水泥混凝土路面沥青混凝土功能层剪切变形性能

何 锐，陈拴发，胡 苗，陈华鑫，盛燕萍

（1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061；2.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710061；3.广西交通科学研究院 广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；4.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

与沥青路面相比，水泥混凝土路面具有承载力大、稳定性好、造价低、对交通等级和环境适应性强等优点，但是，中国早期修建的水泥混凝土路面普遍存在着使用寿命远低于设计使用年限的现象［1－2］.研究表明，水泥混凝土路面的早期破坏主要是由于基层的不均匀支撑及面板与基层之间的不良接触所引起［3－4］.在水泥混凝土面板和基层之间设置沥青混凝土功能层（简称功能层）以后，不仅可以有效改善水泥混凝土路面的层间接触状况，还能减少基层冲刷，有效延长基层使用寿命.同时，水泥混凝土面板下的柔性功能层可以起到很好的弹性缓冲作用，有效缓解轮载传递来的动态冲击，起保护面层和基层的作用.

鉴于以上原因，研究人员对设置功能层的水泥混凝土路面力学特征和结构设计方法等进行了系统研究，并铺筑了试验路，但是，关于功能层沥青混凝土剪切变形性能的研究仍鲜有涉及［5－6］.研究表明，在车辆荷载作用下，功能层内部将产生较大的剪应力.因此，为防止功能层发生剪切破坏或过大的永久变形，需要对其沥青混凝土的剪切变形性能进行验证.本文采用自主开发的功能层累积变形测试装置，对功能层沥青混凝土在重复荷载作用下的剪切变形性能进行了研究，并根据灰关联理论对其影响因素进行了定量分析.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

采用SK－90基质沥青，其技术指标如表1所示；集料采用玄武岩；矿粉采用石灰岩磨制的石粉.矿料的物理性能指标见表2.

表1 沥青的技术指标Table 1 Properties of asphalt

表2 矿料的物理性能指标Table 2 Physical properties of the mineral aggregates

根据国内外现有研究成果，参照规范中各级配范围，选用3种沥青混凝土AC－16，AC－13 和AC－10作为功能层材料进行试验，所采用的级配如表3所示.采用马歇尔试验确定3种级配的最佳油石比（质量分数）分别为4.2%，4.8%和5.0%.为了分析不同级配与沥青用量对功能层沥青混凝土累积变形的影响，在最佳沥青用量的基础上变换沥青用量0.4%（质量分数），分别进行了3 组对比试验.

表3 试验用矿料级配Table 3 Gradation of the mineral aggregates

1.2 试验方法

由于功能层设置于水泥混凝土路面板与基层之间，不直接承受行车荷载的碾压和冲击作用，也没有暴露在大气之中受外界温度和环境的直接影响.因此，采用常规的车辙试验、蠕变试验和三轴试验都无法模拟该功能层的实际受力状况.根据功能层的实际受力环境，理想的试验模型应是该功能层位于完全侧限条件下，四端处于固结状态，在上端处于悬臂状态的一侧施加重复动荷载，观察施加荷载处的累积变形情况.本文提出的功能层累积变形测试原理如图1所示，测试装置如图2所示.由于实际状态下水泥混凝土路面板和基层的压缩变形很小，所以该装置采用钢板垫片近似代替路面基层，上部活动钢板代替水泥混凝土面板.上部活动钢板之间的缝隙模拟面板之间的接缝，荷载作用于面层接缝处，功能层在四端固结的状态下受力，测试在重复动荷载作用下该功能层最不利受力位置处产生的永久变形.功能层侧面采用硬质橡胶垫片进行固定，以模拟路面结构的侧向约束作用.

