何 軍

（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

引言

路面層間結(jié)構(gòu)因處于覆蓋層下導(dǎo)致在破壞的初始階段很難被發(fā)現(xiàn),給病害的產(chǎn)生和發(fā)展埋下了隱患[1-2]。而國內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生路面結(jié)構(gòu)基面層間剪切疲勞壽命的研究較少,鑒于此,本文研究了“兩油一料”新型層間處治技術(shù)、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞特性,并建立再生瀝青路面基面層間剪切疲勞壽命預(yù)估模型,實(shí)現(xiàn)在剪應(yīng)力已知的情況下,通過預(yù)估模型預(yù)估不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞壽命。研究成果為瀝青路面層間處治設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青材料

根據(jù)相關(guān)研究基礎(chǔ),“兩油一料”新型層間處治技術(shù)及普通碎石封層技術(shù)瀝青材料選擇膠粉改性瀝青,技術(shù)指標(biāo)如表1 所示,稀漿封層瀝青材料選擇乳化瀝青,技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表1 膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料及水泥

集料統(tǒng)一選用9.5 mm～13.2 mm 的石灰?guī)r,各項(xiàng)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。稀漿封層采用相關(guān)技術(shù)指南中ES-3 的級(jí)配中值,配合比選用集料：乳化瀝青：水泥：水為100:15:2.5:10。

2 不同基面層間處治技術(shù)室內(nèi)剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

剪切試驗(yàn)采用“水穩(wěn)碎石板+層間處治技術(shù)+AC-25”的路面結(jié)構(gòu)形式,為更好地模擬路面的實(shí)際施工狀態(tài),參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011 采用車轍板成型試件,試驗(yàn)中采用雙層車轍板模具,上、下層的厚度分別為5 cm,以鉆芯機(jī)鉆取芯樣進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)。

首先靜壓成型水穩(wěn)碎石板,養(yǎng)生后撒透層油、下封層,然后在上部成型再生混合料下面層。同步碎石封層瀝青材料選擇膠粉改性瀝青,透層采用陽離子改性乳化瀝青0.8 kg/m2,集料選用粒徑為9.5 mm～13.2 mm 的石灰?guī)r。確定碎石灑布量采用6～8 kg/m2,“兩油一料”新型層間處治技術(shù)下層瀝青灑布量為1.0 kg/m2,上層灑布量為0.5 kg/m2。實(shí)際行車狀態(tài)中層間材料主要承受剪應(yīng)力作用,采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)三種層間處治技術(shù)的鉆芯芯樣進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn),分別評(píng)價(jià)不同層間粘結(jié)狀態(tài)（“兩油一料”新型層間處治封層、普通碎石封層、稀漿封層）、不同應(yīng)力水平（0.3、0.4、0.5、0.6、0.7）及不同試驗(yàn)溫度下（15 ℃、25℃、40 ℃）再生瀝青路面基- 面層間處治技術(shù)的剪切疲勞性能,試驗(yàn)過程如圖1 所示。

2.2 不同層間粘結(jié)狀態(tài)下剪切強(qiáng)度

參考相關(guān)規(guī)范及實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn),選擇室溫25 ℃、荷載速率10 mm/min 進(jìn)行剪切試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同層間粘結(jié)狀態(tài)下剪切強(qiáng)度

從圖2 中可以看出相同的試驗(yàn)條件下,不同層間處治技術(shù)的最大剪應(yīng)力和剪切強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的差異。“兩油一料”新型層間處治技術(shù)性能最好,相比普通碎石封層和稀漿封層處治技術(shù),新型層間處治技術(shù)的最大剪應(yīng)力和剪切強(qiáng)度分別提高14.9%、41.4%和42%、100%。說明兩層瀝青可以使層間碎石完全被瀝青裹附,與上層再生混合料完全融為一體,提高整體強(qiáng)度,而稀漿封層采用乳化瀝青,粘結(jié)力沒有熱瀝青大,故剪切強(qiáng)度較低。

