基于灰熵理论的沥青混合料层间抗剪切疲劳影响因素探讨

2024-01-06郑万鹏念腾飞王国伟魏智强刘宗成刘文科

兰州理工大学学报 2023年6期

郑万鹏, 念腾飞*,, 王国伟, 魏智强, 刘宗成, 刘文科

(1. 甘肃路桥善建科技有限公司, 甘肃兰州 730300; 2. 兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050)

沥青路面因其良好的路用性能被广泛应用.然而,沥青路面结构在外界环境与车辆荷载的长期反复循环作用下,一直处于应力应变交替变化的受力状态,从而导致路面结构强度随时间逐渐减小.当车辆往复循环荷载作用超过一定作用次数后,路面结构的应力累计并超过其承受极限,致使路面出现微小损坏,微小损坏不断积累,最终导致路面结构产生疲劳破坏.特别是大纵坡路段、小半径路段和加速制动等区域的沥青路面,其结构层中产生的水平应力较为明显,使得沥青路面出现层间剪切破坏现象.

目前,国内外对于沥青路面的层间抗剪切疲劳试验,暂无统一的测试装置和试验方法标准.在1999年,Romanoschi[1]提出了一个简易的层间剪切疲劳测试装置,沥青混合料试件承受正应力时附加承受剪应力,达到车辆荷载往复运动模拟效果.Diakhate等[2]基于应力控制模式开展了沥青混合料层间剪切疲劳试验,通过分析三种失效准则,认为粘结层的缺乏明显降低界面的疲劳性能,通过试验凝练提出一种基于单调剪切试验结果的层间疲劳规律预测方法.刘丽等[3]、Li等[4]通过自行研制的层间抗剪切、剪切疲劳试验夹具,对沥青路面双结构(黑加黑、白加黑)在不同层间粘结状态、不同粘层油种类和粘层油用量下开展了沥青混合料加铺层层间剪切疲劳性能测试.郑洁[5]利用45°斜剪装置,采用不同摊铺方式成型沥青混合料复合试件,基于层间剪切疲劳试验,分析剪切变形率、层间抗剪模量和疲劳寿命指标,认为疲劳性能虽然可以从疲劳寿命的数值上反映,但是其数值不能反映疲劳寿命和沥青混合料路用性能的关联性.王选仓等[6]通过测试不同应力比、温度、以及粘层状况下的沥青混合料的层间疲劳寿命,建立了沥青路面层间剪切疲劳方程和疲劳寿命预估模型,并考虑多因素对其进行修正.可以看出,对沥青路面层间剪切疲劳性能试验与影响因素的分析,研究主要集中在以下几个方面:

(1) 层间剪切疲劳试验装置的研发;

(2) 不同剪切方式下的剪切疲劳试验;

(3) 不同影响因素(包括层间接触状态)下的层间剪切疲劳试验;

(4) 剪切疲劳寿命的预测.

对于不同影响因素下的沥青混合料层间抗剪切疲劳寿命与各影响因素的关联程度还待进一步探索.本文通过自行设计组装的直剪装置,在UTM-100上开展沥青混合料不同影响因素下的层间抗剪切疲劳寿命测试,并基于灰熵理论模型探寻各影响因素与层间抗剪切疲劳寿命之间的关联程度.对沥青路面结构设计和提高其层间抗剪切疲劳性能的认知具有重要工程意义.

1 试验原材料与方法

1.1 沥青与层间粘结材料

沥青混合料所用基质沥青为韩国SK90#道路用石油沥青,各项技术指标见表1.层间粘结材料分别使用SK90#基质沥青、SBS改性沥青和改性乳化沥青.其中,SBS改性沥青和改性乳化沥青分别以SK90#沥青为基质沥青进行制备.基质沥青及所制备的改性沥青均符合现行公路沥青路面施工技术规范要求,具体的制备工艺可参考文献[7].

