加鋪于舊瀝青路面的薄層罩面層間剪切疲勞性能研究

徐一超

(長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 長沙市 410114)

0 引言

瀝青路面在使用期間受環(huán)境影響，并經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強度逐漸下降，當(dāng)荷載作用超過一定次數(shù)后，路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過路面結(jié)構(gòu)強度下降后的抗力，使路面出現(xiàn)裂紋，最終產(chǎn)生疲勞破壞，疲勞破壞是當(dāng)前瀝青路面破壞的主要形式之一[1]。薄層罩面層間抗剪性能的好壞直接對整個罩面結(jié)構(gòu)的耐久性與穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。 Roffe[2]對不同層間接觸下的路面進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)層間接觸不足可能會導(dǎo)致路面使用壽命較設(shè)計壽命減少65%～70%。調(diào)查表明:許多路面芯樣面層完好，中、上面層或中、下面層間出現(xiàn)層間剝離或斷裂，這類層間破壞的病害現(xiàn)象出現(xiàn)的原因十分復(fù)雜，其中層間疲勞破壞是其中一個十分重要的因素[3]。

我國現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，是以路表設(shè)計彎沉和路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力作為設(shè)計控制指標(biāo)，設(shè)計方法中沒有考慮路面的層間剪切疲勞，難以反映瀝青路面的真實工作狀態(tài)[4]。因此，層間剪切疲勞缺乏相關(guān)的評價手段，應(yīng)對瀝青混合料層間剪切疲勞性能進(jìn)行深入研究，為以后提出薄層罩面層間的抗剪評價方法提供參考。

1 試驗材料

1.1 粘層材料

本研究選用埃索70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘層材料，三種粘層材料的技術(shù)指標(biāo)見表1～表3。

表1 埃索70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS改性乳化瀝青

1.2 集料

選用石灰?guī)r質(zhì)集料，篩分分檔，級配用各檔集料配制。各項指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求。

2 試驗方案

目前國內(nèi)外進(jìn)行層間剪切疲勞試驗的方法主要是直接剪切試驗和斜剪試驗，斜面剪切試驗是在切向剪應(yīng)力和正應(yīng)力同時變化時對瀝青混合料進(jìn)行剪切試驗，比較符合車輛通過彎道時對路面剪切破壞的實際應(yīng)力狀態(tài)，斜面剪切試驗只需施加垂直力即可，因此采用45℃斜剪試驗進(jìn)行層間剪切疲勞試驗。

設(shè)計選用埃索70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘結(jié)材料，在不同應(yīng)力比、不同試驗溫度的條件下，采用電液伺服疲勞試驗機對切割的試樣進(jìn)行剪切疲勞試驗，進(jìn)而評價瀝青路面層間剪切疲勞特性。

2.1 配合比設(shè)計

為了更好地模擬路面的實際情況，采用具有代表性的AC-16級配中值模擬原路面所用的混合料級配，薄層罩面采用SMA-10級配的瀝青混合料來模擬。根據(jù)馬歇爾試驗確定AC-16級配的最佳油石比為4.4%，SMA-10瀝青混合料的最佳油石比為6.1%。

2.2 試件成型

剪切試驗采用“SMA-10+粘層+AC-16”的路面結(jié)構(gòu)形式，為更好地模擬路面的實際施工狀態(tài)，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20-2011采用車轍板成型試件，試驗中采用雙層車轍板模具，上、下層的厚度分別為5cm。將成型后的車轍板切割成100mm×100mm×100mm的正方體試件。

3 性能分析

3.1 不同層間粘結(jié)狀態(tài)下的抗剪強度

根據(jù)規(guī)范及實際的施工經(jīng)驗，在15℃、荷載速率為10mm/min、粘層材料用量1.5kg/m2的條件下進(jìn)行剪切試驗，試驗結(jié)果見圖1和圖2。

