半刚性基层沥青路面基-面层间界面强度研究

唐 羽，吴国雄，陈 强，李庆节

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆市交通委员会工程质量安全监督局，重庆 400060；3.中机中联工程有限公司，重庆 400039)

半刚性基层沥青路面基-面层间界面强度研究

唐 羽1，吴国雄1，陈 强2，李庆节3

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆市交通委员会工程质量安全监督局，重庆 400060；3.中机中联工程有限公司，重庆 400039)

半刚性基层沥青路面中，半刚性基层和沥青混合料面层两种材料性能差异较大，基-面层间界面的良好连接至关重要。采用BISAR软件分析基-面层间应力，得出基层、面层的模量和厚度变化对界面剪应力和正应力的影响规律。采用自制夹具进行层间剪切试验，研究了剪切速率和试验温度变化与基-面层间界面剪应力之间的关系；回归拟合表明，路面结构的层间剪应力与剪切速率、试验温度具有较好的相关性。

道路工程；沥青路面；基-面层间；剪切试验；界面力学强度

0 引 言

半刚性基层沥青路面基-面层间连接的实际状态不同于设计时采用的连续状态，基-面层间接触的实际状态是介于完全连续和完全光滑之间的一种状态[1]。半刚性基层、沥青面层和层间封层在材料、模量、结构、强度等方面存在着差异，因此，诸多因素影响着基-面层间界面力学强度。任赟等[2]研究了路面结构不同层间接触状态；H.OZER等[3]研究得出路面层间接触状况的改变对面层设计厚度影响较大的结论；颜可珍等[4]研究了沥青混凝土路面的层间接触状态对加铺层的影响；SUN Jisha等[5]研究了不同接触状态下沥青路面的疲劳寿命；柳浩等[6]得到了沥青路面基-面层间接触状态变化与基-面层间正应力、剪应力和相对位移的变化关系；白雪梅[7]通过研究得出路表弯沉、面层内最大剪应力对层间接触状态的变化不敏感。

笔者开展对半刚性基层沥青路面的基-面层间界面力学强度的系统研究。通过层间剪切试验，得出路面结构的层间剪应力与剪切速率、试验温度具有较好的相关性，从而为半刚性基层沥青路面基-面层间剪应力的预估提供了一种参考方法。

1 BISAR软件计算分析

运用BISAR软件对半刚性基层沥青路面基-面层间力学强度进行分析，采用的是弹性层状体系理论和双圆均布荷载，相关计算参数取有关规范规定的标准值。在分析影响因素时，其他因素设定为常量，均假定为只受垂直荷载作用。

1.1 基层模量和厚度改变对层间强度的影响

1.1.1 基层模量

选用材料和参数见表1，表中3个点位分别是双轮轮隙中心(A)、轮载作用边缘(B)、轮载作用中心(C)对应的基-面层间位置。计算不同基层模量下，

基-面层间的剪应力τ、正应力σxx，并绘制出它们的相关关系，如图1。

表1 基本参数

图1 基层模量与τ，σxx之间的关系Fig.1 Relationship between the base modulus and τ, σxx

由图1可知，随着基层模量增大，基-面层间剪应力τ呈减小趋势，而基-面层间正应力σxx则逐渐增大，在C点处增幅达到最大，为47.9%，说明轮载作用中心(C点)对应的正应力增加趋势显著。

1.1.2 基层厚度

基层厚度分别取0.1，0.15，0.20 m，基层弹性模量E=1 600 MPa，其余参数不变。计算得到基层厚度与基-面层间剪应力τ、正应力σxx的关系，如图2。

图2 基层厚度与τ，σxx之间的关系Fig.2 Relationship between the base thickness and τ, σxx

由图2可知，随着基层厚度的增加，基-面层间剪应力τ先减小后增大，但变化均不明显，C点处的剪应力最大；基-面层间正应力σxx呈现增大的趋势，轮隙中心(A点)的正应力最大。

1.2 面层模量和厚度改变对层间强度的影响

1.2.1 面层模量

面层模量的取值如表2。

计算得到面层模量与基-面层间剪应力τ、正应力σxx的关系，如图3。由图3可知，随着面层模量增加，基-面层间剪应力τ相应增大；但基-面层间的正应力σxx呈现下降趋势，并且C点处正应力减小趋势最明显。

