壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移特征行為研究*

邱 欣, 肖上霖, 楊 青, 陶玨強, 劉智武

(1.浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004;2.金華職業技術學院 建筑工程學院，浙江 金華 321000)

?

壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移特征行為研究*

邱 欣1, 肖上霖1, 楊 青1, 陶玨強1, 劉智武2

(1.浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004;2.金華職業技術學院 建筑工程學院，浙江 金華 321000)

為探求瀝青與集料界面間的壓剪斷裂失效機制，在研發測試加載系統及分析原材料基本物性參數的基礎上，通過制作瀝青-集料三明治試件，開展了不同影響因素(集料粗糙度、瀝青老化、環境溫度及加載速率等)下瀝青-集料界面的粘脫滑移特征行為研究，定量感知了瀝青-集料界面的應力傳荷與粘脫滑移過程，構建了瀝青-集料界面的粘脫滑移本構模型.結果表明：增大粗糙度和法向應力與加快荷載速率能夠提升界面抗剪能力與剪切抑制能;瀝青老化在一定程度上能夠提高界面抗剪強度，但降低了界面剪切抑制能;所構建的粘脫滑移本構模型能夠表征瀝青-集料界面在壓剪耦合狀態下應力變化三階段特征.研究成果可為瀝青混合料復雜力學行為的細觀分析提供理論支撐，并為混合料結構參數的優化設計提供科學依據.

瀝青-集料界面；粘脫滑移；壓剪耦合；本構模型

0 引 言

瀝青混合料是一種典型的多相復合材料，通常由瀝青、集料、空隙和瀝青-集料界面組成.受施工條件、溫度、集料表面狀態、瀝青老化等因素的影響，瀝青-集料界面之間往往并不是完全粘結，而是存在著弱粘結狀態，對瀝青混合料整體的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性都有很大的影響.路況調查結果表明，瀝青混合料的各種損傷往往從瀝青-集料界面開始，瀝青-集料界面區域被認為是瀝青混合料的最薄弱環節[1].長期以來，一方面,許多學者采用表面自由能理論、化學反應理論、分子定向理論及分子作用力理論對瀝青-集料界面的粘附機理進行研究[2-4]，如Miller等[5]研究發現表面自由能理論是一種可以用來表征混合料粘附性能較好的方法，且基于表面自由能理論的水損害研究結果同宏觀粘附性試驗結果體現了良好的一致性.另一方面，研究人員也嘗試采用簡化的力學試驗揭示瀝青與集料界面間的粘附性能，如Khattak等[6]利用切應力強度測試對改性瀝青混合料的界面低溫粘附特征進行了研究；Canestrari等[7]采用氣動粘接拉伸方法(The Pneumatic Adhesion Tensile Testing Instrument，PATTI)探討了水損壞條件下瀝青-集料界面間粘附破壞的特征行為；Moraes等[8]利用瀝青張拉粘附強度測試儀評價了濕度條件對于瀝青-集料界面粘附強度的影響規律；Hossain等[9]利用拉拔試驗分析了恒定濕度條件下瀝青膠漿薄膜的力學失效特征；肖月[10]利用動態熱機械分析儀進行循環動態拉伸和靜態拉伸應力加載試驗，探討了瀝青、集料、溫度、應力加載水平和加載方式等對瀝青-集料界面間的抗拉破壞強度和抗拉疲勞性能的影響規律；易軍艷[11]采用動態剪切流變儀對自制集料與瀝青的夾層試件的界面粘附性能開展了試驗研究，并對界面疲勞壽命進行了預估.事實上，盡管界面表面自由能理論可以有效地判定2種材料之間的粘附性能，但試驗過程相對復雜，需要專用儀器，同時測試結果是一種物理指標，無法與界面力學性能指標直接關聯，目前大多數室內力學測試手段主要集中在瀝青-集料界面間的張拉特征分析，而對于主要導致瀝青混合料界面開裂的壓剪耦合失效斷裂模式未見相關系統試驗研究.基于此，本文在研發壓剪耦合測試加載系統的基礎上，通過制作瀝青-集料夾層測試試件，從細觀角度定量感知瀝青-集料界面的應力傳荷與粘脫滑移過程，進而揭示瀝青-集料界面的壓剪失效斷裂特征，據此構建了瀝青-集料界面的粘脫滑移本構模型.研究成果可為瀝青混合料復雜力學行為的細觀分析提供理論支撐，并為混合料結構參數的優化設計提供科學依據.

