抗裂封層的抗剪性能綜合評價方法研究*

魯洪強 高俊啟 魏路楠 王召強

(青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司1) 青島 266101) (南京航空航天大學(xué)土木工程系2) 南京 210016)

抗裂封層的抗剪性能綜合評價方法研究*

魯洪強1)高俊啟2)魏路楠2)王召強1)

(青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司1)青島 266101) (南京航空航天大學(xué)土木工程系2)南京 210016)

采用“水穩(wěn)碎石層+抗裂封層+AC-20C瀝青面層”的結(jié)構(gòu)組合，設(shè)計了包含抗裂封層的復(fù)合棱柱體試件的斜剪試驗，在30 ℃和50 ℃ 2種試驗溫度下研究其抗剪性能.在層間剪切強度基礎(chǔ)上，又結(jié)合層間剪切模量、層間剪切功以及剪切韌性指數(shù)3個指標(biāo)，對4種抗裂封層的抗剪性能進行綜合評價.試驗結(jié)果表明，層間剪切功是在評價封層抗剪切變形能力時適用性較強，而剪切韌性指數(shù)在抗剪能力區(qū)分度上表現(xiàn)較差，不宜作為抗剪能力評價指標(biāo).以抗剪強度和層間剪切功綜合評價抗裂封層的抗剪性能，比較合適.在30 ℃試驗條件下，灑布量為3.0 kg/m2的橡膠瀝青封層的抗剪能力最好，其抗剪強度、達到1.18 MPa，ISW高達8.77 J，比土工格柵封層高出近3倍；在50 ℃高溫條件下，乳化瀝青封層的抗剪切變形能力較強.

道路工程；抗裂封層；抗剪強度；層間剪切功；層間剪切模量；剪切韌性指數(shù)

0 引 言

抗裂封層是路面結(jié)構(gòu)中的一個重要的功能層，不但要阻滯基層裂縫向上反射，而且要具備一定的粘結(jié)性能，使得基層和面層連成整體，同時也承受著交通荷載產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變.特別是當(dāng)瀝青面層較薄時，抗裂封層也要承受較大的切應(yīng)力.由文獻[1]可知，良好的抗裂封層能夠大幅提高瀝青路面疲勞壽命，防止夏季高溫時行車荷載作用下路面層間出現(xiàn)滑移而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞.由于抗裂封層具有造價低、工期短、厚度薄等優(yōu)點，國內(nèi)外通常采取設(shè)置抗裂封層來推遲裂縫的產(chǎn)生，以延長瀝青路面的使用壽命[2].

近年來，一些學(xué)者對抗裂封層做了大量剪切性能方面的研究.趙桂娟[3]制備了4種抗裂封層試件，采用直剪試驗，對其進行了抗剪性能研究.Collop等[4-5]通過Leutner剪切試驗測定層間剪切強度(interface shear strength，ISS)和層間剪切模量(interface shear modulus，ISM)評價了抗裂封層的抗剪性能.White[6]以層間剪切功(interface shear work，ISW)作為評價抗剪能力的指標(biāo)，認為ISW是按發(fā)生一段初始位移后荷載-位移圖形所圍成的面積來計算的.韌性作為材料變形與斷裂的綜合特質(zhì)，許多學(xué)者對其做了相關(guān)研究.Barr等[7]基于能量比給出了韌性指數(shù)的定義，即變形至2倍初裂時的曲線面積與4倍初裂時曲線面積之比.90 Ward等[8]基于變形之比和能量概念提出了韌性指數(shù)為峰值荷載時的變形與初裂變形之比.美國混凝土協(xié)會(ACI)544委員會和日本混凝土協(xié)會也給出了自己的定義[9].文中通過對比各韌性指數(shù)的定義，在Barr等人提出的韌性指數(shù)基礎(chǔ)上，提出以剪切韌性指數(shù)(shear toughness index，STI)評價抗裂封層的抗剪變形能力和韌性.

目前國內(nèi)外學(xué)者對抗裂封層抗剪強度方面研究較多，多忽視抗裂封層的抗變形能力[10].實際上抗裂封層的抗變形能力對防治基層的反射裂縫有重要作用[11].為綜合研究抗裂封層的抗剪能力，文中首先在30 ℃和50 ℃ 2種試驗溫度下研究了抗裂封層的抗剪強度，接著以層間切變模量、層間剪切功、剪切韌性指數(shù)作為抗變形能力評價指標(biāo)，對4種抗裂封層的抗剪性能進行綜合評價，分析該評價方法的適用性.

1 試驗材料制備

試驗采用“水穩(wěn)碎石層+抗裂封層+AC-20C瀝青混合料面層”的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計了帶瀝青混合料面層且包含抗裂封層的復(fù)合棱柱體試件，見圖1.