1.1.1SBS改性沥青的制备

首先,将沥青剪切搅拌仪加热至(165±5)℃,并将称量好的基质沥青装入搅拌仪中加热;其次,向搅拌仪中加入SBS改性剂,其加入方法为内掺法,质量为沥青质量分数的5%,在转速为4 500 r/min、温度为180 ℃的条件下,剪切搅拌90min;最后,向搅拌仪中加入稳定剂后再继续搅拌10 min,稳定剂的添加量为SBS改性剂质量的3%,待搅拌到达时间后,将其从搅拌仪中倒出,置于容器中放进175 ℃烘箱中发育溶胀2 h,便可制备得到SBS改性沥青,其各项技术指标测试结果见表1.

1.1.2改性乳化沥青的制备

首先,取一定量的基质沥青放入沥青高速剪切搅拌仪中加热至(135±5)℃;其次,将按照比例混合好的改性胶乳、添加剂和1%的乳化剂,加入60 ℃的热水中,充分搅拌使之溶解形成皂液;最后,将制备的皂液和加热的基质沥青按照比例混合,在高速剪切试验仪中搅拌30 min,剪切仪的转速设置为7 500 r/min,便可制备得到改性乳化沥青,其各项技术指标测试结果见表2.

表2 制备的改性乳化沥青技术指标测试结果

1.2 矿料与沥青混合料配合比设计

集料采自兰州市王家坪料场,矿粉为石灰岩矿粉,产自兰州市永登县某水泥厂.按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[8]对集料和矿粉各项性能指标进行检验,其各项指标符合现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[9]的要求.

结合甘肃省沥青路面实际应用情况,复合试件所用沥青混合料级配类型选用方案为:复合试件下结构层选用连续密级配沥青混合料AC-20型,复合试件上结构层选用为连续密级配沥青混合料AC-16型和AC-13型,以及间断级配沥青混合料SMA-13型.采用马歇尔击实发对所选用的沥青混合料级配进行设计,其设计结果见表3.通过马歇尔试验得:AC-20、AC-16、AC-13和SMA-13沥青混合料最佳沥青用量分别为4.3%、4.5%、5.0%和5.7%.

1.3 试件制备与测试方法

1.3.1沥青混合料复合试件的制备

首先,利用沥青混合料轮碾成型机成型复合试件下结构层车辙板.即:将拌合好的AC-20沥青混合料装入300 mm×300 mm×100 mm的车辙板试模中,在车辙板试模下垫入50 mm的钢板,使之成型的车辙板厚为50 mm,在轮碾成型机上碾压成型,并标记轮碾方向.其次,对下层结构混凝土板进行清理,去除表面松散颗粒和浮尘,并将车辙板的钢垫板取出,把下结构层车辙板装入试模,按照计算用量在AC-20沥青车辙板上分别涂抹基质沥青、乳化沥青和SBS改性沥青三种层间粘结材料;最后,加铺上结构层,将拌合好的上层沥青混合料装入车辙板试模中,在轮碾成型机上成型压实,且上、下层沥青混合料碾压方向保持一致,冷却24 h后拆下试模,制备得到复合车辙板.

采用钻芯取样机对制备得到的复合车辙板进行钻芯取样,见图1.每块车辙板钻出4个复合试件,且试件边缘距车辙板边缘不小于20 mm,可得到直径为100 mm的圆柱形试件.

1.3.2沥青混合料层间抗剪切疲劳性能测试

采用自行设计的直接剪切及剪切疲劳试验夹具,见图1.在UTM-100上配套使用,开展竖向剪切疲劳试验,采用应力控制模式、半正矢波荷载进行试验加载.剪切疲劳试验因素考虑不同加载频率、不同应力水平和试验温度.其中,对于加载频率,根据其与速度的对应关系,10 Hz加载频率作用0.016 s时,相当于沥青路面上行车速度为62.8 km/h,故选取为5、10、15 Hz;对于应力水平,根据路面结构中层间粘结材料所承受的水平一般为0.25～0.7 MPa,故本文应力水平选用0.3、0.4和0.5三个水平;对于温度,考虑高低温的影响,选取20、30、45 ℃.每个条件下平行进行5组试件的测试,其测试结果去掉最大和最小值,剩余3组测试结果的平均值作为最终试验结果值.

