抗裂封层的抗剪性能综合评价方法研究*

鲁洪强 高俊启 魏路楠 王召强

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司1) 青岛 266101) (南京航空航天大学土木工程系2) 南京 210016)

抗裂封层的抗剪性能综合评价方法研究*

鲁洪强1)高俊启2)魏路楠2)王召强1)

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司1)青岛 266101) (南京航空航天大学土木工程系2)南京 210016)

采用“水稳碎石层+抗裂封层+AC-20C沥青面层”的结构组合，设计了包含抗裂封层的复合棱柱体试件的斜剪试验，在30 ℃和50 ℃ 2种试验温度下研究其抗剪性能.在层间剪切强度基础上，又结合层间剪切模量、层间剪切功以及剪切韧性指数3个指标，对4种抗裂封层的抗剪性能进行综合评价.试验结果表明，层间剪切功是在评价封层抗剪切变形能力时适用性较强，而剪切韧性指数在抗剪能力区分度上表现较差，不宜作为抗剪能力评价指标.以抗剪强度和层间剪切功综合评价抗裂封层的抗剪性能，比较合适.在30 ℃试验条件下，洒布量为3.0 kg/m2的橡胶沥青封层的抗剪能力最好，其抗剪强度、达到1.18 MPa，ISW高达8.77 J，比土工格栅封层高出近3倍；在50 ℃高温条件下，乳化沥青封层的抗剪切变形能力较强.

道路工程；抗裂封层；抗剪强度；层间剪切功；层间剪切模量；剪切韧性指数

0 引 言

抗裂封层是路面结构中的一个重要的功能层，不但要阻滞基层裂缝向上反射，而且要具备一定的粘结性能，使得基层和面层连成整体，同时也承受着交通荷载产生的应力、应变.特别是当沥青面层较薄时，抗裂封层也要承受较大的切应力.由文献[1]可知，良好的抗裂封层能够大幅提高沥青路面疲劳寿命，防止夏季高温时行车荷载作用下路面层间出现滑移而导致的结构性破坏.由于抗裂封层具有造价低、工期短、厚度薄等优点，国内外通常采取设置抗裂封层来推迟裂缝的产生，以延长沥青路面的使用寿命[2].

近年来，一些学者对抗裂封层做了大量剪切性能方面的研究.赵桂娟[3]制备了4种抗裂封层试件，采用直剪试验，对其进行了抗剪性能研究.Collop等[4-5]通过Leutner剪切试验测定层间剪切强度(interface shear strength，ISS)和层间剪切模量(interface shear modulus，ISM)评价了抗裂封层的抗剪性能.White[6]以层间剪切功(interface shear work，ISW)作为评价抗剪能力的指标，认为ISW是按发生一段初始位移后荷载-位移图形所围成的面积来计算的.韧性作为材料变形与断裂的综合特质，许多学者对其做了相关研究.Barr等[7]基于能量比给出了韧性指数的定义，即变形至2倍初裂时的曲线面积与4倍初裂时曲线面积之比.90 Ward等[8]基于变形之比和能量概念提出了韧性指数为峰值荷载时的变形与初裂变形之比.美国混凝土协会(ACI)544委员会和日本混凝土协会也给出了自己的定义[9].文中通过对比各韧性指数的定义，在Barr等人提出的韧性指数基础上，提出以剪切韧性指数(shear toughness index，STI)评价抗裂封层的抗剪变形能力和韧性.

目前国内外学者对抗裂封层抗剪强度方面研究较多，多忽视抗裂封层的抗变形能力[10].实际上抗裂封层的抗变形能力对防治基层的反射裂缝有重要作用[11].为综合研究抗裂封层的抗剪能力，文中首先在30 ℃和50 ℃ 2种试验温度下研究了抗裂封层的抗剪强度，接着以层间切变模量、层间剪切功、剪切韧性指数作为抗变形能力评价指标，对4种抗裂封层的抗剪性能进行综合评价，分析该评价方法的适用性.

1 试验材料制备

试验采用“水稳碎石层+抗裂封层+AC-20C沥青混合料面层”的路面结构，设计了带沥青混合料面层且包含抗裂封层的复合棱柱体试件，见图1.

