瀝青路面加鋪結構中土工布夾層黏結失效時溫特性

張海偉，郝培文?，唐成，張華

(1.長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

瀝青路面加鋪結構中土工布夾層黏結失效時溫特性

張海偉1，郝培文1?，唐成2，張華2

(1.長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

針對含土工布夾層的雙層瀝青混合料試件進行直剪試驗，以層間抗剪強度為指標，通過方差分析和多重比較分析了溫度和加載速率對土工布夾層黏結失效的影響作用，建立了含土工布夾層試件的層間抗剪強度與溫度、加載速率的數學關系，基于時間-溫度等效原理確定了層間抗剪強度sigmodial主曲線，并對其時溫等效特性進行了驗證.結果表明：含土工布夾層試件層間抗剪強度受溫度和加載速率顯著影響，隨溫度升高或加載速率下降其值逐漸降低；指數模型對層間抗剪強度擬合效果良好，模型預估值與試驗測試值基本吻合.sigmodial主曲線在更寬加載速率范圍內表征了層間抗剪強度的變化趨勢，黏層油蠕變柔量與層間抗剪強度兩力學參量的移位因子一致性驗證了土工布夾層黏結失效具有時溫等效特性.

道路工程；土工布；層間抗剪強度；指數模型；時間-溫度等效原理

瀝青路面服役一定年限后，出現早期病害可通過加鋪新瀝青層進行修復，然而舊路反射裂縫往往導致新加鋪層快速破壞.土工布夾層能有效延緩反射裂縫，且具有密水作用，所以近年來其在路面加鋪工程中得到了廣泛應用[1-2].與此同時，人們開始關注土工布夾層與瀝青層間黏結性能：文獻[3]通過力學分析認為瀝青路面中土工材料與瀝青層的黏結性能直接影響其抗反射裂縫作用的發揮；文獻[4]通過復合梁疲勞試驗驗證了土工布夾層黏結性能會影響其抗反射裂縫作用；文獻[5]比較了設置土工布夾層前后瀝青層間的黏結性能，發現鋪設土工布會降低瀝青層間黏結性能；文獻[6]研究了乳化瀝青灑布量對土工布夾層黏結性能的影響，發現其受乳化瀝青灑布量影響并不敏感；文獻[7]研究了加鋪層瀝青混合料攤鋪溫度對土工布夾層黏結性能的影響，發現瀝青混合料較高攤鋪溫度有利于提升土工布夾層黏結性能；文獻[8]比較了浸水前后含土工布夾層試件的層間抗剪強度，得出潮濕環境并沒有明顯降低土工布夾層的黏結性能的結論.綜上所述，土工夾層黏結性能與其抗反射裂縫性能緊密相關，含土工布夾層的加鋪路面與常規路面結構的層間黏結性能表現有所不同，且已有研究針對土工布夾層黏結特性并不系統，如在土工布夾層服役過程中，關于路面溫度和車載作用速率對其黏結性能影響規律的研究就較為少見.

為此，本文在室內制備含土工布夾層的瀝青混合料復合板試件，基于直剪試驗測試不同溫度和加載速率下試件的層間抗剪強度，然后應用統計學方法分析溫度和加載速率的影響顯著性并采用指數模型定量描述兩因素對土工布夾層黏結失效的影響作用.進一步基于時間-溫度等效原理構建sigmodial主曲線在更寬加載速率范圍內表征層間抗剪強度變化趨勢，并通過比較層間抗剪強度和蠕變柔量兩力學參數的移位因子驗證土工布夾層黏結失效的時溫等效特性,可為后續預測含土工布夾層加鋪結構層間破壞的相關研究奠定基礎.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

為模擬鋪設有土工布夾層的瀝青路面加鋪結構，室內采用“瀝青下層+土工布夾層+瀝青上層”的結構形式制備試件.上下層瀝青混合料所用瀝青為殼牌70#基質瀝青，礦料為石灰巖，參照規范[9]推薦級配范圍設計得到本研究所用AC-16型和AC-20型礦料級配曲線如圖1所示.按馬歇爾法確定上下層瀝青混合料最佳油石比分別為4.8%和4.3%，空隙率均為4.5%.