图1 功能层累积变形测试原理示意图Fig.1 Schematic of accumulated deformation test device for function layer

图2 功能层累积变形测试装置Fig.2 Test equipment of accumulated deformation for function layer

在室内采用轮碾法成型沥青混凝土车辙板后，切割成30cm×5cm×5cm 的梁式试件，每种级配每个油石比制备3 个平行试件，共27 个试件.在MTS动态加载试验系统上对功能层累积变形测试装置进行重复加载，试验温度为20℃，加载波形为连续正弦波，峰值荷载为0.7 MPa，最小荷载为0，加载频率为10Hz，加载作用次数为0～50 000次.试验开始时，先缓慢加载至0.1MPa预压1min，待压头与钢板接触面充分结合后，进行正常力加载，同时采集试件的变形.在工程实践中，功能层的厚度一般为3～5cm［2，5］，且随着厚度的增加其累积变形逐渐增大.针对这种情况，本文从较不利状态考虑，将功能层厚度固定为5cm.

2 结果与分析

2.1 累积变形与破坏形态

3种功能层的累积变形随荷载作用次数变化趋势如图3所示.从图3可以看出，在荷载作用下功能层的初期累积变形快速增大，当荷载作用次数达到3 000次左右时，变形曲线出现拐点，增长变缓.当作用次数达到10 000次以后，变形增长基本呈1条平缓的直线，变形增量很小.在整个循环加载过程中，无论是哪种功能层，累积变形均呈对数增长，其区别在于不同的功能层在各个阶段的变形量不同.根据重复荷载作用下沥青混凝土永久变形特性可知［7－8］，当作用次数在3 000次以内时，永久变形发展处于初始阶段，功能层在荷载作用下发生塑性压密变形；当作用次数超过3 000次以后，永久变形处于稳定增长阶段，功能层在荷载的剪切作用下发生相对稳定的剪切变形，且变形到一定值后基本不再增加，呈稳定态势.

总体来看，沥青用量对于功能层变形增长率影响较明显，随着沥青用量的增大，其累积变形逐渐增大.沥青混凝土的抗变形性能主要取决于沥青的黏结力和矿料颗粒之间的嵌挤力，因此，在荷载作用下，沥青用量越大的混凝土其内部的自由沥青及沥青与矿料形成的沥青胶浆将越容易产生剪切变形，导致累积变形增长越快.

功能层试件的累积变形和破坏形态如图4～5所示.从图4～5可以看出，在重复荷载作用下，试件的一侧产生明显的累积变形，并且有可能发生断裂或压碎破坏.室内模拟试验表明，在实际路面结构中，由于车辆荷载的长期反复作用，位于面板接缝处和面板角隅处的功能层会发生变形、破碎或断裂等破坏.当功能层累积变形过大或产生裂缝破坏后，就会失去原有的作用，造成板底脱空和基层冲刷等病害.试验表明，累积变形在3.0mm 以下的试件，只是发生了变形、翘曲等现象，尚未发生断裂等破坏，而发生内部压碎、断裂的试件，累积变形均在3.5mm以上.鉴于此，为控制功能层的剪切变形性能并便于工程设计，本文建议将3.5mm 确定为功能层在上述试验条件下累积变形的最大限值.

2.2 累积变形影响因素

图3 各功能层累积变形Fig.3 Accumulative deformations for function layer

图4 试件一侧发生的变形Fig.4 Permanent deformation on one side of the specimen（2.49mm）

图5 试件内部发生的断裂Fig.5 Fracture happened in the specimen（3.70mm）

灰关联理论能在小样本、贫信息条件下对系统进行分析，从而找出各种因素与系统发展态势之间的关系，分辨出主要因素和次要因素，对系统的发展做出积极有效的引导，具有很强的实用性，其基本思想是根据各参数几何曲线的相似程度来判断其联系是否密切.相似程度采用关联度描述.关联度描述了各个因素对结果的影响程度，关联度越大，影响程度越大［9－10］.本文采用灰关联分析探讨了沥青用量、级配和空隙率等因素对功能层累积变形的影响程度，分析过程中选择沥青用量、矿料级配和空隙率作为子序列，将该功能层在荷载作用50 000次时的累积变形作为母序列.根据分形理论［9－11］，矿料的级配具有明显的分形特征，采用分形维数可以较好表征矿料级配.因此，本文采用3种矿料的分形维数作为矿料级配的定量表征，并进行灰关联分析.3种矿料的分形维数计算结果如表4所示.灰关联分析的计算安排与相关参数如表5所示.对表5按照灰关联分析的一般步骤进行分析，计算母序列与子序列的关联度，结果如表6所示.

