加鋪于舊瀝青路面的薄層罩面層間剪切疲勞性能研究

徐一超

(長沙理工大學 交通運輸工程學院 長沙市 410114)

0 引言

瀝青路面在使用期間受環境影響，并經受車輪荷載的反復作用，長期處于應力應變交迭變化狀態，致使路面結構強度逐漸下降，當荷載作用超過一定次數后，路面內產生的應力就會超過路面結構強度下降后的抗力，使路面出現裂紋，最終產生疲勞破壞，疲勞破壞是當前瀝青路面破壞的主要形式之一[1]。薄層罩面層間抗剪性能的好壞直接對整個罩面結構的耐久性與穩定性起到了至關重要的作用。 Roffe[2]對不同層間接觸下的路面進行受力分析，發現層間接觸不足可能會導致路面使用壽命較設計壽命減少65%～70%。調查表明:許多路面芯樣面層完好，中、上面層或中、下面層間出現層間剝離或斷裂，這類層間破壞的病害現象出現的原因十分復雜，其中層間疲勞破壞是其中一個十分重要的因素[3]。

我國現行瀝青路面結構設計中，是以路表設計彎沉和路面各結構層層底拉應力作為設計控制指標，設計方法中沒有考慮路面的層間剪切疲勞，難以反映瀝青路面的真實工作狀態[4]。因此，層間剪切疲勞缺乏相關的評價手段，應對瀝青混合料層間剪切疲勞性能進行深入研究，為以后提出薄層罩面層間的抗剪評價方法提供參考。

1 試驗材料

1.1 粘層材料

本研究選用埃索70#基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘層材料，三種粘層材料的技術指標見表1～表3。

表1 埃索70#基質瀝青技術指標

表2 SBS改性瀝青技術指標

表3 SBS改性乳化瀝青

1.2 集料

選用石灰巖質集料，篩分分檔，級配用各檔集料配制。各項指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)的要求。

2 試驗方案

目前國內外進行層間剪切疲勞試驗的方法主要是直接剪切試驗和斜剪試驗，斜面剪切試驗是在切向剪應力和正應力同時變化時對瀝青混合料進行剪切試驗，比較符合車輛通過彎道時對路面剪切破壞的實際應力狀態，斜面剪切試驗只需施加垂直力即可，因此采用45℃斜剪試驗進行層間剪切疲勞試驗。

設計選用埃索70#基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS改性乳化瀝青作為粘結材料，在不同應力比、不同試驗溫度的條件下，采用電液伺服疲勞試驗機對切割的試樣進行剪切疲勞試驗，進而評價瀝青路面層間剪切疲勞特性。

2.1 配合比設計

為了更好地模擬路面的實際情況，采用具有代表性的AC-16級配中值模擬原路面所用的混合料級配，薄層罩面采用SMA-10級配的瀝青混合料來模擬。根據馬歇爾試驗確定AC-16級配的最佳油石比為4.4%，SMA-10瀝青混合料的最佳油石比為6.1%。

2.2 試件成型

剪切試驗采用“SMA-10+粘層+AC-16”的路面結構形式，為更好地模擬路面的實際施工狀態，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20-2011采用車轍板成型試件，試驗中采用雙層車轍板模具，上、下層的厚度分別為5cm。將成型后的車轍板切割成100mm×100mm×100mm的正方體試件。

3 性能分析

3.1 不同層間粘結狀態下的抗剪強度

根據規范及實際的施工經驗，在15℃、荷載速率為10mm/min、粘層材料用量1.5kg/m2的條件下進行剪切試驗，試驗結果見圖1和圖2。

表4 不同層間粘結狀態下的抗剪強度

從圖1和圖2可以看出層間粘層材料對層間最大剪應力影響較大，層間抗剪強度最好的為SBS改性瀝青，其次為SBS改性乳化瀝青，最差的為基質瀝青，SBS改性瀝青最大剪應力比基質瀝青提高近12%，乳化瀝青和基質瀝青抗剪性能相對較差，可能是由于基質瀝青和乳化瀝青粘性相對較小的原因，不能對上下兩層進行很好的粘結。

3.2 粘層材料在不同應力水平下的疲勞壽命

試驗將在15℃、荷載速率為10mm/min、粘層材料用量1.5kg/m2的條件下進行剪切試驗，試驗結果見表5和圖3。

表5 粘層材料在不同應力水平下的疲勞壽命

從表5和圖3可以看出，層間不同粘結狀態的剪切疲勞壽命均隨著應力水平的增大而顯著降低，應力水平為0.4時比應力水平為0.6時全部提高一倍以上，差距較大，而隨著應力水平的提高不同粘結材料的疲勞壽命差距縮小。同一應力水平條件下，疲勞壽命SBS改性瀝青>SBS改性乳化瀝青>70#基質瀝青，且隨著應力比的增大，差距逐漸縮小，因此，應力水平對層間剪切疲勞壽命影響顯著，相對粘結材料更加敏感。

3.3 粘層材料在不同試驗溫度下的疲勞壽命

為研究溫度對層間剪切疲勞性能的影響，在層間不同粘結狀態下進行不同溫度的疲勞試驗，控制應力水平為0.4，試驗結果見表6和圖4。

從圖4中可以看出，層間剪切疲勞壽命均隨著溫度升高而下降很快，70#基質瀝青的剪切疲勞壽命在各個溫度下均為最低，試驗溫度越低差別越明顯，而SBS改性瀝青的疲勞壽命高于SBS改性乳化瀝青，但差距較基質瀝青小得多，且隨溫度的升高差距逐漸縮小，當溫度從15℃升至20℃時，SBS改性瀝青、SBS改性乳化瀝青的疲勞壽命降低約49%，70#基質瀝青下降約51%；當溫度從25℃上升至30℃時SBS改性乳化瀝青的疲勞壽命降低37%，SBS改性瀝青剪切疲勞壽命降低約40.7%，70#基質瀝青下降約39.7%，由此可見溫度對粘層材料的剪切疲勞壽命影響很大，且隨溫度增大不同粘層材料的疲勞壽命降低幅度有所放緩。

4 剪切疲勞方程

應力疲勞特性可用以下公式進行表征:

(1)

其中：Nf為疲勞壽命；σ0為應力比；K，n為常數。

應力控制模式下的疲勞方程應該采用式(1)，在層間剪切疲勞試驗中，式(1)表征疲勞壽命與層間最大剪應力之間的關系，試驗數據代入上式，擬合可得K、n值，求得其疲勞方程見表7。

表7 不同粘結材料的剪切疲勞方程

通過疲勞方程可以預估粘結材料在不同應力水平下的層間剪切疲勞壽命。

5 結論

(1)不同粘層材料的剪切疲勞壽命均受應力水平影響，且隨著應力比的增大，粘結材料的剪切疲勞壽命皆下降顯著。說明薄層罩面的層間剪切疲勞壽命對應力水平比較敏感。

(2)材料的層間剪切疲勞壽命均隨著溫度升高而降低，其剪切疲勞壽命SBS改性瀝青>SBS改性乳化瀝青>70#基質瀝青，且隨著溫度的升高疲勞壽命降幅趨緩。

(3)在薄層罩面層間剪切疲勞試驗結果的基礎上，建立了不同粘層材料的剪切疲勞方程，可以通過相應的疲勞方程預估材料在不同應力水平下的疲勞壽命。