所用聚酯無紡長絲土工布單位面積質量為130 g/m2，縱向抗拉強度為9.9 kN/m，厚度為1.35 mm，梯形撕裂強度為0.3 kN/m，耐熱性為230 ℃.所用黏層油為殼牌70#基質瀝青，其25 ℃針入度為7.1 mm，10 ℃延度為25.2 cm，軟化點為46.6 ℃，以上所述材料均滿足規范使用要求.

圖1 上下層瀝青混合料礦料級配曲線Fig.1 Aggregate gradation of AC-16 and AC-20 asphalt mixtures

1.2 試件制備

試件制備過程如下：1)按優選灑布量0.9 kg/m2在AC-20瀝青混合料標準車轍板(300 mm×300 mm×50 mm)表面均勻涂抹黏層油，涂抹過程保證黏層油溫度(160±10) ℃；2)在涂有黏層油的車轍板表面迅速平整鋪設土工布，并用輪碾儀往返碾壓5次使黏層油浸入土工布，土工布表面出現油斑；3)鋪設有土工布的車轍板放于300 mm×300 mm×100 mm的車轍模具中，然后將拌好的上層瀝青混合料AC-16裝入車轍試模碾壓得到雙層車轍板；4)對雙層車轍板進行鉆芯，得到直徑和高度均為100 mm的圓柱體試件并在常溫下晾干備用.

1.3 測試方法

環境箱中設置恒定溫度(-5,5,15,25,35,45和55 ℃)對試件保溫6 h后，依托MTS液壓伺服試驗機進行直剪試驗，所用試驗裝置如圖2所示，由上下2個夾具組成，其中上夾具固定AC-20瀝青混合料，下夾具以恒定速率(1,2.5,5,10,25和50 mm/min)帶動AC-16瀝青混合料向下移動.試驗過程土工布夾層和瀝青混合料間承受剪切應力不斷增加，最終土工布夾層發生黏結失效.根據儀器記錄荷載按式(1)計算剪應力，試驗過程剪應力隨時間變化曲線如圖3所示，剪應力峰值τf即為土工布夾層發生黏結失效時試件層間抗剪強度[10].

(1)

圖2 直剪試驗圖示Fig.2 Layer-parallel direct shear test set up

式中：τ為剪應力,MPa;P為記錄的荷載,N;D為試件直徑,mm.

圖3 直剪試驗中剪切應力-時間曲線Fig.3 Shear stress-time curve of layer-parallel direct shear test

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

不同試驗溫度和加載速率下得到層間抗剪強度(每組3次平行試驗平均值)匯總如表1所示.由表1可知，隨著試驗溫度升高或加載速率降低，層間抗剪強度值呈現下降趨勢，這與常規瀝青路面層間抗剪強度隨溫度和加載速率變化趨勢是一致的[11-12]，而呈現這一趨勢是因為黏層油材料的熱流變屬性[13]. 55 ℃,1.0 mm/min試驗條件組合下得到抗剪強度平均值最小為0.021 MPa;-5 ℃,50 mm/min試驗條件組合下得到抗剪強度平均值最大為1.394 MPa.兩者相差66倍之多，表明當土工布夾層服役過程所處工況不同時，其抵抗黏結失效的能力有很大差別.

表1 不同試驗條件組合下含土工布夾層試件層間抗剪強度

注：括號中的數值為每組試驗結果的標準差.

對表1中試驗結果進行方差分析以判定溫度和加載速率對層間抗剪強度影響作用是否顯著，結果見表2.由表2可知,溫度和加載速率的顯著性概率sig.值均小于0.05，表明在95%的置信水平下兩因素對層間抗剪強度結果的影響均是顯著的；同時溫度對應的F值遠大于加載速率對應的F值，表明溫度對層間抗剪強度的影響更為顯著.

