薄層加鋪層間抗剪強度理論及影響因素分析

孫超

（同濟大學，上海市 200092）

0 引言

薄層加鋪是指在原有瀝青路面上加鋪一層厚度為2～4 cm的熱拌瀝青混合料[1]。薄層加鋪可有效地防止路面使用性能的持續惡化，修復表面缺陷，延長路面使用壽命。

然而薄層加鋪極容易發生層間粘結失效、加鋪層剝落等病害[2]。國內外大量學者對薄層加鋪層間粘結特性展開研究[3-13]。本文在充分借鑒已有研究成果的基礎上，將黏性土抗剪強度摩爾-庫倫理論拓展至薄層加鋪層間抗剪強度當中，通過室內斜剪試驗的手段，給出了適用于薄層加鋪層間抗剪強度理論，并對抗剪強度參數的影響因素展開研究。

1 室內試驗方案設計

1.1 試驗方法與裝置

薄層加鋪層間粘結狀況的試驗方法主要有：剪切試驗和拉拔試驗。而剪切試驗又可分為斜剪試驗和直剪試驗。考慮到加鋪層層底在行車荷載作用下處于三向受力的狀態，而直剪試驗和拉拔試驗中，試件的受力狀態與實際情況有較大的出入，因此本文選擇斜剪試驗作為薄層加鋪層間粘結失效的試驗方法。

斜剪試驗借助于材料試驗系統MTS完成，通過兩平行的模具將試件夾住，在層間形成剪切滑動面，并可通過改變模具形狀的方式改變剪切滑動角度，具體試驗裝置見圖1、圖2。

圖1 斜剪試驗試驗裝置

圖2 剪切試件

斜剪試驗采用邊長為10 cm的立方體試件，試件利用車轍板成形儀器分兩次攤鋪成形。其中下層采用SMA-13瀝青混合料；粘層油采用SBS改性乳化瀝青，其用量為0.8 kg/m2；上層采用UTA-10瀝青混合料，其級配見表1，最佳油石比為5.4%，聚酯纖維加入量為0.25%，抗剝落劑加入量為瀝青用量的0.4%。

表1 UTA-10級配組成

1.2 試驗控制條件

已有的研究表明，荷載加載速率會顯著影響室內試驗抗剪強度值，故本文對加載速率的影響展開研究，從而為加載速率的控制提供科學合理的依據。

本文將MTS荷載加載速率設定為1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min、30 mm/min、40 mm/min、50 mm/min，共計7種不同的加載速率。試驗溫度為常溫下25℃，剪切角為40°，將這7種速率下的層間抗剪強度繪于圖3。

圖3 抗剪強度與荷載加載速率關系

由試驗結果可見：低速加載與高速加載下的層間抗剪強度差異很大，高速條件下的抗剪強度約為低速條件下的2倍。此外，隨著荷載加載速率的增大，層間抗剪強度隨之增大，而增大幅度逐漸減小，最終抗剪強度值趨于收斂。因此可以認為，對于低速加載而言，抗剪強度受加載速率的影響很大，所以在選用低速加載時，其加載速率需根據路面的實際受力狀況而定。對于高速加載而言，層間抗剪強度受加載速率的影響不大，可以認為加載速率為50 mm/min時的抗剪強度即為高速加載條件下的代表值。

本文選擇高速加載模式，即50 mm/min為層間抗剪強度的加載速率。其主要原因為國內外大多數強度試驗均采用50 mm/min的加載速率，而且高速加載可以一定程度上消除瀝青混合料蠕變對試驗結果的影響[14]。

2 試驗結果與分析

2.1 剪切角對層間抗剪強度的影響

剪切角是指MTS試驗中試件剪切滑動面與水平面所形成的夾角。其大小直接影響層間剪切滑動面上法相壓應力與切向剪應力的比例關系，因此本文開展了 20°、25°、30°、35°、40°、45°和 50°共計7種剪切角條件下的層間剪切試驗，試件為干燥試件，試驗溫度設定為常溫條件25°。

