压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移特征行为研究*

邱 欣, 肖上霖, 杨 青, 陶珏强, 刘智武

(1.浙江师范大学 工学院,浙江 金华 321004;2.金华职业技术学院 建筑工程学院，浙江 金华 321000)



压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移特征行为研究*

邱 欣1, 肖上霖1, 杨 青1, 陶珏强1, 刘智武2

(1.浙江师范大学 工学院,浙江 金华 321004;2.金华职业技术学院 建筑工程学院，浙江 金华 321000)

为探求沥青与集料界面间的压剪断裂失效机制，在研发测试加载系统及分析原材料基本物性参数的基础上，通过制作沥青-集料三明治试件，开展了不同影响因素(集料粗糙度、沥青老化、环境温度及加载速率等)下沥青-集料界面的粘脱滑移特征行为研究，定量感知了沥青-集料界面的应力传荷与粘脱滑移过程，构建了沥青-集料界面的粘脱滑移本构模型.结果表明：增大粗糙度和法向应力与加快荷载速率能够提升界面抗剪能力与剪切抑制能;沥青老化在一定程度上能够提高界面抗剪强度，但降低了界面剪切抑制能;所构建的粘脱滑移本构模型能够表征沥青-集料界面在压剪耦合状态下应力变化三阶段特征.研究成果可为沥青混合料复杂力学行为的细观分析提供理论支撑，并为混合料结构参数的优化设计提供科学依据.

沥青-集料界面；粘脱滑移；压剪耦合；本构模型

0 引 言

沥青混合料是一种典型的多相复合材料，通常由沥青、集料、空隙和沥青-集料界面组成.受施工条件、温度、集料表面状态、沥青老化等因素的影响，沥青-集料界面之间往往并不是完全粘结，而是存在着弱粘结状态，对沥青混合料整体的高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性都有很大的影响.路况调查结果表明，沥青混合料的各种损伤往往从沥青-集料界面开始，沥青-集料界面区域被认为是沥青混合料的最薄弱环节[1].长期以来，一方面,许多学者采用表面自由能理论、化学反应理论、分子定向理论及分子作用力理论对沥青-集料界面的粘附机理进行研究[2-4]，如Miller等[5]研究发现表面自由能理论是一种可以用来表征混合料粘附性能较好的方法，且基于表面自由能理论的水损害研究结果同宏观粘附性试验结果体现了良好的一致性.另一方面，研究人员也尝试采用简化的力学试验揭示沥青与集料界面间的粘附性能，如Khattak等[6]利用切应力强度测试对改性沥青混合料的界面低温粘附特征进行了研究；Canestrari等[7]采用气动粘接拉伸方法(The Pneumatic Adhesion Tensile Testing Instrument，PATTI)探讨了水损坏条件下沥青-集料界面间粘附破坏的特征行为；Moraes等[8]利用沥青张拉粘附强度测试仪评价了湿度条件对于沥青-集料界面粘附强度的影响规律；Hossain等[9]利用拉拔试验分析了恒定湿度条件下沥青胶浆薄膜的力学失效特征；肖月[10]利用动态热机械分析仪进行循环动态拉伸和静态拉伸应力加载试验，探讨了沥青、集料、温度、应力加载水平和加载方式等对沥青-集料界面间的抗拉破坏强度和抗拉疲劳性能的影响规律；易军艳[11]采用动态剪切流变仪对自制集料与沥青的夹层试件的界面粘附性能开展了试验研究，并对界面疲劳寿命进行了预估.事实上，尽管界面表面自由能理论可以有效地判定2种材料之间的粘附性能，但试验过程相对复杂，需要专用仪器，同时测试结果是一种物理指标，无法与界面力学性能指标直接关联，目前大多数室内力学测试手段主要集中在沥青-集料界面间的张拉特征分析，而对于主要导致沥青混合料界面开裂的压剪耦合失效断裂模式未见相关系统试验研究.基于此，本文在研发压剪耦合测试加载系统的基础上，通过制作沥青-集料夹层测试试件，从细观角度定量感知沥青-集料界面的应力传荷与粘脱滑移过程，进而揭示沥青-集料界面的压剪失效断裂特征，据此构建了沥青-集料界面的粘脱滑移本构模型.研究成果可为沥青混合料复杂力学行为的细观分析提供理论支撑，并为混合料结构参数的优化设计提供科学依据.

表1 基质沥青路用性能试验结果

1 原材料及试件制备

1.1 沥青

采用镇海70号基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)的相关要求，对基质沥青的路用性能指标进行了测试，结果如表1所示.分别采用沥青旋转薄膜烘箱试验(RTFO)和压力老化试验(PAV)模拟了沥青的短期老化和长期老化过程，不同沥青老化状态的性能参数测试结果如表2所示.

表2 不同老化状态下基质沥青的性能参数

1.2 集料及矿粉

采用的集料由花岗岩轧制而成，其表观密度为2.765 g/cm3.矿粉采用石灰岩矿粉，基于《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)，其性能指标的测试结果如表3所示.