图1 钻芯取样与试验装置Fig.1 Drill core sampling and testing device

2 试验结果讨论与分析

2.1 应力水平对剪切疲劳寿命的影响

在进行竖向剪切疲劳时,需要对复合试件层间抗剪强度进行测试,再根据测试结果进行不同应力比下的剪切疲劳试验.参照本课题组前期的沥青混合料层间抗剪切强度研究成果[7],对于AC-13+AC-20复合结构,基质沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.824 MPa、乳化沥青沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.907MPa、SBS改性沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为1.149 MPa;对于AC-16+AC-20复合结构,基质沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.828 MPa、乳化沥青沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.916 MPa、SBS改性沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为1.163 MPa;对于SMA-13+AC-20复合结构,基质沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.836 MPa、乳化沥青沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为0.928MPa、SBS改性沥青为层间粘结材料时,抗剪强度为1.173 MPa.选取应力水平为0.3、0.4和0.5开展竖向剪切疲劳试验,疲劳试验的加载频率设定为10 Hz,设定试验温度为20℃,对不同上层结构类型和不同粘层材料的试件,进行层间抗剪切疲劳分析,结果见图2.

图2 不同应力比下的疲劳剪切寿命Fig.2 Fatigue shear life vs. stress ratios

2.2 加载频率对剪切疲劳寿命的影响

根据现行《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[10]规定,高等级沥青公路的设计速度为60～120 km/h,同时大量调查研究表明,沥青路面受重车低速行驶的影响,其路用性能损伤较大,因此合适的行车速度,对于保证沥青路面的路用性能和耐久性具有重要意义.故参照动态模量试验规程,本文剪切疲劳试验选取3种加载频率5、10、15 Hz来模拟慢车速、正常车速和快车速,试验温度选取为20 ℃,0.4的应力水平的剪切疲劳试验,分析加载频率对沥青路面层间剪切疲劳寿命的影响,结果见图3.

由图3可知,无论对于三种不同面层结构还是三种不同层间粘结材料的试件,其层间剪切疲劳破坏寿命随着加载频率的变化,近似呈现出指数变化关系,加载频率越大,试件的层间剪切疲劳寿命越大.无论在何种加载频率下,SBS改性沥青层间粘结材料的抗剪切疲劳性能明显优于改性乳化沥青层间粘结材料,改性乳化沥青层间粘结材料又优于SK90#基质沥青层间粘结材料.表明缓慢行驶的车辆对沥青路面的使用寿命影响更大,且改性沥青粘结材料对于提高沥青路面层间抗剪切疲劳性能具有重要作用.

2.3 温度对剪切疲劳寿命的影响

试验温度选取20、30、45 ℃,选取10 Hz的试验加载频率,0.4的应力水平开展剪切疲劳试验,分析模拟不同温度下、不同类型路面结构复合试件的抗剪切疲劳破坏性能,结果见图4.

图3 不同频率下的疲劳剪切寿命Fig.3 Fatigue shear life vs. frequency

由图4可知,在加载频率、应力水平相同的试验条件下,不同类型复合试件随着温度的升高,其层间剪切疲劳破坏寿命逐渐减小,特别是在温度为20～30 ℃变化较为明显.不同复合结构类型试件,层间剪切疲劳破坏寿命在温度从20 ℃升到30 ℃时,其疲劳破坏寿命减小约为45%～65%.随着温度的升高,即使不同条件下的沥青混合料抗剪切疲劳性能不断下降,但改性沥青层间粘结材料的抗剪切疲劳性能要明显优于基质沥青层间粘结材料.

