基于瀝青路面芯樣的抗剪切性能評(píng)價(jià)及應(yīng)用分析

朱建平

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015； 2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng)市 110015)

車輛荷載作用在路面上，除了具有垂直壓力之外，還具有水平作用力，這種水平作用在緊急剎車狀態(tài)體現(xiàn)的尤為明顯。如果路面結(jié)構(gòu)沒有足夠的抗剪切能力，將會(huì)導(dǎo)致水平滑移、層間破壞以及擁包、波浪和車轍等病害現(xiàn)象。研究路面結(jié)構(gòu)層材料的抗剪切強(qiáng)度對(duì)于控制病害發(fā)生和分析技術(shù)應(yīng)用效果具有顯著的意義。

1 直接剪切試驗(yàn)方法介紹

現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)抗剪試驗(yàn)，施加的剪切力通常與試件的剪切面具有一定的角度，這樣在剪切面除了會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生垂直于剪切面的正應(yīng)力，使得試驗(yàn)得到的瀝青路面結(jié)構(gòu)抗剪能力偏大，同時(shí)目前大部分路用力學(xué)試驗(yàn)儀受試驗(yàn)?zāi)＞叩挠绊?，抗剪試?yàn)的試件尺寸較薄，無法較好地測(cè)試路面實(shí)際受剪時(shí)的破壞情況。

1.1 試驗(yàn)裝置

作者采用自行設(shè)計(jì)制造的一臺(tái)可用于路面鉆取芯樣的剪切試驗(yàn)裝置(如圖1)。安裝在具有伺服系統(tǒng)和環(huán)境箱的試驗(yàn)設(shè)備中(如：MTS、LMT等)使用，這樣可以根據(jù)需要調(diào)整荷載、加載速率和試驗(yàn)溫度，此加載設(shè)備可自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

圖1 剪切試驗(yàn)儀裝置

按式(1)計(jì)算抗剪強(qiáng)度：

τb=Pmax/A

(1)

式中：τb—抗剪強(qiáng)度，MPa；

Pmax—作用在試件上的最大荷載，kN；

A—截面面積，m2。

圖2是典型的荷載-變形圖(兩組平行試驗(yàn)取均值)。

圖2 典型荷載—變形曲線

1.2 試驗(yàn)條件

對(duì)于直接剪切試驗(yàn)，試件的直徑、設(shè)備的加載方式、加載速率以及環(huán)境溫度都將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，為了避免數(shù)據(jù)的變異，增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可參考性，首先根據(jù)實(shí)際情況并借鑒現(xiàn)有資料，確定了各影響因素的適宜參數(shù)值。

(1)試件的直徑

本研究考慮到配合試驗(yàn)室制備的試件和路面取芯的尺寸，開發(fā)的直剪儀配有兩套剪切模具，可分別對(duì)直徑100mm和直徑150mm的瀝青混凝土試件或芯樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)采用直徑100mm的夾具。

(2)加載方式

本直剪儀配合LMT設(shè)備使用，LMT設(shè)備可以靈活地施加應(yīng)變或應(yīng)力模式的荷載，并且可以調(diào)整加載速率。選擇的荷載模式最好和實(shí)際路面的受力狀況相同，但實(shí)際路面的受力不是簡(jiǎn)單的應(yīng)力或應(yīng)變模式。由于許多道路用試驗(yàn)儀器都是以控制應(yīng)變的模式加載，比如馬歇爾穩(wěn)定度儀和直接拉伸試驗(yàn)儀等，因此，本研究也采用控制位移的加載模式。

(3)加載速率

本研究采用5mm/min、10mm/min、20mm/min、50mm/min四種加載速率對(duì)AC-16瀝青混合料分別在25℃和60℃條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，瀝青混合料的剪切強(qiáng)度見圖3所示。

圖3 不同加載速率測(cè)得的剪切強(qiáng)度

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，同等條件下，加載速率越大，試驗(yàn)所得剪切強(qiáng)度越大。因此，加載速率為50mm/min時(shí)，所測(cè)得的剪切強(qiáng)度比以5mm/min、10mm/min、20mm/min進(jìn)行加載時(shí)結(jié)果要大，而試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值大一些，會(huì)使條件及操作誤差影響相對(duì)減小，更有利于判斷試件性能的優(yōu)良。為了盡量模擬靜載剪切作用，綜合考慮，最終采用50mm/min的加載速率進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

(4)環(huán)境溫度

根據(jù)遼寧地區(qū)的氣候條件及本次試驗(yàn)的目的，選取25℃和45℃溫度條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，用以考察常溫和高溫條件下瀝青路面各層及層間粘結(jié)抗剪切能力，進(jìn)行試驗(yàn)前需將試件在設(shè)定的溫度下保溫4h，試驗(yàn)過程中用環(huán)境箱控制溫度。

2 路面芯樣直接剪切試驗(yàn)

