層間結合狀態對瀝青路面疲勞性能的影響

張勇博

摘 要：為了分析層間結合狀態對瀝青路面疲勞性能的影響，從實際路面的層間狀態演化過程出發，利用數值模擬軟件，計算分析層間結合狀態改變后瀝青面層層底拉應力的變化規律，并分析了層間狀態劣化后路面疲勞性能的衰減機理。結果表明，隨著層間結合狀態的劣化，瀝青面層層底拉應力增加，道路路面結構的整體性下降，瀝青路面疲勞性能不斷衰減。研究結果可為完善道路設計提供理論依據與參考。

關鍵詞：道路工程;瀝青路面;層間狀態;疲勞性能

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0080-03

Abstract： In order to analyze the influence of interlayer bonding state on the fatigue performance of asphalt pavement， this paper starts from the evolution process of interlayer state of actual pavement， calculates and analyzes the change law of tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer after the change of interlayer bonding state through numerical simulation software， and analyzes the attenuation mechanism of pavement fatigue performance after the deterioration of interlayer state， With the deterioration of interlayer bonding state， the tensile stress at the bottom of asphalt pavement layer increases， the integrity of the road decreases， and the fatigue performance of asphalt pavement continues to decline. The research results can provide theoretical basis and reference for improving road design.

Keywords： road engineering;asphalt pavement;interlaminar state;fatigue performance

我國瀝青路面設計依據彈性層狀理論體系，但該理論假設瀝青面層與半剛性基層之間是完全連續的，忽略了層間狀態對道路性能的影響，而實際瀝青路面層間狀態處于完全連續與完全光滑之間。早在20世紀60年代就有學者提出，層間不連續會導致道路應力分布不均勻。UZAN J等人通過室內試驗得出層間結合狀態在道路服役過程中會不斷衰減[1]。BIRADER S S等人采用剪切模量這一參數來表征層間結合效果，并通過改變這一參數水平分析層間結合狀態改變對瀝青路面的應力狀態分布[2]。我國學者關昌余等人通過剪切試驗得出層間的粘結效果決定著層間抗剪強度的大小[3]。黃優等人在層間力學分析的基礎上提出，層間結合狀況越好，層間受到的最大剪應力值越小[4]。艾長發等人采用數值模擬軟件，分析了溫度和荷載耦合作用下的不同層間狀態對瀝青路面的影響[5]。

1 道路層間結合狀態分析

1.1 層間結合狀態的演化過程

道路層間結合狀態的優良可通過層間抗剪強度的大小反映。層間結合狀態越好，層間抗剪強度越大;反之，則越小。理論上，新施工完畢的道路基面層層間結合狀態處于無損傷狀態，但并不能維持多久。在夏季高溫時，瀝青路面在重載車輛碾壓下會導致層間將承受較大的剪應力。當剪應力大于層間抗剪強度時，層與層之間會發生微小的相對移動，此時層間的粘結效果將受到損傷，層間抗剪強度下降。隨著層間抗剪強度的下降，層間剪應力不斷增大，而逐漸增大的層間剪應力又會加速層間抗剪強度的衰減，導致層間剪應力和層間結合狀態相互影響。層間結合狀態損傷，抗剪性能下降，會使層間粘結材料處于不利狀態，加劇層間結合狀態的損傷。二者互相影響，最終層間損傷將達到極限，導致粘結材料徹底破壞，從而出現層間粘結失效問題。

1.2 實際道路層間結合狀態

在道路的使用過程中，層間強度會不斷下降。要想在實驗室中模擬實際路面的層間結合狀態，必須知曉實際路面層間處于何種狀態。孫立軍等人在對路面病害調查中發現，在路面表面滑移開裂處鉆心取樣時，出現瀝青混合料層與半剛性基層粘結處嚴重脫落，樣芯基面層無粘結材料進行粘結，接觸面是光滑的，只剩下上面層和少量中面層連接[6]。鉆芯取樣統計顯示，高速公路70%的樣芯都有層間脫空失效現象，其中90%的樣芯脫開面上有剝落痕跡。裴旭東通過研究基面層耐久性發現，基面層層間粘結條件在施工完畢時處于無損傷狀態，其層間的應力傳遞不僅依靠集料之間的機械摩阻力，還依靠基面層之間粘結材料的粘結效果[7]。路面經過高溫、水分和荷載等多種因素耦合作用后，層間粘結效果下降，層與層之間會產生相對移動與分離，層間的結合狀態也由最佳轉變為層間失效狀態。層間一旦發生粘結失效，行車方向的剪應力和拉應力的傳遞只能依靠基層與面層之間的機械摩阻力來傳遞。封基良在進行公路滑移分析時指出，半剛性基層瀝青路面基層層間摩擦系數的取值為0.4～0.8，其中基面層滑移粘結失效情況下為0.4，層間無損傷時為0.8[8]。

2 層間結合狀態對瀝青路面疲勞性能的影響

2.1 層間結合狀態對瀝青路面力學響應的影響

我國規范中疲勞破壞的控制指標為瀝青層層底拉應力，故本文以瀝青層層底拉應力為對象，探究層間結合狀態改變后對瀝青路面疲勞性能的影響。利用ABAQUS有限元軟件建立如圖1所示的半剛性基層瀝青路面復合小梁力學分析模型。各結構層參數如表1所示。在層間設置不同的摩擦系數以實現不同的層間結合狀態，從而分析層間結合狀態改變后復合小梁層底拉應力變化規律，其中摩擦系數的設置參照封基良的研究[8]。