3 灰熵理论模型抗剪切疲劳影响因素探讨

灰色关联熵分析理论(简称:灰熵理论)是邓聚龙教授提出的新型工程系统理论的研究方向之一,其在众多科研领域应用较为广泛[11],但是在沥青混合料路用性能与影响因素分析关系探讨中鲜有报道.本文为了探寻沥青混合料层间抗剪切疲劳性能与其影响因素的关联程度,分别对不同沥青混合料复合试件层间剪切疲劳试验结果建立灰熵理论模型.限于文章篇幅,仅以AC-16+AC-20复合试件测试结果为例对模型建立过程进行说明,其他两种复合试件测试模型分析仅给出结算结果.

3.1 建立比较与参考序列

根据模型的特性,将影响因素建立为比较序列、将被影响因素建立为参考序列,见式(1).

(1)

式中:j=1,2,…,n.

以各影响因素下的疲劳剪切寿命为参考序列Y0,以各因素变化值建立比较序列Yj,其中包括加载频率(f)、应力水平(F)、温度(T)和粘层油种类(M).对于粘层油种类参照本课题组研究成果[7],在模型中以最佳层间粘结材料撒铺量来表示,SK90#基质沥青、SBS改性沥青和改性乳化沥青三种层间粘结材料最佳铺撒铺量分别为0.6、0.8、1.2 kg/m2.模型变因素设置原则为:固定两个条件值,变换其他条件值进行建模.建模得到比较与参考序列见表4.

组间的自变量是让被试在所提供的实验材料(社交媒体)中进行情境回忆，分为同步沟通和异步沟通两组。两个实验组的被试分别被要求回忆并写下最近一次在网络社区浏览帖子或新闻时留言评论后，很快就收到回复(同步)或是过了很久才收到回复(异步)的经历，同时进行启动检验。随后进行量表填写，测量与研究一相同。

表4 比较序列与参考序列

3.2 序列初值化

在模型计算分析过程中,对比较与参考序列进行无量纲处理,以消除数据量纲和数量级对分析结果的影响[12].采用的处理方法为:Y0序列中所有数据均除以y0(1),Yj序列中所有数据均除以yj(1),得到初值化参考序列X0和初值化比较序列Xj,见式(2),计算模型初值化后的值见表5.

(2)

3.3 计算灰关联系数

根据式(3)对本文模型的灰关联系数进行计算,模型计算结果见表6.

表5 序列初值化结果

ξj[x0(k),xj(k)]=

(3)

表6 灰关联系数计算结果

3.4 灰关联熵与灰熵关联度计算

为保证参考序列始终在比较序列的上方或下方,避免失真现象[13],规定对∀Xj,j=1,2,…,n,恒有x0(k)≥(或者≤)xj(k),k=1,2,…,r.

假设Rξj={ξj[x0(k),xj(k)],k=1,2,…,r},则映射Mpa:Rξj→Pj,有

ph∈Pj,h=1,2,…,r

(4)

式中:Pj为灰关联系数分布映射;ph为映射值(分布密度值),满足∀h,ph≥0且∑ph=1.则称函数

(5)

为序列Xj的灰关联熵,其灰熵关联度为

(6)

式中:Hm=lnr为灰熵的最大值,本分析模型中选取了4种影响因素,即r=4;Er(Xj)为序列Xj的灰熵关联度,且灰熵关联度越大,表示影响越显著.本文模型中分布密度值和灰熵关联度计算值见表7和表8.

表7 分布密度值计算结果

表8 灰熵关联度计算结果

此外,分别以AC-13+AC-20、SMA-13+AC-20复合试件测试结果建立灰熵理论模型,分别计算沥青混合料层间抗剪切疲劳寿命与其影响因素的灰熵关联度Er(Xj),其结果汇总于图5.

图5 灰熵关联度计算结果Fig.5 Calculation result of grey entropy correlation degree

由表8和图5可知,在同种复合结构类型下,四种影响因素的关联度从大到小的排序为加载频率(f)>应力水平(F)>温度(T)>粘层油种类(M).表明:沥青路面在行车荷载作用下,汽车荷载的缓慢行驶和高速行驶、汽车的启动和制动等对沥青路面的服务耐久性具有较大的影响,结合上文的分析,有合理的强化道路的通行流量,提高车辆的行驶速度,有助于提高道路的使用性能,延长使用寿命.