表1 基質瀝青路用性能試驗結果

1 原材料及試件制備

1.1 瀝青

采用鎮海70號基質瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ E20—2011)的相關要求，對基質瀝青的路用性能指標進行了測試，結果如表1所示.分別采用瀝青旋轉薄膜烘箱試驗(RTFO)和壓力老化試驗(PAV)模擬了瀝青的短期老化和長期老化過程，不同瀝青老化狀態的性能參數測試結果如表2所示.

表2 不同老化狀態下基質瀝青的性能參數

1.2 集料及礦粉

采用的集料由花崗巖軋制而成，其表觀密度為2.765 g/cm3.礦粉采用石灰巖礦粉，基于《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)，其性能指標的測試結果如表3所示.

表3 礦粉性能指標試驗結果

1.3 試件制備

壓剪耦合條件下界面剪切試驗采用如圖1所示的“三明治”形狀試件，由直徑為40 mm、高為25 mm的2個花崗巖石柱，通過瀝青膠漿粘結而成.集料表面先經過30號粗砂打磨，再用280細砂拋光，從而達到試驗所需的表面粗糙度.界面層的材料為瀝青膠漿，由瀝青與礦粉按粉膠比0.8制備而成.試件制作過程中，首先將制備好的瀝青膠漿與石柱分別加熱到160 ℃后，使用鐵片蘸取少量膠漿均勻涂抹于2個石柱拋光表面處，然后迅速將2個石柱對中粘合；其次將試件置于材料試驗機中施加0.7 MPa的壓應力，作用時間為2 min，以模擬瀝青混合料實際成型過程中瀝青與集料的粘結荷載條件.壓實過程中將多余的瀝青用刮板和紙巾擦抹掉，以保持試件的整潔.制備得到的試件按編號放置于整潔的托盤中，于25 ℃環境下保存.

圖1 瀝青集料界面剪切試件 圖2 瀝青-集料界面測試加載系統

2 測試加載系統及測試條件

2.1 測試加載系統

通過自主設計壓剪耦合測試加載系統，實現瀝青-集料界面粘脫滑移特征分析.測試加載系統如圖2所示.試件一端固定于夾具內部，另外一端置于弧形壓條正下方且端面與涂有凡士林的光滑鋼板接觸.測試過程中，分別由水平和豎向液壓裝置對試件施加恒定的法向應力和一定的剪切荷載，并由傳感器自動采集試驗測試數據.

2.2 測試控制條件

為探討粗糙度、瀝青老化程度、荷載速率、溫度及法向應力等不同因素對瀝青-集料界面粘脫滑移破壞全過程的影響規律，將試驗控制條件分為5組，具體如表4所示.

3 試驗結果與分析

以界面抗剪強度、界面剪切抑制能為評價指標，探討壓剪耦合條件下瀝青-集料界面的粘脫滑移演變規律.界面抗剪強度定義為測試峰值荷載與界面面積的比值；界面剪切抑制能定義為位移前8 mm的測試曲線下的面積.

表4 瀝青-集料界面試驗控制條件

3.1 集料粗糙度

不同粗糙度條件(5，25，50 μm)下界面的荷載-位移測試曲線及相應剪切抑制能的計算結果如圖3所示.試驗結果表明:粗糙度對于界面抗剪強度與剪切抑制能有顯著影響；集料表面越粗糙，界面抗剪強度與剪切抑制能就越大，同時相應的殘余應力也越大.這是由于當集料表面較粗糙時，其比表面積越大，單位質量集料吸附的瀝青膠漿更多，瀝青與集料間的粘結力更強.

圖3 不同粗糙度下界面荷載-位移測試曲線及剪切抑制能

3.2 瀝青老化

不同瀝青老化狀態(原樣，RTFO，PAV)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應剪切抑制能的計算結果如圖4所示.試驗結果表明:瀝青的老化增大了界面的抗剪強度，尤其是短期老化作用表現得最為明顯；相對于原樣瀝青，經過短期老化或長期老化后，界面的剪切抑制能大幅度地降低.測試結果表明，界面抗剪強度指標雖然在一定程度上能夠評價瀝青-集料界面的抗剪強度性能，但不能表征瀝青-集料界面粘脫滑移破壞的演變規律，分析瀝青-集料界面的抗剪強度變化行為應從全過程能量的角度對其進行評估.