1.1 水泥穩(wěn)定碎石下承層

水泥采用南京江南水泥公司生產(chǎn)的P·O 32.5水泥；集料的技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)；水泥穩(wěn)定碎石級配采用懸浮密實級配范圍中值，見表1；混合料采用振動法按98%壓實度成型.

表1 懸浮密實型級配范圍

1.2 抗裂封層

試驗采取4種抗裂封層，分別為橡膠瀝青封層、乳化瀝青封層、土工格柵封層和聚酯玻纖布封層.其中橡膠瀝青中基質(zhì)瀝青采用韓國SK#70石油瀝青，廢橡膠粉細度為20目，摻量18%并在175 ℃下拌和60 min；乳化瀝青封層中所用乳化瀝青采用鎮(zhèn)江泰普克慢裂快凝型陽離子乳化瀝青，其用量11%左右，灑布量為1.4～1.6 kg/m2；聚酯玻纖布封層中熱噴瀝青采用韓國SK#70石油瀝青，熱瀝青噴灑量為0.89 kg/m2.封層集料采用石質(zhì)堅硬、清潔、不含風(fēng)化、近立方體，以及反擊式破碎機軋制的玄武巖，其0.075 mm通過的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.4%.試驗用聚酯玻纖布采用美國生產(chǎn)的Trupave聚酯玻纖布；土工格柵為南京坤馳土工材料廠生產(chǎn).

1.3 AC-20C瀝青混合料面層

面層試件制作遵循《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2006)，結(jié)合料采用韓國SK#70石油瀝青，粗集料為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，細集料采用由石灰?guī)r破碎而成的機制砂和天然砂，填料采為優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨細而成的礦粉.

1.4 試件成型與切割

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，在水穩(wěn)碎石表面制作抗裂封層，經(jīng)養(yǎng)生后，再在其上面輪碾成型AC-20C瀝青混合料.按照試驗所需要的尺寸進行試件的切割，試件尺寸為：50 mm×50 mm×30 mm×2層，試驗前須在試驗溫度下保溫不低于4 h.

2 試驗方法

本研究共設(shè)計9組剪切試件，每組試件不少于3個，試驗方案見表2.試驗加載速率10 mm/min，儀器可以自動記錄試件荷載-變形曲線.試件試驗溫度為30 ℃和50 ℃.抗裂封層在水平力和豎向力共同作用下發(fā)生剪切破壞，根據(jù)其他學(xué)者研究，40°斜剪試驗?zāi)芨玫啬M瀝青路面實際受力情況，故抗裂封層的抗剪性能采用40°斜剪試驗來測定.具體斜剪試驗見圖2.試件受力時，其剪切方向著力面與加載方向成一定角度α(40°).當(dāng)對試件施加定速率荷載F時，S為試件剪切截面積，則粘結(jié)層層間剪應(yīng)力τ可用τ=sin 40°×F/S表示.

表2 剪切方案

圖2 剪切試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計圖

3 結(jié)果分析

3.1 層間剪切強度

ISS作為評估層間性能的指標(biāo)，可定義為層間純剪切載荷作用下的強度極限.由層間剪切強度得到的剪切試驗結(jié)果見圖3.

圖3 各抗裂封層ISS值

由圖3可知，在30 ℃條件下，橡膠瀝青封層(3.0 kg/m2)的ISS最大，達到1.18 MPa，它和聚酯玻纖布封層的ISS大約為乳化瀝青封層的1.2～1.3倍.隨著橡膠瀝青灑布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡膠瀝青封層的ISS也逐漸增加，但橡膠瀝青封層(1.8 kg/m2)相較于橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)增幅甚微，僅為0.08 MPa.

在50 ℃條件下，乳化瀝青封層的ISS最大，達到0.81 MPa，比最小的橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)的ISS要高0.52 MPa.與30 ℃條件下相比，橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)的ISS下降較多.橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)、乳化瀝青封層和聚酯玻纖布封層在溫度升高時，抗剪性能均減弱，其中橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)的抗剪能力降幅最大.

3.2 層間剪切模量

剪切模量表征了材料抵抗剪切變形的能力.文中通過把所測得的試件剪應(yīng)力-應(yīng)變圖中彈性變形部分經(jīng)線性擬合后求出ISM，用來評價抗裂封層的阻裂性能，其試驗結(jié)果見圖4.