試驗過程中發現：剪切角為20°和25°時MTS壓頭壓應力超過其量程10 kN，故將剪切角為30°、35°、40°、45°和 50°時所對應的抗剪強度繪制于圖4中，20°和25°的采用趨勢外延的方式進行預測。

圖4 剪切角對層間抗剪強度的影響

試驗結果表明：層間抗剪強度隨剪切角α的增大而減小，并且減小幅度逐漸減小。但需要特別指出的是，當剪切角α增大到試驗范圍之外時，層間抗剪強度將進一步減小，直至剪切角α等于90時，所測得的抗剪強度即為直剪試驗的抗剪強度。

1910年摩爾（Mohr）曾指出材料在發生剪切破壞時，其破壞面上的剪應力τ是為該方向上法向壓應力的函數，即：

借鑒土體的抗剪強度理論，本文將各剪切角所對應的應力狀態轉換為僅受破壞面上剪應力τ和法向壓應力σ，其結果見圖5。

由圖5可以發現，當剪切滑動面上法向壓應力在一定范圍內時，層間抗剪強度與法向壓應力呈線性關系。這一關系與黏性土抗剪強度的庫侖定律極為相似，因此可以借鑒庫倫定律將加鋪層間抗剪強度定義為：

圖5 薄層加鋪層間抗剪強度與法向應力間的關系

式中：[τ]——薄層加鋪層間抗剪強度，MPa；

σ——剪切滑動面上法向壓應力，MPa；

c——粘層油粘聚力，MPa；

φ——加鋪層與原路面間內摩擦角。

2.1.1 抗剪強度參數c

參數c表示剪切面法向壓應力為零時，層間的抗剪強度。因此，可以將其定義為僅由粘層油粘結作用所提供的層間抗剪強度，故稱為粘層油粘聚力。同時，粘層油粘聚力c恰為直剪試驗所測得的抗剪強度，因此粘層油粘聚力c可以通過直剪試驗獲得。

粘層油粘聚力c值大小主要受粘層油性質、原路面構造深度、加鋪層級配、路表溫度和水的剝落損壞程度等五方面因素影響。具體影響情況如下：

（1）粘層油性質

粘層油性質主要包括粘層油自身的粘結效果，例如SBS改性瀝青的粘結效果高于普通瀝青，而普通瀝青又高于乳化瀝青。此外，粘層油的用量也會影響其粘結效果。當用量過小時，粘層油無法有效均勻的填充于原路表及加鋪層的空隙中，從而減小了有效接觸面積，降低了粘結效果。如圖6所示，當粘結層厚度持續增大，超過最佳值時，其粘結力會顯著降低。

圖6 粘層油厚度對粘結力的影響

（2）路面構造深度與加鋪層級配

路面構造深度和加鋪層級配的大小會直接影響粘結面上的表面積，從而影響粘結效果。

（3）溫度與濕度

溫度與濕度均會影響粘結層的粘結效果，但各自的作用機理目前清楚，因此本文借助室內試驗，對其影響機理展開研究。

2.1.2 抗剪強度參數

參數φ表示抗剪強度曲線的斜率，其物理意義為：在不設有粘結層的情況下，加鋪層受外力作用而處于臨界平衡狀態時，外力與接觸面法向間的夾角。換而言之，此時加鋪層能否沿接觸面滑動與外力大小無關，僅與夾角有關。當這一夾角小于參數φ時，不會發生滑動，當這一夾角大于參數φ時，便會發生滑動。因此將抗剪強度參數φ稱為加鋪層與原路面間內摩擦角。

內摩擦力主要是由于加鋪層和原路面間的表面摩擦力和由于加鋪層壓實過程中的連鎖作用而產生的咬合力所引起。因此內摩擦角的大小主要取決于接觸面的粗糙程度以及粘層油和水的潤滑作用。

