王濤 黃富斌 陳東

作者簡介：王?濤（1987—），高級工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)工作。

文章選用了4種常用的界面粘結(jié)材料，在復(fù)合試件上同時施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，并分析法向應(yīng)力和溫度耦合作用對粘結(jié)效果的影響，以探究界面粘結(jié)效果的主要影響因素。結(jié)果表明：溫度對粘結(jié)層的附著力有顯著影響，并在失效模式中起主導(dǎo)作用；乳化瀝青由于施工方法簡單且粘結(jié)效果好，被認(rèn)為是最佳的界面粘結(jié)材料；損壞的界面仍然可以提供相當(dāng)大的結(jié)合強(qiáng)度；交通荷載產(chǎn)生的法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成，尤其是在較低溫度下。研究成果可為“白改黑”路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

水泥路面；瀝青加鋪層；白改黑；界面；粘結(jié)性能

U416.22A110395

0?引言

水泥路面是我國曾經(jīng)主要的路面結(jié)構(gòu)形式，目前仍存在較大體量，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮了不可替代的作用。但隨著交通量不斷提高，路面所承受的交通荷載急劇增加，水泥路面逐漸出現(xiàn)裂縫、破碎板、錯臺、脫空等病害，嚴(yán)重影響行車舒適性和安全，所以水泥路面的養(yǎng)護(hù)維修是一項(xiàng)亟須進(jìn)行的工作。

眾所周知，瀝青路面具有表面平整無接縫、行車振動小、開放交通快、后期維修方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)水泥混凝土路面損傷為良及以上時，可經(jīng)簡單局部處理后直接加鋪瀝青面層，充分利用舊水泥面板的殘余強(qiáng)度，提升舊水泥路面的使用性能［1］。然而這種在高模量水泥路面上直接加鋪低模量瀝青面層的方式會形成較大的模量差異，這就會造成加鋪后的復(fù)合路面出現(xiàn)車轍、推移、擁包、層間破壞等問題［2］。

目前國內(nèi)外對于直接加鋪瀝青層進(jìn)行“白改黑”的研究大多集中在防止反射裂縫和復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析方面，在界面粘結(jié)的影響因素和相關(guān)試驗(yàn)方法方面的研究很少［3］。2008年LENG等進(jìn)行了一系列正交試驗(yàn)，通過對比得出SS-1hP瀝青乳液的界面粘結(jié)效果優(yōu)于RC-70稀釋瀝青，較低的溫度有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成等［4］；2012年張?zhí)业龋?］研究顯示加鋪層厚度是影響界面間剪應(yīng)力的最大因素，增大加鋪層厚度可顯著提升抗剪強(qiáng)度，若出現(xiàn)嚴(yán)重超載現(xiàn)象，則剪應(yīng)力可達(dá)到加鋪層的極限抗剪強(qiáng)度，同時指出溶劑型防水涂料的界面粘結(jié)能力較強(qiáng)；2013年原寶盛等［6］采用Ansys軟件建立了復(fù)合路面的三維有限元模型，通過模型得出降低加鋪層底的最大主應(yīng)力σ1、最大剪應(yīng)力τmax、等效應(yīng)力σe等力學(xué)指標(biāo)可通過增加加鋪層厚度的方式進(jìn)行，對比選擇7 cm AM-20瀝青碎石+2.5 cm應(yīng)力吸收層為最佳的防反射裂縫措施；2015年呂松濤等［7］基于彈性層狀體系計(jì)算得到最大剪應(yīng)力位于瀝青加鋪層內(nèi)，進(jìn)一步基于摩爾-庫[HJ1.45mm]

倫定律發(fā)現(xiàn)在對數(shù)坐標(biāo)中最大剪應(yīng)力與加鋪層厚度和等效模量間呈線性相關(guān)，以等效結(jié)構(gòu)下的最大剪應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)是一種步驟簡單且精度高的設(shè)計(jì)方法；2016年馬強(qiáng)［8］采用復(fù)合試件模擬測定實(shí)際“白改黑”復(fù)合路面的抗剪切性能，試驗(yàn)結(jié)果表明層間抗剪強(qiáng)度與水泥板表面粗糙程度相關(guān)，推薦毛面時粘層油的最佳灑布量為1.0 kg/m2，環(huán)氧改性陽離子乳化瀝青的粘結(jié)對水穩(wěn)定性的改善效果最好；2017年楊芳［9］在水泥路面“白改黑”設(shè)計(jì)時提出了一層冷拌聯(lián)結(jié)層加瀝青面層的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，并在省道改造時以試驗(yàn)段的形式進(jìn)行性能驗(yàn)證，經(jīng)過長期觀測和性能檢測證明該設(shè)計(jì)思路高效可行；2020年馬凌等［10］發(fā)明了基于拉剪復(fù)合作用的復(fù)合梁抗疲勞試驗(yàn)和復(fù)合板抗反射裂縫試驗(yàn)，并在反復(fù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)抗裂貼+橡膠瀝青碎石封層的界面組合材料在各性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。

