沥青混凝土路面层间力学特研究现状091123.doc

沥青混凝土路面结构层界面力学特性研究现状杨大田1，杨锐2（1，2重庆交通大学土木建筑学院，重庆市，400074） 摘要: 沥青混凝土路用性能部分地受到路面结构层界面力学特性的影响，较小的层间界面力学强度，使沥青混凝土路面发生形式多样的破坏，因此，研究结构层界面力学特性显得格外重要。层间接触条件影响界面强度，改变了路面结构应力、应变，影响路面标明弯沉。总结了层间界面力学特性的影响因素和试验方法，并评述各因素和试验方法的优缺点。同时，归纳了表征层间界面力学特性的技术指标和模型，这些为进一步研究层间界面力学与路用性能的相关关系，和研究表征层间界面动态技术指标及其与路面结构设计，提供文献基础。关键词:沥青混凝土路面 基层 旧水泥混凝土路面 界面力学特性 试验方法Present Situation of Research of Interface Mechanical Property for Asphalt Pavement Structure LayerYang Datian1, Yang Rui2 (1，2 School of Civil Engineering & Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China )Abstract：Highway performances of asphalt concrete pavement were partly influenced by the interface mechanical strengths of pavement structural layers. A lesser interface strength reduced to all kinds of destroying ways appearing on the pavement. Hence, it was very important to research the interface mechanical properties. Interlayer contact condition had an important effect on the interface strength, and changed stress and strain in pavement structure, and influenced deflection on the pavement surface. A few influencing factors and some testing methods were reviewed, which are thoroughly analyzed to their merits and demerits. At the same time, some technique indexes and models which interpreted interface properties were summarized. According to the above, the relationship between interface mechanical properties and highway performance, and the one between interface mechanical indexes and pavement design were i more investigated.Keyword: Asphalt Concrete Pavement, Base, Old cement concrete Pavement, Interface Mechanical Property, Experimental Methods0.引言沥青混凝土路面是多层结构体系，广泛运用在公路和停车场上，同时也作为旧水泥混凝土路面、钢桥梁和水泥混凝土桥梁的加铺层或铺装层。目前世界各国在进行路面结构设计时，常常假设沥青混凝土层与其他结构层（半刚性基层、旧水泥混凝土路面、桥面调平层或粘结层）间是理想、完全连续接触。