現匯總有限元模型的計算結果，如圖2所示。

由圖2可知，瀝青面層與半剛性基層在荷載作用下，面層底和基層底的最大拉應力隨著摩擦系數的增加而減小。當層間摩擦系數由0.4增加至0.8時，面層層底拉應力下降了22.3%，半剛性基層下降了9.3%。隨著層間結合效果的下降，瀝青面層層底拉應力不斷增加，會導致路面疲勞損傷加劇，縮短路面的疲勞壽命。當摩擦因數從0.8增加到1.0時，面層與基層最大拉應力分別降低了9.4%和2.0%。可見，層間理想的連續狀態與實際狀態力學響應結果相差較大。因此，在進行路面力學響應分析時，以實際的摩擦系數0.4～0.8進行力學分析更合理。

2.2 路面疲勞壽命衰減機理

現有的設計規范和設計指標體系認為，瀝青路面處于完全連續狀態。實際上，在荷載、水鹽遷移、侵蝕以及溫度等多場耦合作用下，層間狀態一般介于完全連續和滑動之間。在整個路面運行周期內，層間狀態不斷演化和損傷，導致路面結構內部應力重新分布。這是瀝青路面疲勞損傷加劇的主要原因之一。

圖3是荷載作用下復合小梁在不同層間狀態下沿梁體厚度方向拉應力的分布情況。當層間結合效果由完全粘結到完全光滑轉化時，層底的拉應力會不同程度地增加。究其原因，荷載作用下，上層層底處于受拉狀態，當層間完全粘結時，層間粘結材料將基層頂部與上層層底連在一起，三者共同抵抗拉應力，上層層底材料所承受的拉應力就會降低。當層間完全光滑時，層間粘結效果不復存在，上層層底的拉應力將全部由上層層底材料承受，此時上層材料受層間效果影響最嚴重。

在實際道路中，荷載作用下瀝青面層層底出現拉應力。由于層間粘結力和摩阻力的存在，可以限制上下兩層之間的相對滑移，有效抑制瀝青面層層底拉應變的產生。當基面層間損傷時，抑制瀝青層層底產生拉應變的結合效果就會下降，致使瀝青層層底拉應變增加。另外，層間無損傷時，粘結效果和摩阻效果的存在可以使瀝青層和半剛性基層具有較好的整體性。瀝青層層底的拉應力可以向基層傳遞，而基層材料可以分散瀝青層層底的一部分應力。層間損傷后結合效果下降，導致瀝青面層與半剛性基層的整體性下降，應力由瀝青面層向基層傳遞的“橋梁”減弱。瀝青層層底拉應力向基層傳遞的能力降低，應力無法擴散傳遞至基層，此時瀝青層承受的應力水平增加，拉應變增大。層底拉應變的增加會導致瀝青面層疲勞開裂的加劇。因此，良好的層間結合狀態能效降低瀝青層層底拉應力和拉應變。隨著層間結合狀態的損傷，瀝青路面疲勞壽命將快速下降，出現疲勞壽命衰減的現象。

3 結論

①實際道路的層間結合狀態會隨著道路使用時間的增加不斷演化并逐漸劣化。層間粘結材料在荷載作用下不斷損傷，最終導致層間發生剪切疲勞破壞。實際中，層間摩擦系數的范圍為0.4～0.8，其中層間粘結失效時為0.4，層間無損傷狀態時為0.8。

②隨著層間摩擦系數的增加，半剛性基層瀝青路面復合小梁的瀝青層層底和半剛性基層層底的拉應力均不斷減小。當層間摩擦系數由0.4增加至0.8時，面層層底拉應力下降了22.3%，半剛性基層下降了9.3%。

③層間結合狀態劣化后，路面結構的整體性下降，層與層之間的應力傳遞能力下降，導致瀝青面層層底拉應力增大，加劇了瀝青路面的疲勞開裂，致使路面疲勞壽命下降。

綜上所述，良好的層間結合狀態可以有效降低瀝青面層層底拉應變，延長路面疲勞壽命。

參考文獻：

[1]UZAN J，LIVNEH M，ESHED Y.Investigation of adhesion properties between asphaltic-concrete layers[J].Association of Asphalt Paving Technologists Proc，1978：495-521.

[2]BIRADAR S S，ANGADI A，YARAGATTI P，et al.Effect of bond strength on performance of pavement[J].International Journal of Advance Research in Engineering，Science & Technology，2015（6）：2394-2444.

[3]關昌余，王哲人，郭大智.路面結構層間結合狀態的研究[J].中國公路學報，1989（l）：70-80.

[4]黃優，劉朝暉，李盛，等.不同層間結合狀態下剛柔復合式路面的剪應力分析[J].公路交通科技，2015（6）：32-38.

[5]艾長發，宋姣姣，王福成，等.界面性質對瀝青路面層間抗剪強度的影響試驗[J].公路，2016（2）：1-5.

[6]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005：113-114.

[7]裴旭東.瀝青面層與基層層間粘結強度和耐久性變化規律研究[D].西安：長安大學，2013：79-84.

[8]封基良.新疆油田公路層間滑移分析[D].西安：長安大學，2000：36-38.