1.1 水泥稳定碎石下承层

水泥采用南京江南水泥公司生产的P·O 32.5水泥；集料的技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)；水泥稳定碎石级配采用悬浮密实级配范围中值，见表1；混合料采用振动法按98%压实度成型.

表1 悬浮密实型级配范围

1.2 抗裂封层

试验采取4种抗裂封层，分别为橡胶沥青封层、乳化沥青封层、土工格栅封层和聚酯玻纤布封层.其中橡胶沥青中基质沥青采用韩国SK#70石油沥青，废橡胶粉细度为20目，掺量18%并在175 ℃下拌和60 min；乳化沥青封层中所用乳化沥青采用镇江泰普克慢裂快凝型阳离子乳化沥青，其用量11%左右，洒布量为1.4～1.6 kg/m2；聚酯玻纤布封层中热喷沥青采用韩国SK#70石油沥青，热沥青喷洒量为0.89 kg/m2.封层集料采用石质坚硬、清洁、不含风化、近立方体，以及反击式破碎机轧制的玄武岩，其0.075 mm通过的质量分数应小于0.4%.试验用聚酯玻纤布采用美国生产的Trupave聚酯玻纤布；土工格栅为南京坤驰土工材料厂生产.

1.3 AC-20C沥青混合料面层

面层试件制作遵循《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，结合料采用韩国SK#70石油沥青，粗集料为优质石灰岩，细集料采用由石灰岩破碎而成的机制砂和天然砂，填料采为优质石灰岩磨细而成的矿粉.

1.4 试件成型与切割

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，在水稳碎石表面制作抗裂封层，经养生后，再在其上面轮碾成型AC-20C沥青混合料.按照试验所需要的尺寸进行试件的切割，试件尺寸为：50 mm×50 mm×30 mm×2层，试验前须在试验温度下保温不低于4 h.

2 试验方法

本研究共设计9组剪切试件，每组试件不少于3个，试验方案见表2.试验加载速率10 mm/min，仪器可以自动记录试件荷载-变形曲线.试件试验温度为30 ℃和50 ℃.抗裂封层在水平力和竖向力共同作用下发生剪切破坏，根据其他学者研究，40°斜剪试验能更好地模拟沥青路面实际受力情况，故抗裂封层的抗剪性能采用40°斜剪试验来测定.具体斜剪试验见图2.试件受力时，其剪切方向着力面与加载方向成一定角度α(40°).当对试件施加定速率荷载F时，S为试件剪切截面积，则粘结层层间剪应力τ可用τ=sin 40°×F/S表示.

表2 剪切方案

图2 剪切试验模型设计图

3 结果分析

3.1 层间剪切强度

ISS作为评估层间性能的指标，可定义为层间纯剪切载荷作用下的强度极限.由层间剪切强度得到的剪切试验结果见图3.

图3 各抗裂封层ISS值

由图3可知，在30 ℃条件下，橡胶沥青封层(3.0 kg/m2)的ISS最大，达到1.18 MPa，它和聚酯玻纤布封层的ISS大约为乳化沥青封层的1.2～1.3倍.随着橡胶沥青洒布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡胶沥青封层的ISS也逐渐增加，但橡胶沥青封层(1.8 kg/m2)相较于橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)增幅甚微，仅为0.08 MPa.

在50 ℃条件下，乳化沥青封层的ISS最大，达到0.81 MPa，比最小的橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)的ISS要高0.52 MPa.与30 ℃条件下相比，橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)的ISS下降较多.橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)、乳化沥青封层和聚酯玻纤布封层在温度升高时，抗剪性能均减弱，其中橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)的抗剪能力降幅最大.

3.2 层间剪切模量

剪切模量表征了材料抵抗剪切变形的能力.文中通过把所测得的试件剪应力-应变图中弹性变形部分经线性拟合后求出ISM，用来评价抗裂封层的阻裂性能，其试验结果见图4.

图4 各抗裂封层ISM值

由图4可知，在30 ℃条件下，橡胶沥青封层(3.0 kg/m2)的层间剪切模量最大，达到26.38 MPa.它和乳化沥青封层、聚酯玻纤布封层的ISM非常接近.随着橡胶沥青撒布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡胶沥青封层的层间剪切模量也逐渐增加，由20.21 MPa逐渐增加到26.38 MPa.