表3 矿粉性能指标试验结果

1.3 试件制备

压剪耦合条件下界面剪切试验采用如图1所示的“三明治”形状试件，由直径为40 mm、高为25 mm的2个花岗岩石柱，通过沥青胶浆粘结而成.集料表面先经过30号粗砂打磨，再用280细砂抛光，从而达到试验所需的表面粗糙度.界面层的材料为沥青胶浆，由沥青与矿粉按粉胶比0.8制备而成.试件制作过程中，首先将制备好的沥青胶浆与石柱分别加热到160 ℃后，使用铁片蘸取少量胶浆均匀涂抹于2个石柱抛光表面处，然后迅速将2个石柱对中粘合；其次将试件置于材料试验机中施加0.7 MPa的压应力，作用时间为2 min，以模拟沥青混合料实际成型过程中沥青与集料的粘结荷载条件.压实过程中将多余的沥青用刮板和纸巾擦抹掉，以保持试件的整洁.制备得到的试件按编号放置于整洁的托盘中，于25 ℃环境下保存.

图1 沥青集料界面剪切试件 图2 沥青-集料界面测试加载系统

2 测试加载系统及测试条件

2.1 测试加载系统

通过自主设计压剪耦合测试加载系统，实现沥青-集料界面粘脱滑移特征分析.测试加载系统如图2所示.试件一端固定于夹具内部，另外一端置于弧形压条正下方且端面与涂有凡士林的光滑钢板接触.测试过程中，分别由水平和竖向液压装置对试件施加恒定的法向应力和一定的剪切荷载，并由传感器自动采集试验测试数据.

2.2 测试控制条件

为探讨粗糙度、沥青老化程度、荷载速率、温度及法向应力等不同因素对沥青-集料界面粘脱滑移破坏全过程的影响规律，将试验控制条件分为5组，具体如表4所示.

3 试验结果与分析

以界面抗剪强度、界面剪切抑制能为评价指标，探讨压剪耦合条件下沥青-集料界面的粘脱滑移演变规律.界面抗剪强度定义为测试峰值荷载与界面面积的比值；界面剪切抑制能定义为位移前8 mm的测试曲线下的面积.

表4 沥青-集料界面试验控制条件

3.1 集料粗糙度

不同粗糙度条件(5，25，50 μm)下界面的荷载-位移测试曲线及相应剪切抑制能的计算结果如图3所示.试验结果表明:粗糙度对于界面抗剪强度与剪切抑制能有显著影响；集料表面越粗糙，界面抗剪强度与剪切抑制能就越大，同时相应的残余应力也越大.这是由于当集料表面较粗糙时，其比表面积越大，单位质量集料吸附的沥青胶浆更多，沥青与集料间的粘结力更强.

图3 不同粗糙度下界面荷载-位移测试曲线及剪切抑制能

3.2 沥青老化

不同沥青老化状态(原样，RTFO，PAV)下沥青-集料界面的荷载-位移测试曲线及相应剪切抑制能的计算结果如图4所示.试验结果表明:沥青的老化增大了界面的抗剪强度，尤其是短期老化作用表现得最为明显；相对于原样沥青，经过短期老化或长期老化后，界面的剪切抑制能大幅度地降低.测试结果表明，界面抗剪强度指标虽然在一定程度上能够评价沥青-集料界面的抗剪强度性能，但不能表征沥青-集料界面粘脱滑移破坏的演变规律，分析沥青-集料界面的抗剪强度变化行为应从全过程能量的角度对其进行评估.

图4 不同老化状态下界面荷载-位移曲线及剪切抑制能

3.3 荷载速率

不同荷载速率(2，4，6，8 mm/min)下沥青-集料界面的荷载-位移测试曲线及相应的剪切抑制能的计算结果如图5所示.试验结果表明:界面抗剪强度随着荷载速率的增大而增大，界面剪切抑制能呈现出线性增加的趋势；最大抗剪强度所对应的剪切位移随着荷载速率的增大而减小.荷载速率对于界面抗剪强度的影响，实质上反映了加载时间对界面力学行为的影响.界面层沥青胶浆作为一种粘弹性材料，其变形表现出一定的速率依赖性，荷载速率大，时间就短促，材料变形小，应力提高快；相反，荷载速度小，时间就延长，材料变形大，应力提高慢.

图5 不同荷载速率下界面荷载-位移曲线及剪切抑制能

3.4 温度条件

不同温度条件(15，25，35 ℃)下沥青-集料界面的荷载-位移测试曲线及相应剪切抑制能的计算结果如图6所示.试验结果表明:随测试温度的增大，界面抗剪强度与剪切抑制能下降；当测试温度为15 ℃时，界面的剪切强度和剪切抑制能将近2倍于25 ℃的测试结果.当温度超过25 ℃之后，抗剪强度与剪切抑制能的变化并不明显.沥青作为温感性材料，其基本的力学参数与温度有着重要的关系.提高温度降低了沥青的粘度，从而导致界面间的粘附作用减小.