然而在沥青混凝土路面实际施工中，由于施工方法、工艺等因素，致使各层间接触状态非常复杂，实际处于半连续状态或完全光滑接触状态，造成了它们之间的力学强度变差或完全伤失，引起各种形式的路面破坏。1.层间接触条件对路面结构的影响沥青混凝土路面层间接触条件的改变，影响了层间力学强度，如粘结强度、剪切强度。较小的力学强度，使沥青混凝土面层容易出现早期破坏，主要表现为：车辙、波浪、拥挤、剥离、月牙裂缝、滑移，严重的将导致路面坑洞、脱落等。长安大学的苏凯1在分析山区公路沥青路面表面月牙形裂缝时，指出月牙形裂缝产生的原因是基面层之间的由抗剪强度不足，引起的相对滑移。Willis and Timm(2006) 2认为层间粘结强度的伤失会导致沥青面层早期疲劳开裂，并在NCAT 试验路上作了试验，以证明这一点。较小的界面强度，改变了层间接触状况，对沥青混凝土路面表面弯沉及应力分布、大小产生了较大影响。冯德成，宋宇3利用四层沥青路面结构，分析了层间粘结系数K值变化时，沥青层底部的应力状态影响最为显著，而对路表轮系中心处弯沉值及基层层底拉应力影响较为微小。且当K4000N/cm时，所计算的路表理论弯沉值与层间结合为连续状态下计算结果接近一致，当增大到20000 N/cm时的沥青层底应力水平仍然没有达到连续状态下的计算值。严二虎，沈金安4利用四层半刚性基层沥青路面结构，仅考虑沥青下面层与基层之间界面处于理想的完全连续状态和完全滑动状态，其他结构层之间处于理想的完全连续状态，并设定了两种荷载100kN和300kN。计算了结果表明，界面由完全连续状态变为完全滑动状态时，在100kN、300kN下路面结构最大剪应力分别增加了21%、63%；在连续情况下，最大剪应力值一般出现在荷载圆的边缘1处的路表；在滑动情况下，最大剪应力出现在荷载圆圆心下方的沥青层层底；路面结构拉应力增大；路表、路基顶面的弯沉值变大。祝建华，何德忠5对旧水泥混凝土路面加铺半刚性基层沥青混凝土路面设计计算中，发现(1)界面由完全连续变化到滑动状态，基面层间最大剪应力值增大了1倍；沥青层底由受压状态转变为受拉状态，最大拉应力达到0.347 MPa；基层底最大拉应力提高了37.2%。(2)随着滑动系数的增大，层间最大剪应力作用位置由轮后0.9处逐渐向轮中心靠拢，所以在计算沥青层底最大剪应力时，其计算点位置应视层间接触状态而定；沥青层和基层底最大拉应力的位置基本保持不变，均位于双轮轮隙中心以下。同样，纪小平，李兵和王宇6,邓昌宁7,得到层间滑动状态下路表弯沉明显增加、面层内出现较大水平拉应力、水平拉应变明显增加、剪切应力和应变明显增加。Ameri-Gaznon, M., and Little, D8分析指出当层间处于完全连续接触状态，临界应力发生在沥青混凝土面层的中部；当层间完全伤失粘结强度时，临界应力发生在沥青混凝土面层的底部。路面层间接触状况的改变，影响了面层设计厚度。Ameri-Gaznon, M., and Little, D8分析指出当层间粘结强度逐渐伤失时，围压减少，产生较大剪应力，并指出层间完全光滑时，沥青混凝土面层的临界厚度为15.24cm；理想的完全连续状态时，临界厚度增大到10.16cm，但这时应力起主要作用。 2.界面结构层形成为了增大界面粘结强度，使层间处于完全连续状态，需要在基层上洒布透层油、粘层油或防水粘结层等材料。还有，为了防止反射裂缝，在半刚性基层上铺设各种材料（如玻璃纤维格栅、同步碎石等）；在旧水泥混凝土面板上增设玻璃纤维格栅、土工布、防水卷材、洒布热沥青等材料；为了防止水对钢筋或钢桥面板的锈蚀，常常对钢箱梁和水泥混凝土调平层表面进行处理，涂刷防锈漆、喷防水粘结层或铺设防水卷材等材料。这样，在它们之间形成了一个结构夹层，简称为夹层，这个夹层厚度从几微米到几十毫米不等。从细观上看，在夹层顶部与沥青混凝土面层底部形成第一个粘结界面，同样在夹层底部与基层表面形成第二个粘结界面，这2个界面的力学性能严重地影响沥青混凝土层的路用品质，表征该界面的力学性能之一包括界面的剥离强度和剪切强度，一般来说，界面的抗剪切能力要优于其抗剥离能力9。