圖4 不同老化狀態下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.3 荷載速率

不同荷載速率(2，4，6，8 mm/min)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應的剪切抑制能的計算結果如圖5所示.試驗結果表明:界面抗剪強度隨著荷載速率的增大而增大，界面剪切抑制能呈現出線性增加的趨勢；最大抗剪強度所對應的剪切位移隨著荷載速率的增大而減小.荷載速率對于界面抗剪強度的影響，實質上反映了加載時間對界面力學行為的影響.界面層瀝青膠漿作為一種粘彈性材料，其變形表現出一定的速率依賴性，荷載速率大，時間就短促，材料變形小，應力提高快；相反，荷載速度小，時間就延長，材料變形大，應力提高慢.

圖5 不同荷載速率下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.4 溫度條件

不同溫度條件(15，25，35 ℃)下瀝青-集料界面的荷載-位移測試曲線及相應剪切抑制能的計算結果如圖6所示.試驗結果表明:隨測試溫度的增大，界面抗剪強度與剪切抑制能下降；當測試溫度為15 ℃時，界面的剪切強度和剪切抑制能將近2倍于25 ℃的測試結果.當溫度超過25 ℃之后，抗剪強度與剪切抑制能的變化并不明顯.瀝青作為溫感性材料，其基本的力學參數與溫度有著重要的關系.提高溫度降低了瀝青的粘度，從而導致界面間的粘附作用減小.

圖6 不同溫度條件下界面荷載-位移曲線及剪切抑制能

3.5 法向應力

不同法向應力(0.1，0.3，0.5，0.7 MPa)作用下瀝青-集料界面的荷載-位移曲線及相應剪切抑制能的計算結果如圖7所示.試驗結果表明:法向應力水平是影響瀝青-集料界面粘脫滑移抗剪特性的重要影響因素，法向應力越大，界面的抗剪強度就越高，界面剪切抑制能越大；當法向應力較大時，峰值后曲線下降的趨勢總體上更為平緩.分析表明，雖然重載交通在一定程度上增大了瀝青路面破損的可能性，但由于較高法向應力的作用，提升了瀝青-集料界面的抵抗剪切變形能力.

圖7 界面剪切荷載-位移曲線及剪切抑制能

圖8 瀝青-集料界面粘脫滑移本構模型

4 瀝青-集料界面粘脫滑移本構模型

4.1 多折線粘脫滑移本構模型

(1)

4.2 模型參數標定及分析

4.3 影響因素敏感性分析

為了探討影響瀝青-集料界面粘脫滑移特性的主要因素，對各影響因素進行了敏感性分析，引入標準測試條件、抗剪強度比和殘余剪切位移比的概念.其中，標準測試條件為：粗糙度為5μm、瀝青為原樣瀝青、法向應力為0.1MPa、荷載速率為4mm/min、溫度為25 ℃；抗剪強度比為界面剪切強度除以標準條件下的界面剪切強度；殘余剪切位移比為殘余剪切位移除以標準條件下的殘余剪切位移.圖10和圖11分別給出了不同影響因素下抗剪強度比與殘余剪切位移比的計算結果，其中橫坐標表示不同測試條件下的變量數.

圖9 不同條件下的界面模型參數

變量數圖10 不同條件下的界面剪切強度比

由分析可知:粗糙度、法向應力和荷載速率與抗剪強度比呈正相關，而測試溫度與抗剪強度比呈負相關；界面粗糙度是影響抗剪強度比的最顯著指標；在5類影響因素中，法向應力對于殘余剪切位移比的影響最大；增大荷載速率或者提高溫度能夠減少抗剪強度比；雖然瀝青老化對于2個指標的影響不是最顯著的，但會影響瀝青混合料界面性能的劣化程度；過度老化能夠降低界面抗剪強度比；隨著瀝青老化程度的增加，殘余剪切位移比呈現一致的下降趨勢.

變量數圖11 不同條件下的界面殘余剪切位移比

5 結 論

本文研究了壓剪耦合條件下瀝青-集料界面粘脫滑移剪切特征行為，對瀝青混合料界面的抗剪強度和斷裂全過程進行分析.基于界面應力變化特征，建立了瀝青-集料界面粘脫滑移本構模型，主要結論如下：

1)界面抗剪強度作為一個重要的強度指標，能夠評估界面在臨界破壞狀態的單點應力值.而界面剪切抑制能從能量的角度評估瀝青-集料界面粘脫滑移全過程的變化規律，為瀝青-集料界面力學分析提供新視角.

