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，上部活動鋼板代替水泥混凝土面板.上部活動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，功能層在四端固結的狀態下受力，測試在重復動荷載作用下該功能層最不利受力位置處產生的永久變形.功能層側面采用硬質橡膠墊片進行固定，以模擬路面結構的側向約束作用.

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

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

在室內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，每種級配每個油石比制備3 個平行試件，共27 個試件.在MTS動態加載試驗系統上對功能層累積變形測試裝置進行重復加載，試驗溫度為20℃，加載波形為連續正弦波，峰值荷載為0.7 MPa，最小荷載為0，加載頻率為10Hz，加載作用次數為0～50 000次.試驗開始時，先緩慢加載至0.1MPa預壓1min，待壓頭與鋼板接觸面充分結合后，進行正常力加載，同時采集試件的變形.在工程實踐中，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.針對這種情況，本文從較不利狀態考慮，將功能層厚度固定為5cm.

2 結果與分析

2.1 累積變形與破壞形態

3種功能層的累積變形隨荷載作用次數變化趨勢如圖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，當荷載作用次數達到3 000次左右時，變形曲線出現拐點，增長變緩.當作用次數達到10 000次以后，變形增長基本呈1條平緩的直線，變形增量很小.在整個循環加載過程中，無論是哪種功能層，累積變形均呈對數增長，其區別在于不同的功能層在各個階段的變形量不同.根據重復荷載作用下瀝青混凝土永久變形特性可知［7－8］，當作用次數在3 000次以內時，永久變形發展處于初始階段，功能層在荷載作用下發生塑性壓密變形；當作用次數超過3 000次以后，永久變形處于穩定增長階段，功能層在荷載的剪切作用下發生相對穩定的剪切變形，且變形到一定值后基本不再增加，呈穩定態勢.

總體來看，瀝青用量對于功能層變形增長率影響較明顯，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部的自由瀝青及瀝青與礦料形成的瀝青膠漿將越容易產生剪切變形，導致累積變形增長越快.

功能層試件的累積變形和破壞形態如圖4～5所示.從圖4～5可以看出，在重復荷載作用下，試件的一側產生明顯的累積變形，并且有可能發生斷裂或壓碎破壞.室內模擬試驗表明，在實際路面結構中，由于車輛荷載的長期反復作用，位于面板接縫處和面板角隅處的功能層會發生變形、破碎或斷裂等破壞.當功能層累積變形過大或產生裂縫破壞后，就會失去原有的作用，造成板底脫空和基層沖刷等病害.試驗表明，累積變形在3.0mm 以下的試件，只是發生了變形、翹曲等現象，尚未發生斷裂等破壞，而發生內部壓碎、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計，本文建議將3.5mm 確定為功能層在上述試驗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 試件一側發生的變形Fig.4 Permanent deformation on one side of the specimen（2.49mm）

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

灰關聯理論能在小樣本、貧信息條件下對系統進行分析，從而找出各種因素與系統發展態勢之間的關系，分辨出主要因素和次要因素，對系統的發展做出積極有效的引導，具有很強的實用性，其基本思想是根據各參數幾何曲線的相似程度來判斷其聯系是否密切.相似程度采用關聯度描述.關聯度描述了各個因素對結果的影響程度，關聯度越大，影響程度越大［9－10］.本文采用灰關聯分析探討了瀝青用量、級配和空隙率等因素對功能層累積變形的影響程度，分析過程中選擇瀝青用量、礦料級配和空隙率作為子序列，將該功能層在荷載作用50 000次時的累積變形作為母序列.根據分形理論［9－11］，礦料的級配具有明顯的分形特征，采用分形維數可以較好表征礦料級配.因此，本文采用3種礦料的分形維數作為礦料級配的定量表征，并進行灰關聯分析.3種礦料的分形維數計算結果如表4所示.灰關聯分析的計算安排與相關參數如表5所示.對表5按照灰關聯分析的一般步驟進行分析，計算母序列與子序列的關聯度，結果如表6所示.

表4 礦料級配分形維數Table 4 Fractal dimension of aggregate gradations

從表6 可見，灰關聯度的排序結果為瀝青用量＞級配＞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，在進行功能層瀝青混凝土設計時，要綜合考慮瀝青用量和礦料級配的影響，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，其瀝青用量應在滿足水穩定性能的基礎上，采用略低于馬歇爾試驗方法確定的最佳瀝青用量.

表5 計算安排及參數Table 5 Calculation arrangements and related parameters

表6 灰關聯度計算結果Table 6 Calculation result of graycorrelation

2.3 變形機理分析

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生減小的變形，永久剪切變形是指只發生形狀改變而不發生體積減小的變形.為了研究功能層累積變形的產生機理，本文對試件的變形規律進行了分析，其中試驗前后試件的寬度變化如表7所示.在累積變形測試完成之后，試件頂面發生了不規則變形，為了測試試驗前后試件發生的體積變化，采用鋪砂法測量不規則變化的體積，以此來分析體積變形（見圖6）.測試過程中首先將細砂填充到試件右側凹陷處，用直尺將細砂抹平與左側未變形頂面齊平，然后稱取所用細砂的質量，再除以細砂的密度得到體積.試件體積變化測試結果如表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，試驗前后試件的寬度變化率遠大于其體積變化率，說明試驗后試件的側向擠出變形大于壓密作用導致的試件體積減小的變形.因此可以斷定，功能層產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的抗變形能力，并提高路面結構的耐久性，應提高該功能層混凝土自身的抗剪強度.

3 結論

（1）功能層累積變形測試裝置能較好模擬功能層的實際受力狀態，在重復荷載作用下，該功能層的累積變形均呈對數增長；當重復荷載作用次數小于3 000次時，永久變形發展處于初始階段，功能層產生塑性壓密變形；當重復荷載作用次數大于3 000次時，永久變形處于穩定增長階段，功能層產生相對穩定發展的剪切變形.

（2）在重復荷載作用下，試件的一側產生明顯的累積變形，并且有可能發生斷裂或壓碎破壞.對于累積變形在3.0mm 以下的試件，只發生了變形、翹曲等現象，而發生內部壓碎、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計，建議將3.5mm 確定為其在本文試驗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，應在滿足水穩定性能的基礎上，使用略低于馬歇爾試驗方法確定的最佳瀝青用量.

（4）試件的側向擠出變形大于壓密作用導致的試件體積減小的變形，說明功能層產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的抗變形能力，提高路面結構的耐久性，應提高該功能層瀝青混凝土的抗剪強度.

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