加铺于旧沥青路面的薄层罩面层间剪切疲劳性能研究

徐一超

(长沙理工大学 交通运输工程学院 长沙市 410114)

0 引言

沥青路面在使用期间受环境影响，并经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降，当荷载作用超过一定次数后，路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的抗力，使路面出现裂纹，最终产生疲劳破坏，疲劳破坏是当前沥青路面破坏的主要形式之一[1]。薄层罩面层间抗剪性能的好坏直接对整个罩面结构的耐久性与稳定性起到了至关重要的作用。 Roffe[2]对不同层间接触下的路面进行受力分析，发现层间接触不足可能会导致路面使用寿命较设计寿命减少65%～70%。调查表明:许多路面芯样面层完好，中、上面层或中、下面层间出现层间剥离或断裂，这类层间破坏的病害现象出现的原因十分复杂，其中层间疲劳破坏是其中一个十分重要的因素[3]。

我国现行沥青路面结构设计中，是以路表设计弯沉和路面各结构层层底拉应力作为设计控制指标，设计方法中没有考虑路面的层间剪切疲劳，难以反映沥青路面的真实工作状态[4]。因此，层间剪切疲劳缺乏相关的评价手段，应对沥青混合料层间剪切疲劳性能进行深入研究，为以后提出薄层罩面层间的抗剪评价方法提供参考。

1 试验材料

1.1 粘层材料

本研究选用埃索70#基质沥青、SBS改性沥青和SBS改性乳化沥青作为粘层材料，三种粘层材料的技术指标见表1～表3。

表1 埃索70#基质沥青技术指标

表2 SBS改性沥青技术指标

表3 SBS改性乳化沥青

1.2 集料

选用石灰岩质集料，筛分分档，级配用各档集料配制。各项指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。

2 试验方案

目前国内外进行层间剪切疲劳试验的方法主要是直接剪切试验和斜剪试验，斜面剪切试验是在切向剪应力和正应力同时变化时对沥青混合料进行剪切试验，比较符合车辆通过弯道时对路面剪切破坏的实际应力状态，斜面剪切试验只需施加垂直力即可，因此采用45℃斜剪试验进行层间剪切疲劳试验。

设计选用埃索70#基质沥青、SBS改性沥青和SBS改性乳化沥青作为粘结材料，在不同应力比、不同试验温度的条件下，采用电液伺服疲劳试验机对切割的试样进行剪切疲劳试验，进而评价沥青路面层间剪切疲劳特性。

2.1 配合比设计

为了更好地模拟路面的实际情况，采用具有代表性的AC-16级配中值模拟原路面所用的混合料级配，薄层罩面采用SMA-10级配的沥青混合料来模拟。根据马歇尔试验确定AC-16级配的最佳油石比为4.4%，SMA-10沥青混合料的最佳油石比为6.1%。

2.2 试件成型

剪切试验采用“SMA-10+粘层+AC-16”的路面结构形式，为更好地模拟路面的实际施工状态，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011采用车辙板成型试件，试验中采用双层车辙板模具，上、下层的厚度分别为5cm。将成型后的车辙板切割成100mm×100mm×100mm的正方体试件。

3 性能分析

3.1 不同层间粘结状态下的抗剪强度

根据规范及实际的施工经验，在15℃、荷载速率为10mm/min、粘层材料用量1.5kg/m2的条件下进行剪切试验，试验结果见图1和图2。

表4 不同层间粘结状态下的抗剪强度

从图1和图2可以看出层间粘层材料对层间最大剪应力影响较大，层间抗剪强度最好的为SBS改性沥青，其次为SBS改性乳化沥青，最差的为基质沥青，SBS改性沥青最大剪应力比基质沥青提高近12%，乳化沥青和基质沥青抗剪性能相对较差，可能是由于基质沥青和乳化沥青粘性相对较小的原因，不能对上下两层进行很好的粘结。

3.2 粘层材料在不同应力水平下的疲劳寿命

试验将在15℃、荷载速率为10mm/min、粘层材料用量1.5kg/m2的条件下进行剪切试验，试验结果见表5和图3。

表5 粘层材料在不同应力水平下的疲劳寿命

从表5和图3可以看出，层间不同粘结状态的剪切疲劳寿命均随着应力水平的增大而显著降低，应力水平为0.4时比应力水平为0.6时全部提高一倍以上，差距较大，而随着应力水平的提高不同粘结材料的疲劳寿命差距缩小。同一应力水平条件下，疲劳寿命SBS改性沥青>SBS改性乳化沥青>70#基质沥青，且随着应力比的增大，差距逐渐缩小，因此，应力水平对层间剪切疲劳寿命影响显著，相对粘结材料更加敏感。

3.3 粘层材料在不同试验温度下的疲劳寿命

为研究温度对层间剪切疲劳性能的影响，在层间不同粘结状态下进行不同温度的疲劳试验，控制应力水平为0.4，试验结果见表6和图4。

从图4中可以看出，层间剪切疲劳寿命均随着温度升高而下降很快，70#基质沥青的剪切疲劳寿命在各个温度下均为最低，试验温度越低差别越明显，而SBS改性沥青的疲劳寿命高于SBS改性乳化沥青，但差距较基质沥青小得多，且随温度的升高差距逐渐缩小，当温度从15℃升至20℃时，SBS改性沥青、SBS改性乳化沥青的疲劳寿命降低约49%，70#基质沥青下降约51%；当温度从25℃上升至30℃时SBS改性乳化沥青的疲劳寿命降低37%，SBS改性沥青剪切疲劳寿命降低约40.7%，70#基质沥青下降约39.7%，由此可见温度对粘层材料的剪切疲劳寿命影响很大，且随温度增大不同粘层材料的疲劳寿命降低幅度有所放缓。

4 剪切疲劳方程

应力疲劳特性可用以下公式进行表征:

(1)

其中：Nf为疲劳寿命；σ0为应力比；K，n为常数。

应力控制模式下的疲劳方程应该采用式(1)，在层间剪切疲劳试验中，式(1)表征疲劳寿命与层间最大剪应力之间的关系，试验数据代入上式，拟合可得K、n值，求得其疲劳方程见表7。

表7 不同粘结材料的剪切疲劳方程

通过疲劳方程可以预估粘结材料在不同应力水平下的层间剪切疲劳寿命。

5 结论

(1)不同粘层材料的剪切疲劳寿命均受应力水平影响，且随着应力比的增大，粘结材料的剪切疲劳寿命皆下降显著。说明薄层罩面的层间剪切疲劳寿命对应力水平比较敏感。

(2)材料的层间剪切疲劳寿命均随着温度升高而降低，其剪切疲劳寿命SBS改性沥青>SBS改性乳化沥青>70#基质沥青，且随着温度的升高疲劳寿命降幅趋缓。

(3)在薄层罩面层间剪切疲劳试验结果的基础上，建立了不同粘层材料的剪切疲劳方程，可以通过相应的疲劳方程预估材料在不同应力水平下的疲劳寿命。