表4 矿料级配分形维数Table 4 Fractal dimension of aggregate gradations

从表6 可见，灰关联度的排序结果为沥青用量＞级配＞空隙率，功能层累积变形受沥青用量的影响最大，其次是矿料级配，影响最小的是空隙率.可以断定，沥青与矿料的性能以及沥青的用量，直接影响着功能层的抗变形能力.因此，在进行功能层沥青混凝土设计时，要综合考虑沥青用量和矿料级配的影响，为防止功能层累积变形过大而造成水泥混凝土面板底部脱空，其沥青用量应在满足水稳定性能的基础上，采用略低于马歇尔试验方法确定的最佳沥青用量.

表5 计算安排及参数Table 5 Calculation arrangements and related parameters

表6 灰关联度计算结果Table 6 Calculation result of graycorrelation

2.3 变形机理分析

综上所述，功能层的累积变形来自于压密变形和永久剪切变形的共同作用.压密变形是指体积发生减小的变形，永久剪切变形是指只发生形状改变而不发生体积减小的变形.为了研究功能层累积变形的产生机理，本文对试件的变形规律进行了分析，其中试验前后试件的宽度变化如表7所示.在累积变形测试完成之后，试件顶面发生了不规则变形，为了测试试验前后试件发生的体积变化，采用铺砂法测量不规则变化的体积，以此来分析体积变形（见图6）.测试过程中首先将细砂填充到试件右侧凹陷处，用直尺将细砂抹平与左侧未变形顶面齐平，然后称取所用细砂的质量，再除以细砂的密度得到体积.试件体积变化测试结果如表8所示.

表7 试件的宽度变化Table 7 Width change of specimens

图6 铺砂法测试原理Fig.6 Testing principle of sand patch test

表8 试件的体积变化Table 8 Volume change of specimens

由表7，8可以看出，试验前后试件的宽度变化率远大于其体积变化率，说明试验后试件的侧向挤出变形大于压密作用导致的试件体积减小的变形.因此可以断定，功能层产生累积变形的主要原因是接缝处面板的剪切推挤作用，而非压密作用.为了保证功能层获得较强的抗变形能力，并提高路面结构的耐久性，应提高该功能层混凝土自身的抗剪强度.

3 结论

（1）功能层累积变形测试装置能较好模拟功能层的实际受力状态，在重复荷载作用下，该功能层的累积变形均呈对数增长；当重复荷载作用次数小于3 000次时，永久变形发展处于初始阶段，功能层产生塑性压密变形；当重复荷载作用次数大于3 000次时，永久变形处于稳定增长阶段，功能层产生相对稳定发展的剪切变形.

（2）在重复荷载作用下，试件的一侧产生明显的累积变形，并且有可能发生断裂或压碎破坏.对于累积变形在3.0mm 以下的试件，只发生了变形、翘曲等现象，而发生内部压碎、断裂的试件，累积变形均在3.5mm 以上.为控制功能层的剪切变形性能并便于工程设计，建议将3.5mm 确定为其在本文试验条件下累积变形的最大限值.

（3）功能层累积变形受沥青用量的影响最大，其次是矿料级配，空隙率影响最小.为防止功能层累积变形过大而造成水泥面板底部脱空，应在满足水稳定性能的基础上，使用略低于马歇尔试验方法确定的最佳沥青用量.

（4）试件的侧向挤出变形大于压密作用导致的试件体积减小的变形，说明功能层产生累积变形的主要原因是接缝处面板的剪切推挤作用，而非压密作用.为了保证功能层获得较强的抗变形能力，提高路面结构的耐久性，应提高该功能层沥青混凝土的抗剪强度.

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