本研究在復(fù)合試件上同時施加法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，分析法向應(yīng)力和溫度耦合作用對水泥路面直接加鋪瀝青面層界面粘結(jié)效果的影響，探究界面粘結(jié)效果的主要影響因素。

1?原材料及試件制備

1.1?原材料

本研究選用4種類型的界面粘結(jié)材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，各粘結(jié)材料或蒸發(fā)殘留物的常規(guī)性能和最佳灑布量見下頁表1。其中最佳灑布量根據(jù)施工現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)綜合確定。

1.2?試件制備

為模擬舊水泥路面直接加鋪瀝青面層的實(shí)際受力情況，本研究制備一種圓柱形復(fù)合試件用于室內(nèi)試驗(yàn)。在20 cm厚舊水泥路面上鉆取圓柱形芯樣，根據(jù)截面面積和最佳灑布量進(jìn)行界面粘結(jié)材料的灑布，然后在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀上將設(shè)計(jì)好的熱拌瀝青混合料壓實(shí)在圓柱形水泥芯樣上，瀝青層厚度為4 cm。

2?試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)

2.1?試驗(yàn)方法

考慮到法向應(yīng)力對界面粘結(jié)的影響，特選用萬能試驗(yàn)機(jī)MTS通過液壓制動器在水平方向上施加法向應(yīng)力。試驗(yàn)時采用位移控制模式，以2.5 mm/min的恒定剪切速率在加載板上施加剪切力。環(huán)境箱能夠準(zhǔn)確提供試驗(yàn)所需溫度條件，試驗(yàn)溫度分別為0 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃，法向應(yīng)力為0 MPa、0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa，復(fù)合試件加載示意圖見圖1。

2.2?評價指標(biāo)

2.2.1?抗剪強(qiáng)度

根據(jù)已有研究成果可知，直接剪切試驗(yàn)有兩條典型的剪切應(yīng)力-位移曲線，分別代表脆性破壞和塑性破壞，如圖2所示。對于脆性破壞，其剪切應(yīng)力峰值對應(yīng)剪切強(qiáng)度，而塑性破壞剪切應(yīng)力始終沒有明顯的下降趨勢，未表現(xiàn)出明顯的峰值。進(jìn)一步分析后，使用剪切位移為5 mm時的剪切應(yīng)力作為塑性破壞的剪切強(qiáng)度，界面粘結(jié)材料的剪切強(qiáng)度見式（1）。

2.2.2?界面粘結(jié)系數(shù)

界面粘結(jié)系數(shù)K是表征界面粘結(jié)抗剪切能力的重要參數(shù)，可根據(jù)式（2）計(jì)算得到：K值越大則界面粘結(jié)越傾向于脆性破壞，K值越小表明界面粘結(jié)越容易發(fā)生塑性破壞。

2.2.3?殘余抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比

本研究定義殘余強(qiáng)度為剪切試驗(yàn)位移為10 mm時的剪切應(yīng)力，殘余強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的比值為殘余強(qiáng)度比R，如式（3）所示。在大多數(shù)情況下，脆性破壞的R均＜1，但塑性破壞的R也可以＞1。

3?試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1?確定最佳界面粘結(jié)材料

由圖3和圖4變化趨勢可知，界面粘結(jié)失效與試驗(yàn)溫度密切相關(guān)。低溫易導(dǎo)致脆性破壞和產(chǎn)生較高的剪切強(qiáng)度，而高溫時正好相反。對于煤油稀釋瀝青，無論是15 ℃還是45 ℃，界面粘結(jié)都表現(xiàn)出塑性破壞。這是因?yàn)槊河拖♂尀r青的附著力較弱，塑性變形較好，界面粘結(jié)很可能形成滾動摩擦。另外，在15 ℃時粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度由高到低排序?yàn)殛庪x子乳化瀝青＞橡膠瀝青＞基質(zhì)瀝青＞煤油稀釋瀝青，煤油稀釋瀝青的抗剪強(qiáng)度明顯低于其他瀝青；在45 ℃時大小排序?yàn)榛|(zhì)瀝青＞煤油稀釋瀝青＞橡膠瀝青＞陰離子乳化瀝青，這與15 ℃時的結(jié)果明顯不一致。

