陳莉， 蔡旭， 張睿達

(廣州大學 土木工程學院， 廣東 廣州 510006)

現(xiàn)有瀝青路面結構設計理論基于多層彈性體系理論，假定路面層間完全連續(xù)或者完全光滑。然而，瀝青路面采用分層鋪筑、分層碾壓的施工方式，且由于材料表面構造、骨料表面紋理以及瀝青膜的影響，層間的應力傳遞必然存在某種分布形式，因此不能簡單地將瀝青路面整體及各結構層當做完全連續(xù)或者完全光滑的結構。

目前，瀝青路面層間接觸的研究主要基于室內試驗和數(shù)值計算等方法，其中壓力膠片技術能較精確地反映出接觸界面的應力狀態(tài)，壓力膠片利用受壓顯色功能測量兩物體間受壓接觸面，以顏色的深淺表征壓力的大小，結合數(shù)字圖像處理技術計算得到受力面積和壓力分布等。許多學者采用該技術研究基層-面層之間的界面接觸狀態(tài)和輪胎-路面間的接觸情況，如任赟等研究了路面結構不同層間接觸狀態(tài);楊豐華等利用壓力膠片分析輪胎與路面之間的應力狀態(tài)。但這些研究均是將瀝青路面中面層之間的應力假設為均布荷載，實際上由于瀝青混合料的散粒體特性，層間應力主要通過上下層混合料顆粒的接觸部位進行傳遞，采用均布荷載將導致路面受力分析結果的誤差。

該文基于壓力膠片研究層間應力傳遞與分布特性，為實現(xiàn)瀝青路面結構數(shù)字化、精細化設計提供技術支撐。

1 試驗過程

1.1 試件準備

試驗所采用的瀝青混合料為AC-13混合料，所用集料為花崗巖，瀝青為70#道路石油瀝青，瀝青含量為4.6%，礦粉含量為5.5%，原材料的相關指標與級配如表1、2所示。

表1 原材料的技術指標

表2 混合料設計級配

根據(jù)表2所選的級配制備馬歇爾試件，其標準尺寸為φ101.6 mm×(63.5±1.3 ) mm。馬歇爾試件相關指標如表3所示。

表3 馬歇爾試件指標

由表3可知：馬歇爾試件的質量存在差異，試驗過程中將根據(jù)其質量調整砝碼質量，保證荷載一致。

1.2 壓力膠片

研究采用雙片型膠片，膠片精度為測點面積0.016 mm2，膠片結構如圖1所示。采用的膠片規(guī)格為LLW和LW，量程分別為0.25～2.5 MPa和1.0～10 MPa。

圖1 膠片結構

由于壓力膠片的特性，剪切過程中需要兩個試件進行相對位移產生剪切力，因此該文先對兩堆疊的馬歇爾試件進行豎向荷載下其接觸面之間的應力分布進行分析，再在其得出的結論下進行剪切試驗。

壓力膠片試驗的具體步驟如下：

(1) 記錄試驗場地的溫度、濕度。

(2) 將壓力膠片置于馬歇爾試件接觸面位置，采用“瀝青混合料顆粒剪切分析系統(tǒng)”輔助定位。

(3) 采用“瀝青混合料顆粒剪切分析系統(tǒng)”控制加載，根據(jù)馬歇爾試件的質量設置砝碼質量。

(4) 加載時間為2 min，加載結束后取出試件與膠片。

(5) 采用掃描儀獲取應力圖片，利用數(shù)字圖像處理技術計算應力大小與分布。

2 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

2.1 壓力膠片量程影響分析

采用100、150、200、250和300 N的荷載進行加載試驗，每個荷載進行2次平行試驗，得到LLW和LW兩種規(guī)格壓力膠片的顯色狀態(tài)，采用分析軟件進行應力分布分析，分析結果如表4所示。

表4 壓力膠片加載試驗結果

由表4可知：隨著荷載的增大，接觸面的受壓面積、總壓力和受力面積比逐漸增大。所測得的平均壓強則沒有顯著的變化規(guī)律。這是由于超出膠片量程的壓力面積越多，所得數(shù)據(jù)的誤差越大，因此應根據(jù)膠片量程確定荷載大小。

