Leutner剪切实验评价路面残余寿命的研究*

曾金煌 万九鸣 肖 月 张 东 孔德智

(广东省南粵交通揭惠高速公路管理中心1) 揭阳 515325)(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引 言

沥青路面由于具有独特的半柔性特性，在老化和特殊环境下易出现病害.其中最主要的病害类型是车辙.关于车辙的成因，目前的研究认为是由于沥青材料在高温环境下的软化和层间抗剪切性能的衰减导致[1].

层间抗剪切性能[2-3]是一项重要的公路质量指标，其表征路面在抵御层间剪切力的能力的大小.国内外开展过很多针对层间抗剪切力的研究，曾经开展过不同尺寸和实验方法的层间抗剪切力的测试，根据分析与研究，一些学者认为车辙病害与层间抗剪切性能有关[4-5].

Leutner剪切实验[6-7]是研究沥青混合料的层间抗剪切性能的常规实验，此实验测试层间的抗剪切强度以表征路面不同层之间的粘接力，同时也被用于表征其混合料本身的抗剪切强度[8-10].在试样的类型上有着多种选择，在本研究中使用的是从路面取回的芯样，分别探究不同在病害位置和服役年份的芯样的层间剪切性能的几种规律.

文中分别对两部分路面芯样的进行Leutner测试，从抗剪切强度、最大应变和曲线斜率变化等三个方面探究如何运用此方法对路面的老化程度和出现病害的风险进行评价.

1 实验材料仪器

1.1 实验材料

取回路面芯样共56个，分为两组，第一组为按照位置区分的芯样组，芯样数为36个.第二组为按照服役年份区分的芯样组，芯样数为20个.分组情况见表1.

表1 按位置区分芯样一览表

此段路面已服役多年，取芯之后，按照同一标段内为一组分为1～6组，每组按照车辙、非车辙和路肩三个位置分类.其中车辙位置是车辙病害处的芯样，非车辙指车辙位置旁没有形成病害的芯样，路肩即为道路路肩位置的芯样.

本组芯样从同一条公路中服役时间不同的路面取得，共5组样.按照服役年份依次进行试验.

表2 按服役年份区分芯样一览表

1.2 实验仪器

研究使用UTM-25万能试验机，某公司Leutner剪切夹具，马歇尔稳定仪等.

1.3 实验步骤

步骤1将芯样和Leutner模具放入UTM中进行保温，温度设定为10 ℃，充分保温后取出.

步骤2设置马歇尔稳定仪的上升速度为50 mm/min，并调水平.

步骤3将保温好的模具放上稳定仪平台，进行固定.

步骤4调整上升模具，并微调位置，确保模具顶端与稳定仪压头完全对应契合，并接触产生轻微应力时停止.

步骤5选择马歇尔稳定度模式进行实验，在此芯样实验结束后进行卸样，并将模具放回UTM继续保温.

步骤6调整机器，记录数据.重复以上操作并进行下组芯样的实验.

2 实验结果与讨论

2.1 按位置区分芯样实验结果与讨论

实验结果主要包括两部分：记录下的每0.1 s的力(STAB)和位移(FLOW)，直至发生破坏.

2.1.1按位置区分芯样抗剪切强度讨论

图1为按位置区分芯样的平均抗剪切强度的值散点图，各组芯样的不同位置处的剪切强度平均值，展现每组芯样不同位置处的抗剪切强度规律.

图1 按位置区分芯样的抗剪切强度凭平均值散点对比图

由图1可知，总体上非车辙处的强度大于车辙处的强度，路肩的强度的规律不够明显.以这种对比出发，我们可以得出以下结论：路肩处的芯样抗剪切强度变异性大，但总体上与非车辙处的强度接近，但是又略微低于非车辙处的强度，即介乎于车辙处和非车辙处强度之间，所以抗剪切强度的分布规律可以总结成：非车辙>路肩>车辙.

2.1.2按位置区别芯样的对比分析

图2为各组芯样层间抗剪切应力-应变规律.

由图2可知，在抗剪切强度上：非车辙处>路肩处>车辙处.但是其中的差异并不大，主要原因应该归结为这些芯样从病害路面取来，出现病害的路面服役时间长，路面整体老化的程度比较均匀，虽然存在位置上的差异，但是长时间的服役将差异模糊化，使其并不明显.但这种差异从实验结果来看仍能说明抗剪切强度和路面病害有一定相关性，所以运用层间抗剪切强度评估路面出现病害的风险是具有说服力的.