圖5～8分別為抗剪強(qiáng)度τmax、界面粘結(jié)系數(shù)K、殘余抗剪強(qiáng)度τR、殘余強(qiáng)度比R的試驗(yàn)結(jié)果。

由圖5可知，陰離子乳化瀝青在低溫（15 ℃）下表現(xiàn)出最高的抗剪強(qiáng)度，其次是橡膠瀝青，然后是基質(zhì)瀝青，最后是煤油稀釋瀝青。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的抗剪強(qiáng)度在高溫（45 ℃）下變小，而基質(zhì)瀝青和煤油稀釋瀝青的抗剪性能更好。這表明溫度對粘結(jié)層的粘結(jié)性能起著重要作用，在低溫下抗剪性能較好的粘結(jié)材料在高溫下可能無法提供類似的粘結(jié)性能。陰離子乳化瀝青和橡膠瀝青的粘結(jié)性能對溫度變化更為敏感。

由圖6可知，低溫時陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青的K值較高，高溫時所有粘結(jié)材料K值會顯著降低，進(jìn)一步分析得出脆性破壞試樣的K值均高于塑性破壞試樣，塑性破壞K值可能小于某一閾值。

殘余抗剪強(qiáng)度τR和殘余強(qiáng)度比R用于表征粘結(jié)界面受損后是否仍能提供一定抗剪強(qiáng)度。由圖7可知，剪切強(qiáng)度較高的粘結(jié)材料可能具有較高的殘余強(qiáng)度，同時具有較高的殘余強(qiáng)度比，圖8殘余強(qiáng)度比試驗(yàn)數(shù)據(jù)正好驗(yàn)證上述推斷。15 ℃和45 ℃的最小殘留強(qiáng)度比分別為52.6%和85%，瀝青層和舊水泥板界面粘結(jié)失效后（產(chǎn)生較大的相對位移）仍可提供良好的粘結(jié)能力。所以溫度是影響粘結(jié)材料界面粘結(jié)的重要因素之一，并且界面粘結(jié)失效后仍可提供相當(dāng)大的粘結(jié)強(qiáng)度，陰離子乳化瀝青、橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青是三種合適的界面粘結(jié)材料，進(jìn)一步考慮施工便捷性，推薦乳化瀝青為最佳的粘結(jié)材料。

3.2?法向應(yīng)力和溫度對界面粘結(jié)的耦合效應(yīng)

3.2.1?法向應(yīng)力的影響

表2為乳化瀝青不同法向應(yīng)力和溫度耦合下的剪切試驗(yàn)結(jié)果。由于0 ℃和1.5 MPa法向應(yīng)力耦合作用下剪切強(qiáng)度太高，超出試驗(yàn)設(shè)備量程，所以未列出相關(guān)結(jié)果。綜合數(shù)據(jù)可知，0 ℃時的剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的增加而增加，這時界面粘結(jié)非常牢固，因此在大多數(shù)情況下都能滿足粘合要求。15 ℃時法向應(yīng)力對粘結(jié)強(qiáng)度的影響更為顯著，當(dāng)其從0.5 MPa升至1.0 MPa時，剪切強(qiáng)度增加了49.3%，從1.0 MPa升至1.5 MPa時，抗剪強(qiáng)度提高46.2%，然而法向應(yīng)力對界面粘結(jié)增強(qiáng)作用隨溫度的升高而減弱。當(dāng)法向應(yīng)力＜0.5 MPa時，其對剪切強(qiáng)度的影響非常有限。

圖9～11為其他參數(shù)隨法向應(yīng)力的變化趨勢。以30 ℃溫度為例，剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度均與法向應(yīng)力呈正比例關(guān)系。當(dāng)法向應(yīng)力從0 MPa增加到1.5 MPa時，剪切強(qiáng)度從0.26增加到1.17 MPa，殘余強(qiáng)度從0.13 MPa增加到1.03 MPa，而界面粘結(jié)系數(shù)K隨法向應(yīng)力先減小后增加再減小。殘余強(qiáng)度比同樣與法向應(yīng)力呈正相關(guān)，當(dāng)法向應(yīng)力從0 MPa增加到0.5 MPa時，殘余強(qiáng)度比從50%迅速增加到81.08%。