圖2為接觸面各測點的壓強-數(shù)量分布圖。

圖2 膠片壓強大小分布

由圖2可知：對LLW壓力膠片而言，隨著荷載的增大，壓強中小于0.25 MPa的測點數(shù)量增多，存在誤差的測點數(shù)量比例上升，因此LLW壓力膠片所適宜的荷載為100 N；同理可得LW膠片所適宜的測量荷載為250 N。

將實際施加的壓力與壓力膠片測得的總壓力之比稱作壓力折減系數(shù)。由表4可知：壓力膠片的折減系數(shù)隨著荷載的增加有所浮動，其中LLW膠片在荷載為100 N時壓力折減系數(shù)為0.973；與實際荷載基本一致。從總壓力測量結果看，100 N為LLW膠片的最佳負荷。LW膠片的折減系數(shù)隨著荷載的增大不斷增大，直到其負荷極限才有所減小。其中250 N所對應的壓力折減系數(shù)為峰值0.989，因此250 N荷載為LW膠片的最佳負荷。

受力面積比為接觸面實際面積占試件橫截面面積的比值。由表4可知：在最佳荷載的情況下，LLW膠片與LW膠片所測得的受力面積比分別為2.1%和1.3%。該結果表明：瀝青路面的層間接觸并非理想的面接觸，且承擔荷載床底的接觸面積僅占橫截面積的1.2%～2.2%，層間界面處于復雜的應力集中與分布狀態(tài)。

2.2 壓力膠片應力集中分析

2.2.1 應力大小的分布情況

選擇最佳荷載下LLW和LW的試驗數(shù)據(jù)，分析其壓力分布特征。測定點面積為0.016 mm2，壓力分布情況如圖3所示。

圖3 各膠片的應力分布圖

由圖3可知：兩種膠片應力大小的分布趨勢基本相同，隨著壓強的增大，試件所受到的壓強中落到該壓強區(qū)間的點數(shù)也隨之增多，并且分別在0.3～0.4 MPa及1.0～1.5 MPa區(qū)域達到最大值，即壓強較多地集中在0.3～0.4 MPa和1.0～1.5 MPa，且試件所受到的壓強在其范圍內的概率分別為23%和22%；達到峰值后，所受壓強的點數(shù)隨著壓強的增大反而減少，最后均趨近于零。

嘗試使用Origin中單峰分布中的Extreme對此分布密度函數(shù)進行擬合。結果如圖4所示。

圖4 Extreme擬合曲線

兩者所擬合的曲線均收斂且相關性高，表明層間接觸面的應力服從單峰分布。

2.2.2 應力空間分布分析

對掃描壓力膠片得出的應力分布圖進行三維重構，能明顯地看出各應力的分布情況，如圖5所示。

圖5 各膠片的應力集中三維分布圖

由圖5可以看出：應力集中在試件邊緣與試件中心。與輪胎-路面接觸面相比，層間的接觸在剛度較大的材料間產生，所測壓強分散且峰值較大，不存在輪胎-路面接觸的成片應力集中現(xiàn)象。

3 結論

(1) 采用壓力膠片技術可以有效評價在受到一定荷載情況下，路面內部面層之間接觸區(qū)域的面積、壓力分布和應力集中分布。

(2) 對于LLW型膠片，100 N為最佳荷載，其荷載折算系數(shù)為0.973，平均壓強為0.62 MPa，其受壓面積比為2.1%；對于LW型膠片，250 N為最佳荷載，其荷載折算系數(shù)為0.989，平均壓強為2.4 MPa，其受壓面積比為1.3%。

(3) 在最佳荷載條件下，膠片測定的應力服從正態(tài)分布。

(4) 瀝青路面的層間接觸為典型的點接觸，應力分布集中于試件邊緣與試件圓心周圍，表明瀝青面層的層間界面處于復雜的應力集中與分布狀態(tài)。