2.2 溫度對層間抗剪強度的影響

加鋪層、原始路面以及粘結層均對溫度十分敏感，不同的溫度條件下，各種材料所呈現的性能差異很大。因此，本文通過室內斜剪試驗，研究25℃、40℃、50℃所對應的層間抗剪強度。

表2為干燥條件、40°剪切角時，不同溫度下層間抗剪強度試驗結果。試驗結果表明：該工況條件下，試驗層間抗剪強度隨著溫度的升高線性遞減。

表2 不同溫度下層間抗剪強度試驗結果

將不同溫度下的抗剪強度曲線見圖7（a），并將抗剪強度參數c、隨溫度變化規律見圖7（b）。

試驗結果表明：當試驗溫度從20℃升高至50℃，粘聚力c呈線性降低，c值約降低為20℃時的1/4。而內摩擦角隨著溫度的升高而升高，但變化幅度僅為3°，變化并不明顯。因此，可以認為溫度對粘層油粘聚力c的影響較大，而對內摩擦角φ的影響并不明顯，可以忽略不計。這種試驗現象可以解釋為：溫度升高增強了瀝青材料的流動性，降低了粘結力，因此層間粘層油的粘聚力c顯著降低，而內摩擦角φ主要受接觸面的粗糙程度影響，溫度的影響不明顯。

圖7 薄層加鋪層間抗剪強度曲線隨溫度變化規律

2.3 濕度對層間抗剪強度的影響

薄層加鋪層間水分子的來源主要有兩類：一類是地表降雨后，雨水沿加鋪層微裂紋等損傷進入加鋪層，并在行車荷載作用下產生巨大的動水壓力。動水壓力進一步沖蝕加鋪層并使接觸面瀝青剝落，細集料損失，最終導致層間分離。另一類是白天高溫路基土體中的水以水蒸氣的形態沿原路面的裂縫向上擴散至層間位置，由于加鋪層阻礙了水蒸氣的擴散，水蒸氣在層間處聚集，當夜晚降溫時，水蒸氣便以液態水的形態存在于層間。當行車荷載作用下，會產生動水壓力，從而使層間的瀝青剝落，最終導致層間分離。

由上述分析可見，薄層加鋪的層間濕度狀況會顯著影響其抗剪強度大小。因此，本文分別對干燥條件、飽水24 h以及飽水24 h后0.03 MPa動水壓力作用下層間抗剪強度展開研究。

如圖8所示，路表動水壓力借助于MTS三軸室水圍壓模擬。根據李少波、張宏超等人對路面動水壓力的實測結果，試驗中動水壓力設為0.03 MPa[14]。

圖8 考慮動水壓力影響的MTS抗剪強度試驗

將干燥、飽水24 h以及飽水24 h后0.03 MPa水壓作用下，層間抗剪強度試驗結果繪于圖9(a)中，抗剪強度參數粘聚力c和內摩擦角φ分別繪于圖9(b)和圖9(c)中。從試驗結果可以看出，不同濕度條件下，抗剪強度[τ]仍隨剪切面法向壓應力σ呈線性變化。粘層油粘聚力從1.49 MPa下降到1.28 MPa，但相較于溫度的影響，其變化范圍不大。而內摩擦角φ從22.08°下降為15.59°，下降了約6°，濕度對于內摩擦角的影響明顯大于溫度的影響。這可以解釋為：水在一定程度上深入到剪切滑動面，起到潤滑作用，而持續施加動水壓力進一步擴大了潤滑效果，從而降低了層間內摩擦角。

圖9 不同濕度條件下層間抗剪強度

從試驗結果來看，濕度對于層間抗剪強度的影響并沒有定性分析的那樣顯著。究其原因可解釋為：濕度對于層間抗剪強度的影響是一個緩慢持續的過程，可認為是一個動水壓力反復作用的疲勞破壞過程。而本試驗中試件粘結狀況較好，尚未經過動水壓力的長期作用，粘結層瀝青尚未剝落，故試驗得到的結果相較于實際狀況較小。