為詳細(xì)研究路面芯樣的抗剪切能力，選擇了有代表性的病害路段和罩面類維修養(yǎng)護(hù)處置后的路段，分別鉆取一定數(shù)量的路面芯樣，通過芯樣側(cè)面級(jí)配變化關(guān)系區(qū)分出罩面層、上面層、中面層和下面層以及半剛性基層，利用記號(hào)筆畫出層間位置和結(jié)構(gòu)層中間位置。

2.1 路面芯樣

代表性病害路段選擇了發(fā)生車轍位置的路段，分別選擇了不同車轍深度的路面芯樣。罩面類維修養(yǎng)護(hù)處置路段選擇了超薄磨耗層技術(shù)應(yīng)用路段，分別選擇了通車時(shí)間為1年、3年和4年的路面芯樣。路面芯樣剪切后效果如圖4所示。

圖4 直接剪切試驗(yàn)后路面芯樣

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于車轍病害代表性路段，利用直接剪切試驗(yàn)的主要目的是分析研究面層各結(jié)構(gòu)層的抗剪切能力變化，用以輔助判斷車轍病害的成因和機(jī)理。超薄磨耗層路面芯樣的抗剪切試驗(yàn)?zāi)康氖欠治稣置鎸优c原路面結(jié)構(gòu)層的粘結(jié)性能，輔助判斷養(yǎng)護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。超薄磨耗層路面芯樣的剪切位置如圖5所示，車轍病害路段芯樣的剪切位置如圖6所示。

圖5 罩面類路面芯樣檢測(cè)測(cè)試位置

圖6 車轍病害類路面芯樣檢測(cè)測(cè)試位置

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法開展的超薄磨耗層技術(shù)路面芯樣的剪切試驗(yàn)，將25℃條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)鐖D7所示，45℃條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)鐖D8所示。

圖7 超薄磨耗層路面芯樣層間剪切強(qiáng)度結(jié)果(25℃)

圖8 超薄磨耗層路面芯樣層間剪切強(qiáng)度結(jié)果(45℃)

由圖7試驗(yàn)結(jié)果可知，在25℃試驗(yàn)條件下，超薄磨耗層罩面與原路面剪切強(qiáng)度τ0隨著使用年限的增加而呈明顯的線性減小趨勢(shì)，總體趨勢(shì)緩慢且未出現(xiàn)性能衰變較大的拐點(diǎn)，運(yùn)行4年時(shí)間較1年的層間剪切強(qiáng)度τ0僅降低了10%左右，同時(shí)隨著通車年限增加，罩面層與原路面層間剪切強(qiáng)度τ0與原路面上中面層間剪切強(qiáng)度τ1的比值基本無變化，均在0.95以上。由圖8試驗(yàn)結(jié)果可知，在45℃試驗(yàn)條件下，剪切強(qiáng)度τ0隨著使用年限的變化規(guī)律與25℃基本一致。

以上結(jié)果初步證明了通車4年以內(nèi)的超薄磨耗層罩面技術(shù)與原路面粘接效果較好，整體穩(wěn)定性優(yōu)良，且間接證明了該技術(shù)的正常使用年限不小于4年。

對(duì)于車轍病害代表性路段路面芯樣的剪切試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，分別將25℃和45℃試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總分析如圖9和圖10所示。

表1 車轍代表路段芯樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(單位：MPa)

圖9 路面芯樣剪切試驗(yàn)結(jié)果(25℃)

圖10 路面芯樣剪切試驗(yàn)結(jié)果(45℃)

由圖9和圖10車轍代表路段剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：常溫(25℃)條件下路面各層抗剪強(qiáng)度，上、中面層大于下面層；高溫條件下(45℃)路面各層抗剪強(qiáng)度與路面車轍深度相關(guān)性較大，車轍較大段路面各層抗剪強(qiáng)度較低。常溫條件下(25℃)路面各層抗剪強(qiáng)度路段1略大于路段2，高溫條件下(45℃)路段1上面層抗剪強(qiáng)度大于路段2，中下面層相當(dāng)。

4 結(jié)論與建議

(1)通過對(duì)路面芯樣的直接剪切試驗(yàn)，初步探索分析車轍病害路段和罩面類技術(shù)應(yīng)用路段的層間抗剪切能力的方法，得到了不同溫度條件下的各結(jié)構(gòu)層間剪切強(qiáng)度，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

(2)由于僅僅是通過對(duì)路面芯樣的剪切強(qiáng)度進(jìn)行的相關(guān)性能分析，能夠?qū)Σ『Ψ治?、技術(shù)應(yīng)用效果的判斷起到一定的輔助作用，但不足以完全具有代表性，關(guān)鍵還是要以現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作用效果為依據(jù)。

(3)針對(duì)某一項(xiàng)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的抗剪切能力評(píng)價(jià)，本文所鉆取芯樣的樣本空間也偏小，更系統(tǒng)性的研究需要考慮交通荷載、氣候環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)、施工等因素條件，才更加具有可靠性。若能進(jìn)行更多通車年限路面取芯，分析層間剪切強(qiáng)度與技術(shù)應(yīng)用年限的關(guān)系，將會(huì)對(duì)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的抗剪切能力提出相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。