2)粗糙度和法向應力的增大能夠增加瀝青與集料間的接觸面積，進而提升粘結力，提升瀝青-集料界面的抗剪強度和剪切抑制能.

3)瀝青老化對于瀝青-集料界面的粘脫滑移力學特征的影響相對比較復雜.無論是短期老化還是長期老化都能夠提升界面的抗剪強度.然而，老化影響瀝青-集料界面性能的劣化過程，降低了界面的剪切抑制能，從而導致瀝青-集料界面更容易發生破壞.因此，有必要對瀝青混合料生產、運輸和使用過程中影響瀝青老化的因素進行控制.

4)本文提出的基于瀝青-集料界面粘脫滑移本構模型，能夠表征壓剪耦合作用下界面應力變化的三階段變化特征.該模型為瀝青-集料界面損傷失效特征研究及瀝青混合料細觀力學數值分析提供支撐.

[1]Lu Y,Wang L B.Molecular dynamics simulation to characterize asphalt-aggregate interfaces[M]//Frost J D.Proceedings of Research Symposium on Characterization and Behavior of Interface.Georgia:IOS Press,2010:122-130.

[2]Kanitpong K,Bahia H.Role of adhesion and thin film tackiness of asphalt binders in moisture damage of HMA[C]//Asphalt Paving Technology 2003.Kentucky:Association of Asphalt Paving Technologists,2003:502-528.

[3]Mehrara A,Khodaii A.A review of state of the art on stripping phenomenon in asphalt concrete[J].Constr Build Mater,2013,38(2):423-442.

[4]Caro S,Masad E,Bhasin A,et al.Moisture susceptibility of asphalt mixtures,Part 1:Mechanisms[J].Int J Pavement Eng,2008,9(2):81-98.

[5]Miller C,Little D,Bhasin A,et al.Surface energy characteristics and impact of natural minerals on aggregate-bitumen bond strengths and asphalt mixture durability[J].Transp Res Rec,2012,2267(1):45-55.

[6]Khattak M J,Baladi G Y,Drzal L T.Low temperature binder-aggregate adhesion and mechanistic characteristics of polymer modified asphalt mixtures[J].J Mater Civ Eng,2007,19(5):411-422.

[7]Canestrari F,Cardone F,Graziani A,et al.Adhesive and cohesive properties of asphalt-aggregate systems subjected to moisture damage[J].Road Mater Pavement,2010,11(S1):11-32.

[8]Moraes R,Velasquez R,Bahia H.Measuring the effect of moisture on asphalt-aggregate bond with the bitumen bond strength test[J].Transp Res Rec,2011，2209(3):70-81.

[9]Hossain M I,Tarefder R A.Behavior of asphalt mastic films under laboratory controlled humidity conditions[J].Constr Build Mater,2015,78:8-17.

[10]肖月.瀝青混合料中膠漿-集料粘結性及力學性能研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[11]易軍艷.基于界面行為的多孔瀝青混合料凍融損傷特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2012.

(責任編輯 陶立方)

Study on bond-slip characteristic behavior of asphalt-aggregate interface under coupled compression-shear

QIU Xin1, XIAO Shanglin1, YANG Qing1, TAO Jueqiang1, LIU Zhiwu2

(1.CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.CollegeofArchitecturalEngineering,JinhuaPolytechnic,Jinhua321000,China)

In order to investigate the failure mechanism of the asphalt-aggregate interface under the coupled compression-shear action, the shear tests were conducted to quantify the interface stress transfer and bond-slip process by taking into account the effects of surface roughness, asphalt binder aging, temperature, loading rate, etc. In addition, an interface bond-slip constitutive model was established in accordance to the experimental analysis. The results indicated that the increase of surface roughness, normal stress and loading rate could result in higher interface shear strength and shear resistance energies. Although asphalt binder aging could increase the interface shear strength, it imposed an adverse impact on the interface shear resistance energy. The interface bond-slip constitutive model could represent a three-stage evolution process of the asphalt-aggregate interface shear failure. The findings would throw a light on the meso-mechanical analysis of asphalt mixtures, and provide scientific support for the optimization design of structure parameters of the mixtures.

asphalt-aggregate interface; bond-slip; coupled compression-shear; constitute model

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.014

2016-07-02；

2016-09-17

國家自然科學基金資助項目(51408550)；浙江省自然科學基金資助項目(LQ14E080006)

邱 欣(1978-)，男，遼寧鞍山人，副教授，博士.研究方向：道路與材料工程.

U414

A

1001-5051(2017)01-0091-08