表2 基本参数

图3 面层模量与与τ，σxx之间的关系Fig.3 Relationship between the surface modulus and τ, σxx

1.2.2 面层厚度

面层厚度分别为0.05，0.10，0.15 m，沥青面层弹性模量定为1 300 MPa，其余参数不变。计算并建立面层厚度与基-面层间剪应力τ、正应力σxx的关系，如图4。

图4 面层厚度与τ, σxx之间的关系Fig.4 Relationship between the surface thickness and τ, σxx

由图4可知，面层厚度的变化对基-面层间受力影响最为显著。随着面层厚度增加，B，C点处的剪应力τ呈下降趋势，而A点处的剪应力τ是先减小后增加；基-面层间正应力σxx呈明显下降趋势，C点降幅高达78.1%。可见，基-面层间受力响应对面层厚度的变化比较敏感。

2 基-面层间剪切试验

研究剪切试验过程中的试验外加条件(如剪切速率、试验温度等)对剪应力的影响，并探索其规律性。

2.1 试验方案与步骤

2.1.1 试件尺寸

试模为自主研发制成，分两层，每层厚度均为5 cm，可以拆卸，如图5。

图5 试模Fig.5 Test mold

按照JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型车辙试件，尺寸为30 cm × 30 cm × 10 cm，然后切割成10 cm × 10 cm × 10 cm的测试试件用于剪切试验，如图6。

图6 试件Fig.6 Specimen

2.1.2 剪切速率

采用4种剪切速率5，10，15，50 mm/min，加载方式采用应变控制的方式。

2.1.3 试验温度

采用3种试验温度0，25，50 ℃进行斜剪试验，分别表征低温、常温和高温3种不同温度环境，试验前试件需要在0℃的冰箱和50℃的温箱中保温5 h以上。

2.2 层间处理

2.2.1 透层油

厚度为5 cm的基层铺筑好后，静压成型，及时撒布乳化沥青制成的透层油，渗透深度不小于5 mm，然后放置于标准养护室7 d以上。

2.2.2 稀浆封层

待基层试件养护好后，即铺筑稀浆封层。稀浆封层采用的是ES-2型，铺筑厚度为5 mm。最后铺筑厚度为5 cm的沥青面层。

2.3 计算公式

考虑到实际路面的层间滑移破坏不仅是承受水平荷载，同时还承受车辆等垂直荷载，因此笔者采用斜剪模式(倾角为45°)，这种模式能更好地模拟路面结构的实际受力，剪切试验示意见图7。

图7 剪切试验示意Fig.7 Shear test schematic

根据已知的倾角和试件的尺寸，推出剪应力的计算公式，如式(1)：

(1)

式中：τ为剪应力，MPa；F为外部垂直压力，N；S为剪切试件的剪切面面积，10 000 mm2。

3 试验结果分析

半刚性基层沥青路面的基-面层层间斜剪试验结果数据汇总如表3。

表3 试验结果

3.1 试验温度对剪应力的影响

半刚性基层沥青路面的基-面层层间斜剪试验的试验温度与剪应力的关系如图8。

图8 试验温度与剪应力的关系Fig.8 Relationship between test temperature and shear stress

由图8可见，沥青路面基-面层剪应力随温度升高明显降低。当温度从0→25 ℃，剪应力的降低幅度明显较温度从25→50 ℃的大。当加载温度为0 ℃时，试件材料不容易产生滑动，剪切破坏原因更多是由于外部垂直荷载引起的，材料本身被压坏，从而发生层间破坏。当加载温度为50 ℃时，沥青材料表现出流动性，抗变形能力显著降低，层间容易产生滑动，因此剪应力大幅降低。沥青材料对高温比较敏感，当温度升高时，路面层间黏度降低，黏结力下降，容易产生变形、滑移，剪应力显著降低，这也是高温季节长大纵坡路面结构容易出现路面滑移破坏的主要原因。

