Leutner剪切實驗評價路面殘余壽命的研究*

曾金煌 萬九鳴 肖 月 張 東 孔德智

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1) 揭陽 515325)(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室2) 武漢 430070)

0 引 言

瀝青路面由于具有獨特的半柔性特性，在老化和特殊環(huán)境下易出現(xiàn)病害.其中最主要的病害類型是車轍.關(guān)于車轍的成因，目前的研究認(rèn)為是由于瀝青材料在高溫環(huán)境下的軟化和層間抗剪切性能的衰減導(dǎo)致[1].

層間抗剪切性能[2-3]是一項重要的公路質(zhì)量指標(biāo)，其表征路面在抵御層間剪切力的能力的大小.國內(nèi)外開展過很多針對層間抗剪切力的研究，曾經(jīng)開展過不同尺寸和實驗方法的層間抗剪切力的測試，根據(jù)分析與研究，一些學(xué)者認(rèn)為車轍病害與層間抗剪切性能有關(guān)[4-5].

Leutner剪切實驗[6-7]是研究瀝青混合料的層間抗剪切性能的常規(guī)實驗，此實驗測試層間的抗剪切強(qiáng)度以表征路面不同層之間的粘接力，同時也被用于表征其混合料本身的抗剪切強(qiáng)度[8-10].在試樣的類型上有著多種選擇，在本研究中使用的是從路面取回的芯樣，分別探究不同在病害位置和服役年份的芯樣的層間剪切性能的幾種規(guī)律.

文中分別對兩部分路面芯樣的進(jìn)行Leutner測試，從抗剪切強(qiáng)度、最大應(yīng)變和曲線斜率變化等三個方面探究如何運(yùn)用此方法對路面的老化程度和出現(xiàn)病害的風(fēng)險進(jìn)行評價.

1 實驗材料儀器

1.1 實驗材料

取回路面芯樣共56個，分為兩組，第一組為按照位置區(qū)分的芯樣組，芯樣數(shù)為36個.第二組為按照服役年份區(qū)分的芯樣組，芯樣數(shù)為20個.分組情況見表1.

表1 按位置區(qū)分芯樣一覽表

此段路面已服役多年，取芯之后，按照同一標(biāo)段內(nèi)為一組分為1～6組，每組按照車轍、非車轍和路肩三個位置分類.其中車轍位置是車轍病害處的芯樣，非車轍指車轍位置旁沒有形成病害的芯樣，路肩即為道路路肩位置的芯樣.

本組芯樣從同一條公路中服役時間不同的路面取得，共5組樣.按照服役年份依次進(jìn)行試驗.

表2 按服役年份區(qū)分芯樣一覽表

1.2 實驗儀器

研究使用UTM-25萬能試驗機(jī)，某公司Leutner剪切夾具，馬歇爾穩(wěn)定儀等.

1.3 實驗步驟

步驟1將芯樣和Leutner模具放入UTM中進(jìn)行保溫，溫度設(shè)定為10 ℃，充分保溫后取出.

步驟2設(shè)置馬歇爾穩(wěn)定儀的上升速度為50 mm/min，并調(diào)水平.

步驟3將保溫好的模具放上穩(wěn)定儀平臺，進(jìn)行固定.

步驟4調(diào)整上升模具，并微調(diào)位置，確保模具頂端與穩(wěn)定儀壓頭完全對應(yīng)契合，并接觸產(chǎn)生輕微應(yīng)力時停止.

步驟5選擇馬歇爾穩(wěn)定度模式進(jìn)行實驗，在此芯樣實驗結(jié)束后進(jìn)行卸樣，并將模具放回UTM繼續(xù)保溫.

步驟6調(diào)整機(jī)器，記錄數(shù)據(jù).重復(fù)以上操作并進(jìn)行下組芯樣的實驗.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 按位置區(qū)分芯樣實驗結(jié)果與討論

實驗結(jié)果主要包括兩部分：記錄下的每0.1 s的力(STAB)和位移(FLOW)，直至發(fā)生破壞.

2.1.1按位置區(qū)分芯樣抗剪切強(qiáng)度討論

圖1為按位置區(qū)分芯樣的平均抗剪切強(qiáng)度的值散點圖，各組芯樣的不同位置處的剪切強(qiáng)度平均值，展現(xiàn)每組芯樣不同位置處的抗剪切強(qiáng)度規(guī)律.