在沥青混凝土路面结构设计中，不管是利用有限单元法，还是利用弹性层状理论体系，都是把这个夹层简化为无厚度的薄层,并假设接触情况为理想的完全连续状态10。在路面上，出现不同程度、各式各样的破坏，如车辙、波浪、拥挤、剥离、龟裂、坑洞、脱落和反射裂缝等。这些破坏，第一与沥青混凝土本身材料组成、力学强度有关；第二还与基层或旧水泥混凝土路面表面处理工艺和层间的粘结材料等因素有关，例如表面“凿毛”的分布密度、深度，是否设置土工布等隔离层、防水层，是否用改性沥青粘层；第三，与加铺层厚度有关。其中因素第一和第二对界面的力学性能影响较大。3.层间力学特性试验及影响因素由于沥青混凝土层与基层或旧水泥混凝土面层间的力学性能受到基层或旧水泥混凝土面层表面性能、透层油（粘结油）种类和洒布量、防止反射裂缝的土工织物种类和布设方式、加载速率、加载方式、试验温度和仪器设备等因素的影响，国内外学者形成自己的实验条件。国内现有规范和技术标准还有没有规定或指定相关的测试设备和方法。文献10规定了“透层油渗透入基层的深度宜不小于5mm (无机结合料稳定集料基层)10mm(无结合料基层)，并能与基层联结成为一体” 来保证层间界面强度；文献11规定了粘结强度和剪切强度，但没有指定室内和现场标准试验设备和试样制备方法、大小和形状。3.1加载速率、温度（1）国内外的加载速率有0.85mm/min、2.5mm/min、10mm/min、19.05mm/min、50mm/min、50.8mm/min和222.5N/min共6种11。试验资料表明加载速率越大，层间抗剪强度越大。同时资料表明50mm/min是一个较为合适的加载速率，与目前室内常用的马歇尔稳定度仪加载速率是相等，也与一般电子万能试验机的加载速率范围中值相等，因此不需要重新设计加载设备，只需设计一个夹具，就可以直接在马歇尔稳定度仪或电子万能试验机上测试，因而被国内外研究者广泛采纳。（2）在对层间力学强度的测试中，国内外的试验温度有10、15、20、25、55、60共6种228。试验资料表明温度越高，层间抗剪强度和拉拔强度越小，并变异系数越大。大家一致认为25是比较合适试验温度。如果温度偏大，测试得到的抗剪强度和拉拔强度过小，不能区别不同种类的透层油（或粘层油）和洒布量。3.2试样形状、尺寸大小和表面特性（1）圆形，直径152.4mm、101.6mm、150mm和100mm共4种，其中前2种是大型马歇尔试件和标准马歇尔试件试样的直径，后2种是基层和土基试样的试模的直径。试样厚度半刚性基层（或旧水泥混凝土面板等其他结构层）厚度在50100mm间，沥青混凝土面层厚度在40100mm间。（2）方形，长宽为300mm300mm，这是目前室内沥青混凝土车辙试样的试模尺寸，其中厚度是任意的。试样厚度半刚性基层（或旧水泥混凝土面板等其他结构层）在50mm60mm，沥青混凝土面层厚度为50mm。（3）长方形，长100mm宽50mm，试样厚度半刚性基层（或旧水泥混凝土面板等其他结构层）在50mm，沥青混凝土面层厚度为50mm。一般说来，试样断面尺寸越大，试验结果可重复性强，误差小。第一、第二种的试样尺寸大，层间接触面积大，对沥青混合料最大粒径影响小，测试值精度较高，变异性较小，同时半刚性基层（或旧水泥混凝土面板等其他结构层）的表面特性对测试值影响较小；而第三种的试验尺寸小，层间接触面积仅有50平方厘米，因此不能全面反映层间特性分布，因而测试值变异可能性比较大。（4）同样，沥青混凝土层、基层表面特征粗糙度对粘结强度起到较大影响。Mohammad, L.N.Zhong, W. and Raqib, M.A30. (2005).认为在25试验时透层对粘结强度仅增大了1/3，部分情况还降低粘结强度；在55试验时透层既不对粘结强度起到正或负效应，用橡胶改性沥青透层油对粘结强度可以获得较好的效果。Tashman, L.; Kitae, N. and Papagiannakis31, T. (2006).发现沥青面层洗刨过后，粗的表面层对粘结强度比透层油效果还好。国内学者，像长安大学的苏凯，关昌宇等人也得出相同观点。