總之，法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成，尤其在較低溫度下。較高法向應(yīng)力可以增加殘余強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比，但通常對界面粘結(jié)失效模式的影響較有限。

3.2.2?溫度的影響

根據(jù)不同試驗(yàn)條件下的剪切強(qiáng)度-位移曲線可知，隨著溫度升高，曲線的峰逐漸消失，這說明溫度與界面粘結(jié)的破壞模式有關(guān)，低溫容易導(dǎo)致脆性破壞，高溫只會發(fā)生塑性破壞。此外，無論法向應(yīng)力如何變化，高溫都會顯著降低抗剪強(qiáng)度。

以1.0 MPa法向應(yīng)力為例，抗剪強(qiáng)度和界面粘結(jié)系數(shù)指標(biāo)均隨溫度的升高而降低，而殘余剪切強(qiáng)度在整個溫度范圍內(nèi)基本無變化，這表明溫度可能不會影響殘余強(qiáng)度。殘余強(qiáng)度比隨溫度的升高而增大，這是因?yàn)樵诟邷叵赂菀装l(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致較高的殘余強(qiáng)度比。

總之，較高的溫度會降低剪切強(qiáng)度和界面粘結(jié)系數(shù)，其在界面粘結(jié)失效模式中起主導(dǎo)作用，高溫下更容易發(fā)生塑性破壞，但在低溫下更傾向于發(fā)生脆性破壞。

4?結(jié)語

（1）溫度對界面粘結(jié)材料的粘結(jié)能力有顯著影響。低溫下具有較高剪切強(qiáng)度的粘結(jié)層在高溫下可能不會提供接近的界面粘結(jié)強(qiáng)度，乳化瀝青由于其施工方便而被推薦為最佳的界面粘結(jié)材料。

（2）界面粘結(jié)在失效后仍能夠提供相當(dāng)大的結(jié)合強(qiáng)度，這表明受損的界面仍可發(fā)揮一定作用，界面粘結(jié)系數(shù)可作為區(qū)分界面粘結(jié)失效模式的指標(biāo)。

（3）在較低溫度下，法向應(yīng)力有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的形成。較高的法向應(yīng)力可以增加殘余剪切強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比，但對界面粘結(jié)破壞模式的影響非常有限。同樣，在一定法向應(yīng)力下，溫度對界面粘結(jié)有顯著影響，并在界面粘結(jié)失效模式中起主導(dǎo)作用。高溫下更易發(fā)生塑性破壞，而在低溫下更傾向于發(fā)生脆性破壞。

參考文獻(xiàn)

［1］HAN B，LING J，SHU X，et al. Quantifying the effects of geogrid reinforcement in unbound granular base ［J］. Geotextiles and Geomembrane，2019（47）：369-376.

［2］LING J，WEI F，ZHAO H，et al. Analysis of airfield composite pavement responses using fullscale accelerated pavement testing and finite elementmethod［J］. Construction and Building Materials，2019（212）：596-606.

［3］CHUN S，KIM K，GREENE J，et al. Evaluation of interlayer bonding condition on structural response characteristics of asphalt pavement using finite element analysis and full-scale field tests［J］. Construction and Building Materials，2015（96）：307-318.

［4］LENG Z，OZER H. Interface bonding between hot-mix asphalt and various Portland cement concrete surfaces［J］. Journal of the Transportation Research Board，2008（1）：46-53.

［5］張?zhí)?瀝青混凝土與水泥混凝土界面剪應(yīng)力分析［J］.公路，2012，10（10）：41-43.

［6］原寶盛，彭余華，高明明.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層荷載應(yīng)力分析［J］.中外公路，2013，33（2）：55-59.

［7］呂松濤，樊國鵬，楊?勇，等.基于等效彈性半空間的舊水泥路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)簡化方法［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，12（4）：1-6.

［8］馬?強(qiáng).“白改黑”路面層間抗剪切性能影響因素試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2016，36（4）：86-90.

［9］楊?芳.水泥路面“白改黑”高性能乳化瀝青冷拌聯(lián)結(jié)層技術(shù)應(yīng)用［J］.福建交通科技（道路工程），2017（2）：36-39.

［10］馬?凌，蔣朝旭.農(nóng)村公路水泥板塊“白改黑”界面材料性能研究［J］.中國公路，2020，20（34）：106-107.