圖4 各抗裂封層ISM值

由圖4可知，在30 ℃條件下，橡膠瀝青封層(3.0 kg/m2)的層間剪切模量最大，達到26.38 MPa.它和乳化瀝青封層、聚酯玻纖布封層的ISM非常接近.隨著橡膠瀝青撒布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡膠瀝青封層的層間剪切模量也逐漸增加，由20.21 MPa逐漸增加到26.38 MPa.

在50 ℃條件下，乳化瀝青封層的層間剪切模量最大，達到25.06 MPa.聚酯玻纖布封層的層間剪切模量最小，只有11.82 MPa，下降較多.與30 ℃條件下相比，橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)的層間剪切模量變化不大，稍有降低.乳化瀝青封層在溫度升高時，抗變形能力也稍微降低，其ISM下降了0.97 MPa.

3.3 層間剪切功

在一些學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，文中提出以ISW作為評價各抗裂封層阻裂性能的指標(biāo)，即荷載達到峰值時荷載-位移所圍成的面積表示.計算結(jié)果見圖5.

圖5 各抗裂封層ISW均值

由圖5可知，在30 ℃溫度下，橡膠瀝青封層(3.0 kg/m2)的層間剪切功最大，達到8.77 J.聚酯玻纖布封層的層間剪切功達到5.74 J.土工格柵和乳化瀝青封層的層間剪切功比較接近.灑布量3.0 kg/m2橡膠瀝青封層的層間剪切功比土工格柵封層高出將近3倍.另外，隨著橡膠瀝青灑布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡膠瀝青封層的層間剪切功也逐漸增加.

在50 ℃條件下，乳化瀝青封層的層間剪切功最大，達到3.44 J.與30 ℃條件下相比，橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)和聚酯玻纖布封層的層間剪切功均降低.橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)的層間剪切功最小，只有0.73 J.

3.4 剪切韌性指數(shù)

韌性是材料變形與斷裂的一種綜合特質(zhì)，可定義為荷載作用下到失效為止材料吸收能量的大小.文中通過對比各韌性指數(shù)的定義，在Barr等人提出的韌性指數(shù)基礎(chǔ)上，提出以剪切韌性指數(shù)評價抗裂封層的抗剪切變形能力和韌性，其計算原理見圖6，圖中δ為彈性變形結(jié)束時對應(yīng)的變形.剪切韌性指數(shù)試驗結(jié)果見圖7.

圖6 STI計算原理

圖7 各抗裂封層STI值

由圖7可知，當(dāng)溫度為30 ℃時，乳化瀝青封層的剪切韌性指數(shù)最大，為0.73.乳化瀝青封層與橡膠瀝青封層(3.0 kg/m2)的剪切韌性指數(shù)很接近，差別很小.隨著橡膠瀝青灑布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡膠瀝青封層的剪切韌性指數(shù)也逐漸增加，由0.63逐漸增加到0.73.

在50 ℃條件下，聚酯玻纖布封層的剪切韌性指數(shù)最大，為0.74.橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2) 的剪切韌性指數(shù)最小，為0.60.與30 ℃條件下相比，聚酯玻纖布封層的STI隨溫度升高而稍增大，其他兩種封層的剪切韌性指數(shù)稍有下降.綜合2種溫度條件下的計算數(shù)據(jù)可以看出，剪切韌性指數(shù)對各種封層的抗變形能力區(qū)分度較小，不能明顯區(qū)分不同封層的抗變形能力.

綜合以上分析可以看出，抗剪強度和層間剪切功指標(biāo)用于評價抗裂封層的抗剪性能比較合適，能夠明顯區(qū)分出各封層的抗剪和抗變形能力，研究結(jié)果與層間剪切強度得出的結(jié)論吻合，即在當(dāng)前4種封層中，橡膠瀝青封層和聚酯玻纖布封層的抗剪性能優(yōu)異，具有一定的抵抗下承層反射裂縫能力.同時也可以看出，層間剪切模量ISM可以用于封層的抗剪切變形能力評價，但效果沒有層間剪切功ISW優(yōu)越.而剪切韌性指數(shù)STI對各種封層的抗變形能力區(qū)分度較小，不能明顯區(qū)分不同封層的抗變形能力.當(dāng)試驗溫度為50 ℃時，在試驗所采用的3種抗裂封層中，乳化瀝青封層的ISM、ISW和STI均隨溫度的升高而變化不多，說明其在高溫下的抗剪性能較好.

4 結(jié) 論

1) 不同的評價指標(biāo)得出的結(jié)果有差異，但評價抗裂封層的抗剪變形能力時，層間剪切功比層間剪切模量和剪切韌性指數(shù)更為適合.剪切韌性指數(shù)不能明顯區(qū)分不同封層的抗變形能力，不適合用于評價封層的抗變形能力；以抗剪強度和層間剪切功綜合評價抗裂封層的抗剪性能，比較合適.