表4 不同層間粘結(jié)狀態(tài)下的抗剪強度

從圖1和圖2可以看出層間粘層材料對層間最大剪應(yīng)力影響較大，層間抗剪強度最好的為SBS改性瀝青，其次為SBS改性乳化瀝青，最差的為基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青最大剪應(yīng)力比基質(zhì)瀝青提高近12%，乳化瀝青和基質(zhì)瀝青抗剪性能相對較差，可能是由于基質(zhì)瀝青和乳化瀝青粘性相對較小的原因，不能對上下兩層進(jìn)行很好的粘結(jié)。

3.2 粘層材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命

試驗將在15℃、荷載速率為10mm/min、粘層材料用量1.5kg/m2的條件下進(jìn)行剪切試驗，試驗結(jié)果見表5和圖3。

表5 粘層材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命

從表5和圖3可以看出，層間不同粘結(jié)狀態(tài)的剪切疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平的增大而顯著降低，應(yīng)力水平為0.4時比應(yīng)力水平為0.6時全部提高一倍以上，差距較大，而隨著應(yīng)力水平的提高不同粘結(jié)材料的疲勞壽命差距縮小。同一應(yīng)力水平條件下，疲勞壽命SBS改性瀝青>SBS改性乳化瀝青>70#基質(zhì)瀝青，且隨著應(yīng)力比的增大，差距逐漸縮小，因此，應(yīng)力水平對層間剪切疲勞壽命影響顯著，相對粘結(jié)材料更加敏感。

3.3 粘層材料在不同試驗溫度下的疲勞壽命

為研究溫度對層間剪切疲勞性能的影響，在層間不同粘結(jié)狀態(tài)下進(jìn)行不同溫度的疲勞試驗，控制應(yīng)力水平為0.4，試驗結(jié)果見表6和圖4。

從圖4中可以看出，層間剪切疲勞壽命均隨著溫度升高而下降很快，70#基質(zhì)瀝青的剪切疲勞壽命在各個溫度下均為最低，試驗溫度越低差別越明顯，而SBS改性瀝青的疲勞壽命高于SBS改性乳化瀝青，但差距較基質(zhì)瀝青小得多，且隨溫度的升高差距逐漸縮小，當(dāng)溫度從15℃升至20℃時，SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青的疲勞壽命降低約49%，70#基質(zhì)瀝青下降約51%；當(dāng)溫度從25℃上升至30℃時SBS改性乳化瀝青的疲勞壽命降低37%，SBS改性瀝青剪切疲勞壽命降低約40.7%，70#基質(zhì)瀝青下降約39.7%，由此可見溫度對粘層材料的剪切疲勞壽命影響很大，且隨溫度增大不同粘層材料的疲勞壽命降低幅度有所放緩。

4 剪切疲勞方程

應(yīng)力疲勞特性可用以下公式進(jìn)行表征:

(1)

其中：Nf為疲勞壽命；σ0為應(yīng)力比；K，n為常數(shù)。

應(yīng)力控制模式下的疲勞方程應(yīng)該采用式(1)，在層間剪切疲勞試驗中，式(1)表征疲勞壽命與層間最大剪應(yīng)力之間的關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)代入上式，擬合可得K、n值，求得其疲勞方程見表7。

表7 不同粘結(jié)材料的剪切疲勞方程

通過疲勞方程可以預(yù)估粘結(jié)材料在不同應(yīng)力水平下的層間剪切疲勞壽命。

5 結(jié)論

(1)不同粘層材料的剪切疲勞壽命均受應(yīng)力水平影響，且隨著應(yīng)力比的增大，粘結(jié)材料的剪切疲勞壽命皆下降顯著。說明薄層罩面的層間剪切疲勞壽命對應(yīng)力水平比較敏感。

(2)材料的層間剪切疲勞壽命均隨著溫度升高而降低，其剪切疲勞壽命SBS改性瀝青>SBS改性乳化瀝青>70#基質(zhì)瀝青，且隨著溫度的升高疲勞壽命降幅趨緩。

(3)在薄層罩面層間剪切疲勞試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了不同粘層材料的剪切疲勞方程，可以通過相應(yīng)的疲勞方程預(yù)估材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。