界面糙化对刚柔复合式路面剪切强度的影响

唐艳华,聂忆华,毛 惺,刘福财

(1.湖南科技大学土木工程学院,湖南 湘潭 411201;2.广东盖特奇新材料科技有限公司,广东 清远 511600)

0 引 言

目前,沥青路面在国内外通车里程达到了96%以上,近年来高性能混凝土发展迅猛,在高性能混凝土上面铺筑沥青混合料,属于刚柔复合式路面结构,与国内普通水泥路面加铺沥青层(白改黑)具有相似的力学特性。而目前国内外针对水泥混凝土路面上加铺沥青混合料这种刚柔复合式路面结构的层间黏结性能的研究已取得众多成果。长安大学任万艳[1]团队研究水泥混凝土不同的界面糙化类型对刚柔复合式路面层间抗剪性能的影响,西南交通大学李一鸣[2]团队研究了刚柔复合式路面结构基层面层处理技术中包括SBS改性沥青碎石层和乳化沥青碎石层的同步碎石封层对层间粘结强度的影响,长沙理工大学柳力[3]团队提出了加铺抗裂层、浸渍土工布等方法,以提高刚柔复合式路面层间的抗裂性能。

上述各团队研究了层间受力性能受各种不同的层间处理方式的影响。而现阶段评价层间的力学性能的两项基本指标分别为层间的剪切强度及拉拔强度。但复合试件在拉拔试验中多数在沥青混合料试件内部发生破坏,所以用剪切强度评价复合试件层间力学特性更具有代表性[4]。而就剪切试验而言,45°的斜剪试验更能准确地反映路面的实际受力情况。为评价高性能混凝土上铺设沥青混合料的层间抗剪性能,基于已有研究基础,通过室内试验的形式,以撒布不同粒径及撒布量的碎石来构造不同糙化程度的界面的方式,开展复合试件层间在45°斜剪试验下的剪切强度的试验研究,以期为类似刚柔复合式路面的层间设计及施工提供参考。

1 界面糙化试验设计

1.1 试件原材料

(1)高性能混凝土原材料。

采用C120强度等级混凝土,基体组成成分包括:①水泥:产自广州的越秀牌P·O 42.5R;②复合掺合料:产自广东道明铁路器材有限公司,28 d活性指数大于110%;③石英砂:产自佛冈,细度模数2.0～2.2;④碎石:产自佛冈,压碎值不大于10%;⑤外加剂:产自广东道明铁路器材有限公司,减水率大于30%;⑥钢纤维:产自湖州,抗拉强度大于2 850 MPa。按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)[5]中相关试验要求拌和、成型并养护立方体试块,得到7 d和28 d的立方体抗压强度分别为98 MPa、123 MPa。

(2)沥青混合料。

沥青面层采用AC-13级配,原料为道路石油沥青、石灰岩碎石、矿粉,设计油石比为5.04%,沥青混合料配合比设计主要按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[6]进行。

(3)嵌石材料。

嵌石材料为玄武岩,筛分出的2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三种粒径的玄武岩,如图1所示。

图1 三种粒径的玄武岩碎石

1.2 试件制备及层间处理

试验中复合试件的成型方法采用马歇尔击实法,试件的尺寸为:h=4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm沥青混合料,Φ=101.6 mm。

复合试件的成型步骤为:①制备高性能混凝土块,将混凝土装入马歇尔套筒内成型4 cm的高度;②将2.35～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三种粒径的玄武岩碎石分别按照25%、50%、75%的撒布量嵌入浇筑好的高性能混凝土界面上,碎石构造深度为粒径的2/5～3/5;嵌石后的高性能混凝土试件见图2(a)、(b)、(c);③在嵌好碎石的高性能混凝土试块上覆盖薄膜纸常温下养护48 h;④利用马歇尔击实仪,在嵌有碎石的高性能混凝土界面上击实沥青混合料,成型复合试件。12 h之后脱模即可进行斜剪试验,脱模后的复合试件见图2(d),每组3个平行试件。