2) 在30 ℃試驗條件下，灑布量為3.0 kg/m2的橡膠瀝青封層的抗剪能力最好，它的ISW高達8.77 J，是聚酯玻纖布封層的1.5倍，比土工格柵封層高出近3倍；其抗剪強度也是最大，達到1.18 MPa.

3) 橡膠瀝青灑布量對橡膠瀝青封層的ISW,ISM,STI均有影響.橡膠瀝青封層的抗剪切變形能力隨著橡膠瀝青灑布量的增加而提高，但是這種關(guān)系是非線性增長的.

4) 在50 ℃高溫條件下，相比聚酯玻纖布封層和橡膠瀝青封層(2.4 kg/m2)，乳化瀝青封層的抗剪切能力并不差.

[1]郭寅川,申愛琴,張金榮,等.瀝青路面下封層力學(xué)響應(yīng)及抗剪強度試驗[J].中國公路學(xué)報,2010,23(4):20-26.

[2]DASEK O, COUFALIK P, HYZL P, et al. Design and evaluation of asphalt mixtures for stress absorbing pavement layers[J]. Applied Mechanics & Materials,2015(1):116-121.

[3]趙桂娟.半剛性基層瀝青路面基面層粘結(jié)材料抗剪性能分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2011,33(5):90-94.

[4]COLLOP A C, SUTANTO M H, AIREY G D, et al. Shear bond strength between asphalt layers for laboratory prepared samples and field cores[J]. Construction & Building Materials,2009,23(6):2251-2258.

[5]SANGIORGI C, THOM N H, COLLOP A C. Assessment of bond condition using the Leutner shear test[J]. Transport,2003,156(4):211-217.

[6]WHITE G. Statistical analysis of in-service evolution of an airport asphalt surfacing[C]. New Jersey: FAA Worldwide Airport Technology Transfer Conference,2014.

[7]BARR B, MOHAMAD NOOR M R. The toughness index of steel fiber reinforced concrete[J]. ACI Structural Journal,1985,82(5):622-629.

[8]LI V C, WARD R, HMAZA A M. Steel and synthetic fibers as shear reinforcement[J]. ACI Materials Journal,1992,89(5):499-508.

[9]衛(wèi)明山,謝向東,李景軍,等.鋼纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)計算方法探討[J].四川建筑科學(xué)研究,2008,34(5):40-43.

[10]張爭奇,石偉,邊秀奇.纖維瀝青碎石封層層間粘結(jié)性能及其影響因素[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2014,36(2):54-59.

[11]劉燕燕,凌天清,黃中文.基于斷裂能的瀝青路面應(yīng)力吸收層抗裂性能試驗研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報,2012,31(5):966-969.

Comprehensive Evaluation on the Shearing Resistance of Anti-crack Seal Coat

LU Hongqiang1)GAO Junqi2)WEI Lunan2)WANG Zhaoqiang1)

(QingdaoMunicipalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD.,Qingdao266101,China)1)(DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)2)

Based on the asphalt pavement structure with cement stabilized aggregate layer, anti-crack seal coat and the AC-20C asphalt surface, the composite prism specimens are designed and then the shearing performance of anti-crack seal coat are studied at temperature of 30 ℃ and 50 ℃, respectively. Combining with the shear strength and the anti-deformability indicator of interface shear modulus, interface shear work and shear toughness index, a comprehensive evaluation method on the shearing resistance of anti-crack seal coat is proposed in this paper. The test results show that the interface shear work can be a better applicable index to evaluate the anti-deformability of seal coat, while the shear toughness index cannot clearly distinguish the anti-deformability between different seal coat. Therefore, it is not suitable to evaluate the anti-deformability. The shear strength and interface shear work are more appropriate to comprehensively evaluate the resistant ability of anti-crack seal coat. Under the 30 ℃ test conditions, the shear strength of asphalt rubber stress-absorbing membrane interlayer with 3.0 kg/m2asphalt dosage is the largest which can be up to 1.18 MPa. In addition, its shear work is 8.77 J, which is 1.5 times that of the fiberglass-polyester mat seal coat and nearly 3 times larger than that of the geogrid seal coat. Under the condition of 50(C, the anti-deformability of emulsified asphalt seal coat is better than that of others.

road engineering; anti-crack seal coat; shear strength; interface shear work; interface shear modulus; shear toughness index

2016-11-28

*中國博士后科學(xué)基金(2013M541666)、江蘇省博士后科研資助計劃項目(1302138C)資助

U416.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.001

魯洪強(1973—):男，碩士，教授級高工，主要研究領(lǐng)域為道路與橋梁工程