采用多重比較方法進一步分析溫度、加載速率處于不同水平時對應試件層間抗剪強度結果差異的顯著性，結果如表3和表4所示.由表3和表4可知，加載速率6個水平(1,2.5,5,10,25,50 mm/min)構成15個比較組中有10個比較組的均值差值是顯著的(sig.<0.05)，其余5個均值差值不顯著的比較組均為相鄰水平構成的比較組；溫度7個水平(-5,5,15,25,35,45,55 ℃)構成21個比較組中有18個比較組的均值差值是顯著的，25 ℃與35 ℃構成的比較組、35 ℃與45 ℃構成的比較組以及45 ℃與55 ℃構成的比較組的均值差值并不顯著，可見當溫度在常溫(25 ℃)以上區域時，相鄰兩溫度對應抗剪強度差距并不明顯.從表3和表4還可發現，相比于加載速率，不同溫度水平對應抗剪強度均值差值更大，再次表明了當溫度因素水平變化時對抗剪強度影響更為顯著.

表2 含土工布夾層試件層間抗剪強度結果方差分析

表3 加載速率不同水平對層間抗剪強度影響顯著性分析(α=5%)Tab.3 Significance analysis of the influence of differenttest speed levels on shear strength(α=5%)

注：*代表均值差值是顯著的.

表4 試驗溫度不同水平對層間抗剪強度影響顯著性分析(α=5%)

注：*代表均值差值是顯著的.

2.2 指數模型回歸分析

采用指數函數(見式(2))按最小二乘法對表1中結果進行回歸分析，得到不同加載速率下層間抗剪強度-試驗溫度擬合曲線如圖4所示，對應回歸系數a和b見表5.

τf(T)=10a·T+b

(2)

式中：τf(T)為層間抗剪強度,MPa；a,b為回歸系數；T為試驗溫度,℃.

圖4 不同加載速率下層間抗剪強度指數模型擬合曲線Fig.4 Interlayer shear strength exponential model fitted curves under different test speed

由圖4可知，不同加載速率下層間抗剪強度擬合曲線的相關系數均在0.99以上，說明指數函數可用于表達含土工布夾層試件層間抗剪強度與試驗溫度的關系.由表5可知，不同加載速率下得到的回歸系數a在-0.024 5附近波動，且波動幅度不超過10%，所以可認為回歸系數a是獨立于加載速率的常數,反映了試件層間抗剪強度對溫度的敏感性；反觀回歸系數b則依賴于加載速率，其值反映了加載速率對層間抗剪強度結果的影響.

表5 不同加載速率下層間抗剪強度指數模型回歸系數

以加載速率對數logv和b值分別作為自變量和因變量進行線性回歸，可得到式(3)：

b(v)=c+klogv=-0.282+0.187logv

R2=0.99

(3)

將式(3)代入式(2)，可得到綜合考慮試驗溫度和加載速率的層間抗剪強度數學模型，如式(4)所示：

τf(T,v)=10-0.024 5T-0.282+0.187log v

(4)

為說明式(4)所述模型與試驗數據的契合性，對層間抗剪強度的模型計算值與試驗測試值進行比較，如圖5所示.

圖5 層間抗剪強度實測值與計算值比較Fig.5 Comparation of measured values and calculated values for interlayer shear strength

由圖5可知，散點基本上分布在y=x對角線上，模型計算值與試驗測試值偏差很小，表明在設置試驗條件范圍內(溫度-5～55 ℃，加載速率1.0～50 mm/min)，式(4)所述模型可以很好地描述含土工布夾層試件層間抗剪強度與溫度、加載速率間的關系:

3 時溫等效特性分析

3.1 層間抗剪強度主曲線

當溫度升高(降低)和加載時間延長(縮短)對材料的力學性質影響一致時，通常可用時間-溫度等效原理對試驗數據進行分析[14].目前時間-溫度等效原理已廣泛用于分析瀝青類材料線黏彈性行為，同時大量的試驗研究證明該原理同樣適用于分析瀝青類材料非線性范圍的力學性質[13，15-16].由此，本文應用時間-溫度等效原理對溫度和加載速率影響土工布夾層黏結失效的等效作用進行分析.

時間-溫度等效原理可用式(5)表示，即在任意試驗溫度T下荷載作用時間t時材料學性質(松弛模量、相位角、泊松比、強度等)與參考溫度T0下荷載作用時間tr時力學性質等效.根據時溫等效原理可將不同溫度對應的力學性質曲線平移αT0(T)形成一條參考溫度下的主曲線，主曲線的橫軸通常為時間，也可以是與時間相關的加載頻率或加載速率，當橫軸為加載速率時移位因子滿足式(6)[15].