圖1 按位置區(qū)分芯樣的抗剪切強(qiáng)度憑平均值散點對比圖

由圖1可知，總體上非車轍處的強(qiáng)度大于車轍處的強(qiáng)度，路肩的強(qiáng)度的規(guī)律不夠明顯.以這種對比出發(fā)，我們可以得出以下結(jié)論：路肩處的芯樣抗剪切強(qiáng)度變異性大，但總體上與非車轍處的強(qiáng)度接近，但是又略微低于非車轍處的強(qiáng)度，即介乎于車轍處和非車轍處強(qiáng)度之間，所以抗剪切強(qiáng)度的分布規(guī)律可以總結(jié)成：非車轍>路肩>車轍.

2.1.2按位置區(qū)別芯樣的對比分析

圖2為各組芯樣層間抗剪切應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律.

由圖2可知，在抗剪切強(qiáng)度上：非車轍處>路肩處>車轍處.但是其中的差異并不大，主要原因應(yīng)該歸結(jié)為這些芯樣從病害路面取來，出現(xiàn)病害的路面服役時間長，路面整體老化的程度比較均勻，雖然存在位置上的差異，但是長時間的服役將差異模糊化，使其并不明顯.但這種差異從實驗結(jié)果來看仍能說明抗剪切強(qiáng)度和路面病害有一定相關(guān)性，所以運(yùn)用層間抗剪切強(qiáng)度評估路面出現(xiàn)病害的風(fēng)險是具有說服力的.

圖2 各組芯樣層間抗剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖

非車轍處和路肩處與車轍處的破壞特點不同.非車轍處和路肩處的芯樣發(fā)生破壞前，大部分應(yīng)力曲線的斜率會有明顯變化，相反，車轍處則少有這種情況.通過圖像可知，在此界面上的力的斜率變化程度：非車轍處和路肩處的層間結(jié)合部的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變化更大，這說明其應(yīng)力變化更接近于半柔性剛體，而車轍處接近于理想剛體.以上結(jié)果表明，車轍病害處的路面的物理性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生變化，與非車轍處和路肩處相比，更接近理想剛體的性質(zhì)，與瀝青路面半剛性的性質(zhì)已經(jīng)相去甚遠(yuǎn)，養(yǎng)護(hù)勢在必行.另一個佐證是最大應(yīng)變，可見非車轍處的芯樣的平均最大應(yīng)變要高于車轍處，證明其擁有更好的韌性，更符合瀝青混合料半剛性的特點.

路肩和非車轍處的曲線變異性很大，這說明路段之間的老化程度也不盡相同，此曲線可在一定程度上說明老化程度的問題，為最后的養(yǎng)護(hù)提供必要的指導(dǎo).

2.2 按服役年份區(qū)分芯樣實驗結(jié)果討論

2.2.1按服役年份區(qū)分芯樣的層間老化分析

為分析隨年份推移的芯樣層間的老化情況，應(yīng)描繪其抗剪切強(qiáng)度和最大應(yīng)變的衰減曲線，并探究規(guī)律.不同年份芯樣的剪切強(qiáng)度的變化見圖3.

圖3 不同服役年份下芯樣的剪切強(qiáng)度完整變化圖

從強(qiáng)度上分析，排除服役3年的芯樣的特殊數(shù)值，層間抗剪切強(qiáng)度和最大應(yīng)變的老化的趨勢曲線，是一個斜率大體上逐漸變大的曲線，這證明隨著服役年份的增長，層間的抗剪切強(qiáng)度逐漸衰減，這一點可佐證使用層間抗剪切強(qiáng)度表征老化程度的可行性.

最大應(yīng)變的衰減同樣是路面老化的癥狀之一.由圖3b)可知，服役4年的芯樣的平均最大應(yīng)變?yōu)樽畹停@與病害路面的數(shù)據(jù)接近，意味著隨著一段時間的推移，其具有出現(xiàn)病害的可能性.

2.2.2按服役年份區(qū)分的芯樣對比分析

為對比隨著服役時間變化，芯樣的層間力學(xué)性質(zhì)的演變規(guī)律，研究選擇具有代表性的芯樣做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4.