（5）沥青混凝土级配对层间界面粘结强度也有较大影响。Sholar, G. A., Page, G. C. Sholar, G.A.; Page, G.C.； Musselman, J.A.; Upshaw, P.B. and Moseley, H.L.32 (2002).指出在剪切强度方面，粗级配（19.0mm）沥青混凝土比细级配（12.5mm）表现得较好。West, R.C.; Zhang, J. and Moore, J.13也得出相同观点。 因而，研究试样形状、尺寸、混合料级配和表面特性相互关系，对确定试样成型方法和几何尺寸有重大意义。3.3层间力学特性测试设备和方法国内外学者为了测试层间力学强度主要是剪切强度，设计了许多室内试验设备，归纳起来有以下几种：(1)河南省公路局、关昌宇等人、原西安公路交通大学33,34等设计的和意大利的Santagata, Canestari的ASTRA19,20与土工直接剪切仪相类似的层间剪切强度试验设备，如图1所示，称之为水平直接剪切。图2是意大利的Santagata, Canestari设计的测试剪切强度的典型设备。抗剪强度计算公式，D是圆柱形试件直径，mm；是常数，3.14；Pmax是最大荷载，N，S是抗剪强度，MPa。图1 著名的ASTRA直接剪切试验仪该类设备可同时施加水平荷载和垂直荷载，可以分析垂直荷载对层间抗剪强度的影响，但需要专业的厂家设计生产，成本高，操作较复杂。（2）同济大学黄彭教授、长安大学的苏凯等人设计的夹具18,19,21,22,23,24,25,34，如图2所示，该类夹具根据自己研究项目特点在剪切倾角方面从40和45共2种，称之为斜剪。抗剪强度计算公式为，是夹具倾角，单位 ，L是试件长度，mm；B是试件宽度，mm；Pmax是最大荷载，N，S是抗剪强度，MPa。图2斜剪加载装置图3 LPDS加载装置（3）长安大学的胡力群、美国的佛罗里达交通局的Sholar等人、瑞士等人设计的相似夹具11,12,13,18，如图3所示，在平行于界面方向施加荷载，测试界面抗剪强度。该类夹具只能测试层间粘结强度较高试样，然而对层间无粘结材料的、粘结强度小的试样就无法精确测试，称之为垂直剪切。抗剪强度计算公式，D是圆柱形试件直径，mm；是常数，3.14；Pmax是最大荷载，N，S是抗剪强度，MPa。为了评价正压力对层间强度影响，路易斯安那州州立大学和交通研究中心的Louay N.Mohammad22重新设计了夹具，如图4，图4的夹具多了一个侧向加载装置，这样通过侧向荷载的变化，达到试样表面的正应力对剪切强度的影响。这与图1的水平剪切装置相似。图4 路易斯安那州界面粘结强度设备图5 西班牙界面粘结强度测试夹具（4）西班牙，加泰罗尼亚科技大学的Prez-Jimnez. F, R. Miro Recasens PhD等人23,24设计如图5的夹具，该夹具是把试样装入一个直径100mm或150mm的钢制试筒，界面距离与右支点5mm，界面与试模右端距离5mm，荷载施加在试模上。该夹具关键技术是界面与支点和试模端口的距离必须保持在5mm，以防止在加载过程中出现较大弯曲变形，而影响层间粘结强度。该夹具称之为小弯曲抗折粘结强度夹具。由于界面与支点和试模端口的距离必须在规定的5mm以内，如果这个距离较大，易产生较大弯曲变形，使界面强度不能视为是剪切强度。所以较难操作，实际采用得比较少。（5）Louay N.Mohammad,Zhang Wu,P.E and Md, Abdur Raqib等人16在研究在试样等高加载条件瞎，不同粘层材料对界面抗剪强度的影响时，使用了美国制造的SST沥青混合料动态剪切仪，试样，如图6所示，称之为等高动态界面剪切。该设备价格高，一般的路面施工单位基本无法承受，并需要用环氧树脂把试样两个端面粘结在夹具上，操作复杂。图6 SST（Simple Shear Test）夹具（6）2005年英国的Choi,Y.等人35,36设计了图7装置，通过测试界面的最大破坏扭距来评价界面的粘结强度，称之为扭剪。