(5)

vr=vαT0(T)

(6)

式中：t為試驗時間,s；tr為等效時間(也稱為縮減時間),s；T為試驗溫度,℃；T0為參考溫度,℃；f代表材料的某一力學性質；vr為等效加載速率(mm/min)；v為試驗加載速率,mm/min;αT0(T)為移位因子.

繪制不同溫度下層間抗剪強度隨加載速率的變化曲線，如圖6所示.在圖6中，以25 ℃作為參考溫度，將其他試驗溫度下層間抗剪強度進行平移可得到-5,5,15,35,45,55 ℃對應的移位因子分別為4.08,2.70,1.18,-1.10,-2.60,-2.60和-3.70.曲線平移過程還可以看出相同的層間抗剪強度可在高溫-高加載速率下得到，也可在低溫-低加載速率下得到.

圖6 層間抗剪強度主曲線(25 ℃)Fig.6 Interlayer shear strength master curve(25 ℃)

采用式(7)WLF(Willianms-Landel-Ferry)經驗方程[14]對圖6中不同溫度的移位因子進行擬合，如圖7所示.從圖7中可以看出,擬合得到的層間抗剪強度移位因子曲線的相關系數在0.99以上，可見含土工布夾層試件層間抗剪強度的移位因子能很好地滿足WLF經驗方程，表明了應用時溫等效原理分析層間抗剪強度是可行的.

(7)

式中：α25(T)為各試驗溫度相對于25 ℃的移位因子；C1和C2為回歸系數；T為試驗溫度,℃.

進一步采用式(8)所示的sigmodial方程[17]表征含土工布夾層結構層間抗剪強度主曲線.根據移位后的層間抗剪強度-等效加載速率散點，按簡面體爬山法對sigmodial方程進行擬合，可得到各回歸系數δ,φ,β和θ的值，如表6所示.

表6 含土工布夾層試件層間抗剪強度主曲線參數匯總

(8)

式中：τf為層間抗剪強度,MPa；δ,φ,β,θ為回歸系數，其中δ和φ分別代表層間抗剪強度最小值和最大值對應的對數，β和θ為描述曲線形狀特征的系數；vr為等效加載速率,mm/min.

圖7 移位因子Fig.7 Time-temperature shift factor

對式(8)做進一步推導得到式(9)，表達了含土工布夾層試件層間抗剪強度與溫度以及更寬范圍的加載速率的數學關系.

lg(τf)=δ+

(9)

構建主曲線的意義在于一方面結合移位因子可得到其他溫度下層間抗剪強度曲線；另一方面展現了更寬加載速率范圍內層間抗剪強度變化趨勢.圖6中層間抗剪強度主曲線的加載速率范圍已由最初試驗設置的1～50 mm/min擴寬至10-4～106mm/min，大大超過了現有儀器設備的測試范圍，且擴寬后的加載速率范圍明顯包括了實際路面上車載的作用速率，這就為現場含土工布夾層的路面層間黏結失效預測的相關研究奠定了基礎.圖6中主曲線尾端代表高溫-低加載速率區域的層間抗剪強度對數值趨于最小值δ(τf=0.001 MPa)，主曲線頭端代表低溫-高加載速率區域的層間抗剪強度對數值趨于最大值φ(τf=3.192 MPa)，展現了土工布夾層在極限條件下抵抗黏結失效的能力.

3.2 時間-溫度等效原理適用性驗證

路面結構層間剪切破壞過程通常可用式(10)所示的古德曼本構定律(Goodman’s Constitutive Law)描述層間材料力學行為，即把黏層油當作一層很薄的夾層材料，由于其自身產生的剪切破壞從而導致了路面層間破壞[18-19].

τ=Gγ

(10)

式中：τ為層間剪應力;G為黏層油剪切松弛模量;γ為黏層油薄層產生的剪應變.