在50 ℃条件下，乳化沥青封层的层间剪切模量最大，达到25.06 MPa.聚酯玻纤布封层的层间剪切模量最小，只有11.82 MPa，下降较多.与30 ℃条件下相比，橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)的层间剪切模量变化不大，稍有降低.乳化沥青封层在温度升高时，抗变形能力也稍微降低，其ISM下降了0.97 MPa.

3.3 层间剪切功

在一些学者研究的基础上，文中提出以ISW作为评价各抗裂封层阻裂性能的指标，即荷载达到峰值时荷载-位移所围成的面积表示.计算结果见图5.

图5 各抗裂封层ISW均值

由图5可知，在30 ℃温度下，橡胶沥青封层(3.0 kg/m2)的层间剪切功最大，达到8.77 J.聚酯玻纤布封层的层间剪切功达到5.74 J.土工格栅和乳化沥青封层的层间剪切功比较接近.洒布量3.0 kg/m2橡胶沥青封层的层间剪切功比土工格栅封层高出将近3倍.另外，随着橡胶沥青洒布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡胶沥青封层的层间剪切功也逐渐增加.

在50 ℃条件下，乳化沥青封层的层间剪切功最大，达到3.44 J.与30 ℃条件下相比，橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)和聚酯玻纤布封层的层间剪切功均降低.橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)的层间剪切功最小，只有0.73 J.

3.4 剪切韧性指数

韧性是材料变形与断裂的一种综合特质，可定义为荷载作用下到失效为止材料吸收能量的大小.文中通过对比各韧性指数的定义，在Barr等人提出的韧性指数基础上，提出以剪切韧性指数评价抗裂封层的抗剪切变形能力和韧性，其计算原理见图6，图中δ为弹性变形结束时对应的变形.剪切韧性指数试验结果见图7.

图6 STI计算原理

图7 各抗裂封层STI值

由图7可知，当温度为30 ℃时，乳化沥青封层的剪切韧性指数最大，为0.73.乳化沥青封层与橡胶沥青封层(3.0 kg/m2)的剪切韧性指数很接近，差别很小.随着橡胶沥青洒布量由1.8 kg/m2增加到3.0 kg/m2，橡胶沥青封层的剪切韧性指数也逐渐增加，由0.63逐渐增加到0.73.

在50 ℃条件下，聚酯玻纤布封层的剪切韧性指数最大，为0.74.橡胶沥青封层(2.4 kg/m2) 的剪切韧性指数最小，为0.60.与30 ℃条件下相比，聚酯玻纤布封层的STI随温度升高而稍增大，其他两种封层的剪切韧性指数稍有下降.综合2种温度条件下的计算数据可以看出，剪切韧性指数对各种封层的抗变形能力区分度较小，不能明显区分不同封层的抗变形能力.

综合以上分析可以看出，抗剪强度和层间剪切功指标用于评价抗裂封层的抗剪性能比较合适，能够明显区分出各封层的抗剪和抗变形能力，研究结果与层间剪切强度得出的结论吻合，即在当前4种封层中，橡胶沥青封层和聚酯玻纤布封层的抗剪性能优异，具有一定的抵抗下承层反射裂缝能力.同时也可以看出，层间剪切模量ISM可以用于封层的抗剪切变形能力评价，但效果没有层间剪切功ISW优越.而剪切韧性指数STI对各种封层的抗变形能力区分度较小，不能明显区分不同封层的抗变形能力.当试验温度为50 ℃时，在试验所采用的3种抗裂封层中，乳化沥青封层的ISM、ISW和STI均随温度的升高而变化不多，说明其在高温下的抗剪性能较好.

4 结 论

1) 不同的评价指标得出的结果有差异，但评价抗裂封层的抗剪变形能力时，层间剪切功比层间剪切模量和剪切韧性指数更为适合.剪切韧性指数不能明显区分不同封层的抗变形能力，不适合用于评价封层的抗变形能力；以抗剪强度和层间剪切功综合评价抗裂封层的抗剪性能，比较合适.

2) 在30 ℃试验条件下，洒布量为3.0 kg/m2的橡胶沥青封层的抗剪能力最好，它的ISW高达8.77 J，是聚酯玻纤布封层的1.5倍，比土工格栅封层高出近3倍；其抗剪强度也是最大，达到1.18 MPa.