图6 不同温度条件下界面荷载-位移曲线及剪切抑制能

3.5 法向应力

不同法向应力(0.1，0.3，0.5，0.7 MPa)作用下沥青-集料界面的荷载-位移曲线及相应剪切抑制能的计算结果如图7所示.试验结果表明:法向应力水平是影响沥青-集料界面粘脱滑移抗剪特性的重要影响因素，法向应力越大，界面的抗剪强度就越高，界面剪切抑制能越大；当法向应力较大时，峰值后曲线下降的趋势总体上更为平缓.分析表明，虽然重载交通在一定程度上增大了沥青路面破损的可能性，但由于较高法向应力的作用，提升了沥青-集料界面的抵抗剪切变形能力.

图7 界面剪切荷载-位移曲线及剪切抑制能

图8 沥青-集料界面粘脱滑移本构模型

4 沥青-集料界面粘脱滑移本构模型

4.1 多折线粘脱滑移本构模型

(1)

4.2 模型参数标定及分析

4.3 影响因素敏感性分析

为了探讨影响沥青-集料界面粘脱滑移特性的主要因素，对各影响因素进行了敏感性分析，引入标准测试条件、抗剪强度比和残余剪切位移比的概念.其中，标准测试条件为：粗糙度为5μm、沥青为原样沥青、法向应力为0.1MPa、荷载速率为4mm/min、温度为25 ℃；抗剪强度比为界面剪切强度除以标准条件下的界面剪切强度；残余剪切位移比为残余剪切位移除以标准条件下的残余剪切位移.图10和图11分别给出了不同影响因素下抗剪强度比与残余剪切位移比的计算结果，其中横坐标表示不同测试条件下的变量数.

图9 不同条件下的界面模型参数

变量数图10 不同条件下的界面剪切强度比

由分析可知:粗糙度、法向应力和荷载速率与抗剪强度比呈正相关，而测试温度与抗剪强度比呈负相关；界面粗糙度是影响抗剪强度比的最显著指标；在5类影响因素中，法向应力对于残余剪切位移比的影响最大；增大荷载速率或者提高温度能够减少抗剪强度比；虽然沥青老化对于2个指标的影响不是最显著的，但会影响沥青混合料界面性能的劣化程度；过度老化能够降低界面抗剪强度比；随着沥青老化程度的增加，残余剪切位移比呈现一致的下降趋势.

变量数图11 不同条件下的界面残余剪切位移比

5 结 论

本文研究了压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移剪切特征行为，对沥青混合料界面的抗剪强度和断裂全过程进行分析.基于界面应力变化特征，建立了沥青-集料界面粘脱滑移本构模型，主要结论如下：

1)界面抗剪强度作为一个重要的强度指标，能够评估界面在临界破坏状态的单点应力值.而界面剪切抑制能从能量的角度评估沥青-集料界面粘脱滑移全过程的变化规律，为沥青-集料界面力学分析提供新视角.

2)粗糙度和法向应力的增大能够增加沥青与集料间的接触面积，进而提升粘结力，提升沥青-集料界面的抗剪强度和剪切抑制能.

3)沥青老化对于沥青-集料界面的粘脱滑移力学特征的影响相对比较复杂.无论是短期老化还是长期老化都能够提升界面的抗剪强度.然而，老化影响沥青-集料界面性能的劣化过程，降低了界面的剪切抑制能，从而导致沥青-集料界面更容易发生破坏.因此，有必要对沥青混合料生产、运输和使用过程中影响沥青老化的因素进行控制.

4)本文提出的基于沥青-集料界面粘脱滑移本构模型，能够表征压剪耦合作用下界面应力变化的三阶段变化特征.该模型为沥青-集料界面损伤失效特征研究及沥青混合料细观力学数值分析提供支撑.

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(责任编辑 陶立方)

Study on bond-slip characteristic behavior of asphalt-aggregate interface under coupled compression-shear

QIU Xin1, XIAO Shanglin1, YANG Qing1, TAO Jueqiang1, LIU Zhiwu2

(1.CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.CollegeofArchitecturalEngineering,JinhuaPolytechnic,Jinhua321000,China)

In order to investigate the failure mechanism of the asphalt-aggregate interface under the coupled compression-shear action, the shear tests were conducted to quantify the interface stress transfer and bond-slip process by taking into account the effects of surface roughness, asphalt binder aging, temperature, loading rate, etc. In addition, an interface bond-slip constitutive model was established in accordance to the experimental analysis. The results indicated that the increase of surface roughness, normal stress and loading rate could result in higher interface shear strength and shear resistance energies. Although asphalt binder aging could increase the interface shear strength, it imposed an adverse impact on the interface shear resistance energy. The interface bond-slip constitutive model could represent a three-stage evolution process of the asphalt-aggregate interface shear failure. The findings would throw a light on the meso-mechanical analysis of asphalt mixtures, and provide scientific support for the optimization design of structure parameters of the mixtures.

asphalt-aggregate interface; bond-slip; coupled compression-shear; constitute model

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.014

2016-07-02；

2016-09-17

国家自然科学基金资助项目(51408550)；浙江省自然科学基金资助项目(LQ14E080006)

邱 欣(1978-)，男，辽宁鞍山人，副教授，博士.研究方向：道路与材料工程.

U414

A

1001-5051(2017)01-0091-08