不同材料力學性質移位因子的一致性是驗證時間-溫度等效原理適用的重要準則[20-21].所以，為驗證時間-溫度等效原理分析土工布夾層黏結失效的合理性，將層間抗剪強度的移位因子與黏層油的其他力學性質的移位因子進行比較.考慮到黏層油(基質瀝青)蠕變柔量參數試驗獲取相對簡單，本文采用剪切流變儀(DSR)分別在5,25,45 ℃試驗溫度下對基質瀝青進行100 s靜態剪切蠕變試驗，得到黏層油在不同溫度下的剪切蠕變柔量，如圖8所示.以25 ℃作為參考溫度，分別對溫度為5,45 ℃時所對應蠕變柔量進行平移，得到移位因子lgα25(5)，lgα25(45))分別為2.58和-2.50.將溫度分別為5,25,45 ℃時的蠕變柔量移位因子與圖7中層間抗剪強度移位因子進行比較，可以看出兩力學參數的移位因子基本一致，驗證了含土工布夾層試件層間抗剪強度具有時溫等效特性.

圖8 不同溫度下剪切蠕變柔量及移位因子Fig.8 Shear creep compliance and time-temperature shift factor corresponding to different temperature

4 結 論

在不同試驗溫度、加載速率下對含土工布夾層試件進行直剪試驗，以層間抗剪強度為指標研究了土工布夾層黏結失效的時溫特性.結論如下：

1)試驗溫度和加載速率均會顯著影響含土工布夾層試件層間抗剪強度，且相比于加載速率，試驗溫度對層間抗剪強度的影響更為顯著.

2)隨試驗溫度升高或加載速率降低，層間抗剪強度呈現下降趨勢，不同試驗條件組合下層間抗剪強度值相差66倍之多，表明土工布夾層服役過程所處工況不同時抵抗黏結失效的能力有很大差別.

3)基于指數函數得到的綜合考慮試驗溫度和加載速率的層間抗剪強度模型可用于預估室內設置試驗條件范圍內土工布夾層抵抗黏結失效的能力.

4)sigmodial主曲線在更寬的加載速率范圍內,展現了土工布夾層抵抗黏結失效能力的變化趨勢，層間抗剪強度移位因子符合WLF經驗方程.

5)黏層油剪切蠕變柔量移位因子與層間抗剪強度移位因子一致性驗證了含土工布夾層試件層間黏結失效具有時溫等效特性.

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Time-temperature Characterization of Bond Failure forGeotextile Interlayer in Asphalt Overlay

ZHANG Haiwei1，HAO Peiwen1?，TANG Cheng2，ZHANG Hua2

(1.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education,Chang’ an University,Xi’ an 710064,China; 2.College of Highway,Chang’ an University,Xi’ an 710064，China)

Layer-parallel direct shear test was carried out on the double-layered asphalt concrete specimens with geotextile interlayer. The influence significances of temperature and deformation rate on the bond failure behavior of geotextile interlayer in asphalt overlay were analyzed by using the index of interlayer shear strength based on ANOVA and multiple comparing methods. The mathematical relationship among temperature，deformation rate and interlayer shear strength was then derived from an exponential function. Moreover，the sigmoidal master curve of interlayer shear strength was built based on the time-temperature superposition principle (TTSP) and the equivalent character of time-temperature for interlayer shear strength was also validated. The results showed that the influences of temperature and deformation rate were significant. The interlayer shear strength was lower when the temperature increases or deformation rate decreases. Furthermore，exponential model was used to predict the interlayer shear strength in laboratory，and the simulation results agreed well with the experimental results. The change tendency of the interlayer shear strength was showed in a broader range of deformation rate by using the sigmoidal master curve. The interlayer shear strength of specimen with geotextile interlayer had equivalent character of time-temperature which was validated by the consistency of shift factors for creep compliance and interlayer shear strength.

road engineering; geotextiles; interlayer shear strength; exponential model; time-temperature superposition principle

U416.217

A

1674-2974(2017)11-0183-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.022

2016-09-27

國家自然科學基金資助項目(51478046)，National Natural Science Foundation of China(51478046)；長安大學優秀博士學位論文培育資助項目(310821150015)，Special Fund for Basic Scientific Research of Central Colleges,Chang’an University(310821150015)

張海偉(1989—)，男，河南湯陰人，長安大學博士研究生

?通訊聯系人，E-mail：haopw211@163.com