测试规程：首先把试样一端固定在图7a所示的夹具上；再在试样另一端涂上环氧树脂，与一个圆板粘结在一起，如图7b所示；最后，用扭矩扳手顺时针扭转，扭矩表会显示出最大破坏扭矩，如图7c所示。试样上计算公式为, D是圆柱形试件直径，mm；是常数，3.14；M是最大扭距，N.m，S是抗剪强度，KPa。图7实验室扭距粘结试验仪abc （7）沥青混凝土路面各结构层界面抗拉强度的试验仪器设备较少，国内有学者用评价建筑外墙面砖粘结强度的拉拔设备来测试界面抗拉强度，但该设备拉拔杆的轴心与试样轴心很难保证重合在一条线上，试验时会出现偏向，因而得到试验结果变异性很大；同时试样断面积较小，不能完全反映各结构层表面特性对界面强度的影响，试验误差较大。但该设备不仅可以用在室内，而且还可以在现场对界面强度的测试。根据上述文献，不同学者采用了不同设备、夹具、加载速率和温度来测试层间界面抗剪强度，确定透层油（或粘结油）的种类和喷洒剂量。如果大面积推广，并与沥青路面性能相互联系起来，需要统一的试验方法、步骤、设备、试验条件和结果处理方法。试验并分析了影响层间力学强度的各因素，但对层间其他力学特性试验研究得比较少，如层间的蠕变特性、疲劳特性等。更没有建立层间力学特性与路面结构设计之间相互关系，致使在路面结构设计把层间接触状态进行简单处理成连续与光滑两种情形。4.界面特性的表示表征层间界面力学特性的指标常见的是剪切强度，并引申出其他指标。李东华,郝培文 等人提出了粘结层失效系数来评价路面的滑移危害；关昌余、王哲人和郭大智29提出了层间抗剪模量，并利用自制直剪仪对2种温度、6种剪切速率、5种垂直压力和5种粘层油含量进行试验， 回归分析了层间抗剪模量与各影响因素的相关关系式，绘制了正压力诺模图，得到了常温下层间抗剪模量在3501500N/cm间。Shell 石油公司在BISAR3.0程序37中，利用滑动系数和剪切弹性柔量来评价层间接触状态，并沥青路面结构层设计和应力分析，BISAR3.0 User Manual，1998。冯德成，宋宇28提出了层间粘结系数来评价路面层间实际接触状态，并测定了不同组合路面结构的层间粘结系数，还提出了层间粘性百分率来描述半结合状态下层间粘性。路面分析软件EVERSERIES38在路面结构分析时，用0表示完全光滑，1表示层间完全粘结，用21000表示部分光滑，这个值与弹性模量E和泊松系数有关。EverStressFE 1.039 用界面劲度来表征层间的部分接触状态。目前，多种多样表征层间特性的指标没有统一表征，这为实际推广应用，带来一定的困难，并且这些指标是在等应变加载条件下测试或演算得到的，这与路面层间界面受到动荷载不想符合，因此，有必要进一步试验研究表征层间界面的动态性能指标，并与路面性能联系起来。同时，层间界面损伤发生机理的研究还不足。同样在国内，对于层间界面接触状况影响沥青混凝土路面厚度设计和表面弯沉的研究较少；对于沥青混凝土层间界面疲劳寿命的研究较少。4.结论分析了沥青混凝土路面层间界面层形成原因，细分了界面层，总结了界面层对沥青混凝土路面损坏的影响。通过查阅大量文献，不同学者采用不同加载速率、试验温度、试样形状大小和加载夹具。分析了加载速率、试验温度、乳化沥青种类、标号和洒布量等因素对界面强度的影响，最后发现加载速率和温度是影响层间界面力学强度的主要因素，25和50mm/min的试验温度和加载速率是多数学者公认的较为合理的试验条件，这不仅与现有加载设备共享，而且能够最大限度地区别不同种类透层油（或粘层油）和洒布量。今后，需要重点进一步对不同试样形状、尺寸大小和夹具等对界面力学强度的影响作对比性研究。同时，需要更多研究界面的蠕变和疲劳特性，以及破坏机理。建立统一和标准的界面力学特性评价方法与参考指标，并与路面结构层设计时考虑层间状态与路面疲劳寿命的影响，层间状态的可靠性设计，路面结构的优化设计。参考文献：1苏凯，山区公路沥青路面基面层滑移分析D,长安大学学位论文，2004年。 2 Forensic Investigation of a Rich-Bottom Pavement，NCAT Report 06-04. 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