图2 撒布碎石的混凝土试件及成型的复合试件

1.3 试验内容及控制

(1)试验方案及试验内容。

在常温状态(25 ℃)下,开展4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm沥青混合料复合试件层间45°斜剪强度试验,探究不同碎石粒径、撒布面积对层间剪切性能的影响。放置试件的过程中,需要控制复合试件的层间位于上、下斜剪夹具的空隙中部,从而保证层间的剪切受力。试验过程中,施加的竖向力F模拟行车荷载,其沿复合试件层间的水平分力使得上、下面层产生剪切错动而破坏。试验采用控制位移的加载模式,加载速度为10 mm/min,试件破坏后在试验力达到峰值的20%时即停止加载。试验完成后记录峰值力及荷载力-位移曲线,并认真观察剪切破坏面、拍照记录。

试件层间剪切破坏的抗剪强度计算公式如公式(1)所示:

(1)

式中:τ为层间剪切强度,MPa;F为试验峰值力,N;α为45°;A为粘结面面积,mm2。

(2)试验设备与数据采集。

试验机采用WDW-100E微机控制电子万能试验机,可以通过控制系统控制驱动和测量系统对置于45°斜剪夹具中的试块进行试验,并得到峰值力与位移的关系图。

2 试验结果及分析

复合试件层间剪切强度试验结果如表1、图3所示。

表1 剪切实验结果

图3 不同粒径的嵌石不同撒布量下层间抗剪强度

由剪切破坏面可知,(1)剪切破坏均出现在层间位置,说明试件层间是脆弱面;(2)破坏面呈凹凸不平状。这是因为在嵌石界面上,原嵌在高性能混凝土界面上的玄武岩碎石,在经过马歇尔击实仪击实沥青混合料后,绝大部分都嵌入了沥青混合料内。在斜剪试验时碎石参与受力,在层间发生剪切破坏时,碎石剥落到上面层沥青混合料内,同时在混凝土界面上也黏附有部分沥青混合料,这说明嵌石处理对复合试件层间黏附状态影响较大。

2.1 碎石粒径对层间抗剪强度的影响

由图3数据可知,在采用2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三种碎石粒径时,层间剪切强度的规律是:抗剪强度随着嵌石粒径的增大而增大。原因是在采用嵌石处理层间界面时,玄武岩嵌固于沥青混合料上面层内一定深度,在斜剪试验时,玄武岩碎石相当于栓钉作用,增大了层间剪切强度,碎石粒径越大层间抗剪强度越大。

2.2 碎石撒布面积对层间抗剪强度的影响

在25%、50%、75%三种碎石撒布面积下,复合试件层间抗剪强度随着撒布面积的增大而增大。不同撒布量的抗剪强度的关系是:粒径为2.36～4.75 mm时,50%、75%的撒布量下的抗剪强度相对于25%的撒布量分别增加了30.85%、47.69%;粒径为4.75～9.5 mm时,50%、75%的撒布量下的抗剪强度相对于25%的撒布量分别增加了11.71%、27.08%;粒径为9.5～13.2 mm时,50%、75%的撒布量下的抗剪强度相对于25%的撒布量分别增加了53.84%、54.19%。这说明嵌石处理在复合试件层间构建了宏观与细观的嵌锁结构,在一定范围内,随着碎石撒布面积增大,嵌石提供的摩阻力也增大,从而提高了层间的抗剪能力。

3 结 论

(1)由试验可知,将“嵌石”这一界面糙化方式运用到复合式路面的层间构造时,在一定范围内,层间的抗剪强度随着嵌石粒径的增大而增大。

(2)当具体选择一种碎石粒径时,层间的抗剪强度随着选定的碎石撒布面积的增大而增大。

(3)当选择9.5～13.2 mm及75%撒布面积的糙化界面时,层间的抗剪强度为5.682 MPa,比粒径为2.36～4.75 mm时25%撒布面积下的层间抗剪强度1.277 MPa提高了344.95%,这显著提高了刚柔复合式路面结构层间的抗剪能力,为以界面糙化的方式来提高刚柔复合式路面层间抗剪强度的设计提供了一定的参考依据。