圖4 不同服役年數(shù)芯樣的剪切實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖

由圖4中平均抗剪切強(qiáng)度變化可知，芯樣的層間抗剪切強(qiáng)度仍表現(xiàn)出隨著服役4年到服役0年的推移而逐漸增強(qiáng)的趨勢，表明越是新近施工的路面，其層間抗剪切強(qiáng)度越大.這一結(jié)論從正面印證使用芯樣的層間抗剪切實驗對路用性能有一定的評價和預(yù)測功能.

芯樣的層間抗剪切強(qiáng)度隨著服役年份的減少，呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢.這說明，建成時間越短的路面，具有更大的層間抗剪切強(qiáng)度，更好的半剛性性質(zhì)和更大的最大應(yīng)變.服役時間長、老化嚴(yán)重的芯樣則呈現(xiàn)出曲線直、斜率變化小和最大應(yīng)變小等特點.這一特點與之前分析結(jié)論符合，即：服役和老化時間長的路面，層間的抗剪切力呈現(xiàn)出強(qiáng)度降低，最大應(yīng)變變小，同時其力學(xué)性質(zhì)趨近于剛性材料等現(xiàn)象.這一結(jié)論說明使用芯樣的層間抗剪切實驗可以對路用性能有一定的評價和預(yù)測功能.

3 結(jié) 論

1) 從抗剪切強(qiáng)度中可以得知，隨著行車位置的變化，層間抗剪切強(qiáng)度有此規(guī)律：非車轍處>路肩處>車轍處.這說明非車轍處的路面在抵抗輪胎剪切力方面能力最強(qiáng)，同時車轍處能力最差.

2) 未老化和老化程度較弱的芯樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為“S”或者反“S”形曲線，剪切過程中具有斜率的明顯變化.這種破壞過程表明芯樣的層間屬于柔性或半剛性，而老化或出現(xiàn)病害的路面的層間大多表現(xiàn)為剛性破壞，這為層間抗剪切老化的評價提供了有力的支撐.另一佐證是非車轍處的平均最大應(yīng)變大于車轍處的平均最大應(yīng)變，這說明非車轍處的路面具有更好的韌性，半柔性的性質(zhì)更好.所以，將曲線的斜率變化程度設(shè)定為表征路面層間是否老化的指標(biāo)之一，結(jié)合層間抗剪切強(qiáng)度和最大應(yīng)變，可以從三個方面揭示路面的層間性能.

3) 通過對比發(fā)生病害的芯樣和測試路面芯樣的數(shù)據(jù)和曲線，可以合理地充分地反應(yīng)層間老化情況，并更為準(zhǔn)確地預(yù)估層間的殘余疲勞壽命和出現(xiàn)病害的可能性.

[1] 蘇凱,孫立軍.瀝青路面車轍產(chǎn)生機(jī)理[J].石油瀝青,2006,20(1):1-7.

[2] 師曉鴿,向萌萌.半剛性基層瀝青路面的車轍預(yù)測[J].城市建設(shè)理論研究,2013(1):55-58.

[2] 張冬青,孫永紅,李煒光.瀝青混凝土路面抗剪性能分析[J].公路,2008(1):11-14.

[4] DONG Y, PENG M J, MA Y Q, et al. Nonlinear finite element research for the rutting of asphalt pavement base on shear stress analysis[J]. Applied Mechanics & Materials, 2011(1):91-94.

[5] JI X, ZHENG N, HOU Y. Application of asphalt mixture shear strength to evaluate pavement rutting with accelerated loading facility (alf) [J]. Construction & Building Materials, 2013,41:1-8.

[6] 劉細(xì)軍.瀝青混合料及路面層間抗剪特性研究[D].西安：長安大學(xué),2006.

[7] OGUNDIPE O M. Evaluation of the overlay-stress absorbing membrane interlayer (sami) interface using leutner shear test[J]. Journal of Applied Sciences Research，2013,9(8):4482-4488.

[8] SANTAGATA F A, FERROTTI G., PARTL M N, et al. Statistical investigation of two different interlayer shear test methods[J]. Materials & Structures, 2009,42(6):705-714.

[9] GOMBA S. Evaluation of interlayer bonding in hot mix asphalt pavements[J]. International Journal of Pavements, 2005,4(1):1-18.

[10] RAPOSEIRAS A C, CASTRO F D, VEGA Z A, et al. Test methods and influential factors for analysis of bonding between bituminous pavement layers[J]. Construction & Building Materials, 2013,43(3):372-381.