图2 各组芯样层间抗剪切应力-应变曲线对比图

非车辙处和路肩处与车辙处的破坏特点不同.非车辙处和路肩处的芯样发生破坏前，大部分应力曲线的斜率会有明显变化，相反，车辙处则少有这种情况.通过图像可知，在此界面上的力的斜率变化程度：非车辙处和路肩处的层间结合部的应力-应变曲线斜率变化更大，这说明其应力变化更接近于半柔性刚体，而车辙处接近于理想刚体.以上结果表明，车辙病害处的路面的物理性质已经发生变化，与非车辙处和路肩处相比，更接近理想刚体的性质，与沥青路面半刚性的性质已经相去甚远，养护势在必行.另一个佐证是最大应变，可见非车辙处的芯样的平均最大应变要高于车辙处，证明其拥有更好的韧性，更符合沥青混合料半刚性的特点.

路肩和非车辙处的曲线变异性很大，这说明路段之间的老化程度也不尽相同，此曲线可在一定程度上说明老化程度的问题，为最后的养护提供必要的指导.

2.2 按服役年份区分芯样实验结果讨论

2.2.1按服役年份区分芯样的层间老化分析

为分析随年份推移的芯样层间的老化情况，应描绘其抗剪切强度和最大应变的衰减曲线，并探究规律.不同年份芯样的剪切强度的变化见图3.

图3 不同服役年份下芯样的剪切强度完整变化图

从强度上分析，排除服役3年的芯样的特殊数值，层间抗剪切强度和最大应变的老化的趋势曲线，是一个斜率大体上逐渐变大的曲线，这证明随着服役年份的增长，层间的抗剪切强度逐渐衰减，这一点可佐证使用层间抗剪切强度表征老化程度的可行性.

最大应变的衰减同样是路面老化的症状之一.由图3b)可知，服役4年的芯样的平均最大应变为最低，这与病害路面的数据接近，意味着随着一段时间的推移，其具有出现病害的可能性.

2.2.2按服役年份区分的芯样对比分析

为对比随着服役时间变化，芯样的层间力学性质的演变规律，研究选择具有代表性的芯样做出应力-应变曲线见图4.

图4 不同服役年数芯样的剪切实验应力-应变曲线对比图

由图4中平均抗剪切强度变化可知，芯样的层间抗剪切强度仍表现出随着服役4年到服役0年的推移而逐渐增强的趋势，表明越是新近施工的路面，其层间抗剪切强度越大.这一结论从正面印证使用芯样的层间抗剪切实验对路用性能有一定的评价和预测功能.

芯样的层间抗剪切强度随着服役年份的减少，呈现逐渐增强的趋势.这说明，建成时间越短的路面，具有更大的层间抗剪切强度，更好的半刚性性质和更大的最大应变.服役时间长、老化严重的芯样则呈现出曲线直、斜率变化小和最大应变小等特点.这一特点与之前分析结论符合，即：服役和老化时间长的路面，层间的抗剪切力呈现出强度降低，最大应变变小，同时其力学性质趋近于刚性材料等现象.这一结论说明使用芯样的层间抗剪切实验可以对路用性能有一定的评价和预测功能.

3 结 论

1) 从抗剪切强度中可以得知，随着行车位置的变化，层间抗剪切强度有此规律：非车辙处>路肩处>车辙处.这说明非车辙处的路面在抵抗轮胎剪切力方面能力最强，同时车辙处能力最差.

2) 未老化和老化程度较弱的芯样的应力-应变曲线表现为“S”或者反“S”形曲线，剪切过程中具有斜率的明显变化.这种破坏过程表明芯样的层间属于柔性或半刚性，而老化或出现病害的路面的层间大多表现为刚性破坏，这为层间抗剪切老化的评价提供了有力的支撑.另一佐证是非车辙处的平均最大应变大于车辙处的平均最大应变，这说明非车辙处的路面具有更好的韧性，半柔性的性质更好.所以，将曲线的斜率变化程度设定为表征路面层间是否老化的指标之一，结合层间抗剪切强度和最大应变，可以从三个方面揭示路面的层间性能.

3) 通过对比发生病害的芯样和测试路面芯样的数据和曲线，可以合理地充分地反应层间老化情况，并更为准确地预估层间的残余疲劳寿命和出现病害的可能性.

[1] 苏凯,孙立军.沥青路面车辙产生机理[J].石油沥青,2006,20(1):1-7.

[2] 师晓鸽,向萌萌.半刚性基层沥青路面的车辙预测[J].城市建设理论研究,2013(1):55-58.

[2] 张冬青,孙永红,李炜光.沥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] 刘细军.沥青混合料及路面层间抗剪特性研究[D].西安：长安大学,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.