3.2 剪切速率对剪应力的影响

剪切速率与剪应力之间的关系如图9。

图9 剪切速率与剪应力的关系Fig.9 Relationship between shear rate and shear stress

由图9可见，在同一温度下，半刚性基层沥青路面层间剪应力是随着剪切速率的增加而线性增加。但是当剪切速率γ>15 mm/min，剪应力的增加速率降低，可得出剪应力和剪切速率之间是线性关系，如式(2)：

y=kx+b

(2)

式中：k为剪切速率敏感系数；b为温度敏感系数。

不同温度下，k变化较小，b的变化较大。即，相较于剪切速率，剪应力对温度变化更敏感。

3.3 试验温度与剪切速率的显著性分析

试验结果同时受到多个因素影响时，可以通过方差分解了解每个试验因素对试验结果的影响程度及影响的显著性大小，从而为试验方案的优选和试验条件的控制提供科学依据[8]。

对表3中的数据进行无重复试验双因素方差分析，试验假设有A，B两因素，每个因素分别设有m，r个水平，试验时对每个水平进行组合，每个组合进行一次试验，一共进行mr次试验。试验方差分析见表4。

表4 双因素无重复试验方差分析

(续表4)

方差来源因素A因素B误差e总和T方差VA=SAm-1VB=SBr-1Ve=Se(m-1)(r-1)F比FA=VAVeFB=VBVe显著性**

表4中各式的计算如下：

1)在因素Ai下的样本均值

(3)

2)在因素Bj下的样本均值

(4)

3)因素A的偏差平方和

(5)

4)因素B的偏差平方和

(6)

5)误差平方和Se

(7)

6)总偏差平方和ST

ST=SA+SB+Se

(8)

7)总自由度

fr=总的试验次数-1=mr-1

(9)

同理：

fA=m-1

(10)

fB=r-1

(11)

fe=fT-fA-fB

(12)

根据表格计算出F值后，就可以进行因素影响的显著性分析。给定的显著性水平α(α= 0.01，0.05，0.1)，通过查F分布表查出Fα(fA，fe)，Fα(fB，fe)并分别和FA，FB进行比较，若FA>Fα(fA，fe)，说明因素A的影响大于误差e的影响，并且影响显著；同理因素B也是一样。

根据上述理论对表3进行方差分析，分析结果见表5，取α= 0.05。

表5 方差分析

注：*表示较显著，**表示显著。

由表5可知，剪切速率和试验温度对层间剪应力的影响都是显著的，但试验温度影响的显著性远大于剪切速率的影响。

3.4 强度-温度-剪切速率关系

对表3中的试验数据进行回归拟合，建立起强度-温度-剪切速率的关系式，如式(13)：

(13)

式中：y为剪应力，kPa；xt为试验温度，范围为0～60 ℃；xv为剪切速率，mm/min；a，b，c，d为待求解参数。

将表3中的数据代入式(13)，计算得到：a= 513.47，b=-0.048，c=-0.122，d= 9.145，e= -76.17，相关系数R= 0.999。说明该拟合具有很好的相关性，因此，强度-温度-剪切速率的相关关系可用式(14)来表达：

(14)

取xt= 30 ℃，xv= 50 mm/min，通过式(14)计算得到y计算= 178 kPa。实际的剪切试验结果为y实验= 185 kPa。计算数据比实验数据低3.7%，说明用式(14)对半刚性基层沥青路面基-面层间剪应力进行预估，具有较好的可靠度。

4 结 论

1)半刚性基层沥青路面基-面层间界面力学强度受到材料、温度、试验条件等诸多因素影响。随着基层模量增加，层间剪应力减小，层间正应力增大；随着基层厚度增加，层间正应力成增加趋势，层间剪应力变化很小。

2)随着面层模量增加，层间剪应力增大，层间正应力减小。随着面层厚度增加，层间剪应力总体呈下降趋势，层间正应力减小。

3)通过对半刚性基层沥青路面基-面层间的剪切试验，得出层间剪应力和剪切速率之间呈线性关系，并且层间剪应力相较于剪切速率，对温度变化更为敏感。

4)对试验数据回归拟合表明，层间剪应力与试验温度、剪切速率具有较好的相关性，相关系数R= 0.999。

[1] 李志宏,黄宝涛.沥青路面层间接触面积临界值的计算方法[J].建筑材料学报,2008,11(3):311-317.