3 結語

薄層加鋪層間抗剪強度是評價加鋪層能否發生剪切破壞、加鋪層剝落的重要力學指標。本文借助于MTS試驗系統，確定了評價加鋪層抗剪強度的室內試驗方法，提出了加鋪層抗剪強度理論，并分析了抗剪強度參數的影響因素。具體結論如下：

（1）確立了斜剪試驗作為層間抗剪強度的試驗方法，并通過改變滑動面角度的方式，實現了不同工況條件下受力狀態的模擬。

（2）對不同加載速率條件下薄層加鋪層間抗剪強度展開了研究，認為高速加載更適用于抗剪強度試驗，并且當加載速率達到一定程度時，其對抗剪強度的影響程度很小，因此確定50 mm/min為最佳加載速率。

（3）通過斜剪試驗發現，薄層加鋪層間抗剪強度與法向應力呈線性關系。因此根據摩爾—庫倫理論，初步建立了薄層加鋪層間抗剪強度理論。

（4）對抗剪強度參數c、φ值影響因素展開研究，試驗結果表明，除了加鋪層、粘結層等材料自身因素之外，溫度和濕度狀況同樣會影響抗剪強度參數，其中溫度會顯著影響粘層油粘聚力c，濕度狀況會影響薄層加鋪層間內摩擦角φ。

[1]汪水銀.室內瀝青混凝土路面層間抗剪強度試驗方法研究[J].公路,2010(2):144-147.

[2]Kandhal P,Rickards I.PREMATURE FAILURE OF ASPHALT OVERLAYS FROM STRIPPING:CASE HISTORIES[J].Asphalt Paving Technology,2001.

[3]Yang Y H,Liu Z,Gao J X,etc.Bonding Characteristics Analysis of Ultra-Thin Overlay of Asphalt Pavement Layer[J].Sustainable Environment and Transportation,2012.

[4]Tighe S,Kivi A,Fung R,etc.Ten Year Performance Evaluation of Unbonded Concrete Overlay and Jointed Plain Concrete Pavement:A Toronto Case Study[J].2013 CONFERENCE AND EXHIBITION OF THE TRANSPORTATION ASSOCIATION OF CANADATRANSPORTATION:BETTER-FASTER-SAFER,2013.

[5]Saghebfar M,Najjar Y M.Evaluation of Interface Bond Strength of Asphalt Pavements[A].Transportation Research Board 93rd Annual Meeting[C].2014.

[6]Hu X,Walubita L F.Effects of layer interfacial bonding conditions on the mechanistic responses in asphalt pavements[J].Journal of Transportation Engineering,2010,137(1):28-36.

[7]Mohammad L N,Raqib M A,Huang B.Influence of asphalt tack coat materials on interface shear strength[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2002,1789(1):56-65.

[8]Collop A C,Sutanto M H,Airey G D,etc.Shear bond strength between asphalt layers for laboratory prepared samples and field cores[J].Construction and Building Materials,2009,23(6):2251-2258.

[9]Santagata E.Advanced Testing and Characterization of Interlayer Shear Resistance[J].ranoraon Rarh Rord:Jornal of h ranoraon Rarh Board,2005(1).

[10]West R C,Zhang J,Moore J.EVALUATION OF BOND STRENGTH BETWEEN PAVEMENT LAYERS[J].Cores(Specimens),2005.

[11]Dempsey B J.Development and performance of interlayer stressabsorbing composite in asphalt concrete overlays[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2002,1809(1):175-183.

[12]Yildirim,Y.,Smit,A.F.,Korkmaz,A.Development of a Laboratory Test Procedure 43 to Evaluate Tack Coat Performance[J].Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences,2005(29):195-205.

[13]Mohammad,L.N.,M.A.Raqib,Z.Wu,etc.Measurement of Interlayer Bond Strength through Shear Tests[A].Proc.,3rd International Conference on Bituminous Mixtures and Pavements[C].Thessaloniki,Greece,2002.

[14]李少波,張宏超,孫立軍.動水壓力的形成與模擬測量[J].同濟大學學報：自然科學版,2007,35(7):915-918.