3) 橡胶沥青洒布量对橡胶沥青封层的ISW,ISM,STI均有影响.橡胶沥青封层的抗剪切变形能力随着橡胶沥青洒布量的增加而提高，但是这种关系是非线性增长的.

4) 在50 ℃高温条件下，相比聚酯玻纤布封层和橡胶沥青封层(2.4 kg/m2)，乳化沥青封层的抗剪切能力并不差.

[1]郭寅川,申爱琴,张金荣,等.沥青路面下封层力学响应及抗剪强度试验[J].中国公路学报,2010,23(4):20-26.

[2]DASEK O, COUFALIK P, HYZL P, et al. Design and evaluation of asphalt mixtures for stress absorbing pavement layers[J]. Applied Mechanics & Materials,2015(1):116-121.

[3]赵桂娟.半刚性基层沥青路面基面层粘结材料抗剪性能分析[J].武汉理工大学学报,2011,33(5):90-94.

[4]COLLOP A C, SUTANTO M H, AIREY G D, et al. Shear bond strength between asphalt layers for laboratory prepared samples and field cores[J]. Construction & Building Materials,2009,23(6):2251-2258.

[5]SANGIORGI C, THOM N H, COLLOP A C. Assessment of bond condition using the Leutner shear test[J]. Transport,2003,156(4):211-217.

[6]WHITE G. Statistical analysis of in-service evolution of an airport asphalt surfacing[C]. New Jersey: FAA Worldwide Airport Technology Transfer Conference,2014.

[7]BARR B, MOHAMAD NOOR M R. The toughness index of steel fiber reinforced concrete[J]. ACI Structural Journal,1985,82(5):622-629.

[8]LI V C, WARD R, HMAZA A M. Steel and synthetic fibers as shear reinforcement[J]. ACI Materials Journal,1992,89(5):499-508.

[9]卫明山,谢向东,李景军,等.钢纤维混凝土弯曲韧性指数计算方法探讨[J].四川建筑科学研究,2008,34(5):40-43.

[10]张争奇,石伟,边秀奇.纤维沥青碎石封层层间粘结性能及其影响因素[J].武汉理工大学学报,2014,36(2):54-59.

[11]刘燕燕,凌天清,黄中文.基于断裂能的沥青路面应力吸收层抗裂性能试验研究[J].重庆交通大学学报,2012,31(5):966-969.

Comprehensive Evaluation on the Shearing Resistance of Anti-crack Seal Coat

LU Hongqiang1)GAO Junqi2)WEI Lunan2)WANG Zhaoqiang1)

(QingdaoMunicipalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD.,Qingdao266101,China)1)(DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)2)

Based on the asphalt pavement structure with cement stabilized aggregate layer, anti-crack seal coat and the AC-20C asphalt surface, the composite prism specimens are designed and then the shearing performance of anti-crack seal coat are studied at temperature of 30 ℃ and 50 ℃, respectively. Combining with the shear strength and the anti-deformability indicator of interface shear modulus, interface shear work and shear toughness index, a comprehensive evaluation method on the shearing resistance of anti-crack seal coat is proposed in this paper. The test results show that the interface shear work can be a better applicable index to evaluate the anti-deformability of seal coat, while the shear toughness index cannot clearly distinguish the anti-deformability between different seal coat. Therefore, it is not suitable to evaluate the anti-deformability. The shear strength and interface shear work are more appropriate to comprehensively evaluate the resistant ability of anti-crack seal coat. Under the 30 ℃ test conditions, the shear strength of asphalt rubber stress-absorbing membrane interlayer with 3.0 kg/m2asphalt dosage is the largest which can be up to 1.18 MPa. In addition, its shear work is 8.77 J, which is 1.5 times that of the fiberglass-polyester mat seal coat and nearly 3 times larger than that of the geogrid seal coat. Under the condition of 50(C, the anti-deformability of emulsified asphalt seal coat is better than that of others.

road engineering; anti-crack seal coat; shear strength; interface shear work; interface shear modulus; shear toughness index

2016-11-28

*中国博士后科学基金(2013M541666)、江苏省博士后科研资助计划项目(1302138C)资助

U416.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.001

鲁洪强(1973—):男，硕士，教授级高工，主要研究领域为道路与桥梁工程