LI Zhihong, HUANG Baotao. Calculation method for critical value of interlayer contact area of asphalt pavement[J].JournalofBuildingMaterials,2008,11(3):311-317.

[2] 任赟,张磊,时伟.层间接触条件对半刚性基层沥青路面寿命影响分析[J].交通标准化,2009(11):35-37. REN Yun, ZHANG Lei, SHI Wei. Impact of contact condition between layers on service life of asphalt pavement with semi-rigid base [J].TransportStandardization,2009(11)35-37.

[3] OZER H, AL-QADI I L, HASIBA K I, et al. Pavement layer interface shear strength using a hyperbolic mohr-coulomb model and finite element analysis[C/OL]// T & DI:TheProceedingsofthe2013Airfield&HighwayPavementConference:SustainableandEfficientPavements. Los Angeles, California: ASCE, 2013: 1445- 1456[2014-12-24].http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784413005.122.

[4] 颜可珍,江毅,黄立葵,等.层间接触对沥青加铺层性能的影响[J].湖南大学学报(自然科学版),2009,36(5):11-15. YAN Kezhen, JIANG Yi, HUANG Likui, et al. Effect of bond condition on overlay performance [J].JournalofHunanUniversity(NaturalSciences),2009,36(5):11-15.

[5] SUN Jishu, XIAO Tian, DOU Yuanming, et al.StudyontheRationalThicknessofSurfaceCourseonSemi-rigidBaseAsphaltPavement[M/OL]// ASCE: Pavements and Materials, Geotechnical Special Publication No.212.[S.l.]: ASCE, 2011: 37-44[2014-11-12].http://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/47623%28402%295.

[6] 柳浩,谭忆秋,宋宪辉,等.沥青路面基-面层间结合状态对路面应力响应的影响分析[J].公路交通科技,2009,26(3):1-6. LIU Hao, TAN Yiqiu, SONG Xianhui, et al. Influence of bonding condition between base and surface courses of asphalt pavement on pavement stress response [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2009, 26(3):1-6.

[7] 白雪梅. 层间接触状态对沥青路面结构力学响应的影响[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(2):215-218. BAIXue-mei. Effect of Bonding Condition between Asphalt Layer and Semi-Rigid Layer on Structural Mechanics Response of Asphalt Pavement[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science),2009,28(2):215-218.

[8] 刘振学,黄仁和,田爱民.试验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2006:47-51. LIU Zhenxue, HUANG Renhe, TIAN Aimin.ExperimentalDesignandDataProcessing[M]. Beijing: Chemical Industry Press,2006: 47-51.

Interlayer Mechanical Strength of Base-Surface Layer of Semi-Rigid Base Asphalt Paiement

TANG Yu1, WU Guoxiong1, CHEN Qiang2, LI Qingjie3

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Engineering Quality & Safety Supervision Bureau of Chongqing Communications Commissions, Chongqing 400060, P.R.China; 3. CMCU Engineering Co., Ltd., Chongqing 400039, P.R.China)

In the semi-rigid base asphalt pavement, the performance of semi-rigid base and asphalt mixture layer are very different, so the interlayer connection between base layer and surface layer is crucial. The stress of base-surface layer was analyzed through BISAR software, and the law of interlayer shear and normal stress influenced by the change of the modulus and thickness of base layer and surface layer was acquired. Then a self-made fixture was used to carry out the base-surface layer shear test. The relationship between interlayer shear stress of base-surface layer and shear rate and test temperature change was researched. It is indicated by regression that the interlayer shear stress of pavement structure has good correlation with shear rate and test temperature.

highway engineering; asphalt pavement; base-surface layer; shear test; interlayer mechanical strength

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.07

2015-03-03；

2015-07-11

2014年重庆高校优秀成果转化资助项目(KJZH14104)；重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2013-005)

唐 羽(1983—)，女，重庆人，博士研究生，主要从事道路工程方面的研究。E-mail:faye-yu@163.com。

U416

A

1674-0696(2016)03-033-05