2.3 不同試驗(yàn)溫度下剪切強(qiáng)度

選擇荷載速率10 mm/min,分別控制試驗(yàn)溫度為15 ℃、25 ℃、40 ℃進(jìn)行剪切試驗(yàn),不同層間處治技術(shù)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同試驗(yàn)溫度下各層間處治技術(shù)剪切強(qiáng)度

從圖3 中可以看出,在不同的試驗(yàn)溫度下,“兩油一料”新型層間處治技術(shù)剪切強(qiáng)度最好,其次是普通碎石封層,稀漿封層處治技術(shù)性能最差。三種層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度隨溫度的升高表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì),均隨溫度的升高而逐漸減小。對(duì)于新型層間處治技術(shù),試驗(yàn)溫度從15 ℃提高至25 ℃、40 ℃時(shí),剪切強(qiáng)度分別降低25.3%、39.6%；同理,普通碎石封層分別降低29.3%、50%；稀漿封層處治技術(shù)剪切強(qiáng)度分別降低40.3%、57.6%。這說明溫度升高會(huì)降低層間剪切強(qiáng)度,而15 ℃和25 ℃時(shí),各層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度相差不大,溫度升高至40 ℃時(shí),會(huì)顯著降低層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度。結(jié)合施工條件和試驗(yàn)結(jié)果,推薦各層間處治技術(shù)的試驗(yàn)和施工溫度應(yīng)控制在15℃～25 ℃。

2.4 不同應(yīng)力水平下剪切強(qiáng)度

從圖3 中可以看出,同一應(yīng)力水平下,“兩油一料”新型層間處治技術(shù)剪切強(qiáng)度最好,稀漿封層處治技術(shù)性能最差,且各層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度隨應(yīng)力水平的增加均表現(xiàn)出了減小的趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)力水平由0.3 增加至0.6 時(shí),各層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度減小近一半左右,說明應(yīng)力水平對(duì)層間剪切強(qiáng)度影響顯著。

圖3 不同應(yīng)力比下各層間處治技術(shù)剪切強(qiáng)度

綜合不同基面層層間處治技術(shù)的室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果,推薦選擇試驗(yàn)溫度25 ℃,荷載速率10 mm/min,分別進(jìn)行0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 五個(gè)應(yīng)力水平下的剪切疲勞試驗(yàn),進(jìn)一步分析不同處治技術(shù)在不同應(yīng)力水平下的剪切疲勞壽命。

3 基面層間剪切疲勞壽命預(yù)估模型

3.1 不同應(yīng)力水平下層間材料剪切疲勞壽命

疲勞試驗(yàn)分為應(yīng)力控制模式與應(yīng)變控制模式,應(yīng)力控制模式是加載過程中保持應(yīng)力值不變,和路面實(shí)際工作狀態(tài)更為接近[3]。結(jié)合相關(guān)研究,三種處治技術(shù)的層間最大剪應(yīng)力范圍為0.45 MPa ～0.8 MPa,工程實(shí)際中層間應(yīng)力水平為0.3 MPa ～0.7 Mpa,所以采用應(yīng)力控制模式,選用0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 五個(gè)應(yīng)力水平,試驗(yàn)溫度采用25 ℃,進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試,為消除結(jié)果變異性影響,每組試件進(jìn)行4 組平行試驗(yàn)取平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同層間處治技術(shù)疲勞壽命變化

從圖5 可以看出,隨著應(yīng)力比的增加,不同層間處治技術(shù)的層間剪切疲勞壽命均出現(xiàn)減小的趨勢(shì),新型層間處治技術(shù)整體疲勞壽命高于普通碎石封層及稀漿封層,普通碎石封層疲勞壽命略高于稀漿封層,在應(yīng)力比為0.3 時(shí),新型層間處治技術(shù)疲勞壽命超過18 000 次,約高出另外兩種技術(shù)70%。隨著應(yīng)力比增大三種層間處治技術(shù)差距逐漸減小,可見應(yīng)力水平對(duì)三種技術(shù)疲勞壽命的影響較大。

3.2 不同層間處治技術(shù)剪切疲勞壽命預(yù)估模型

通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析,建立不同層間處治技術(shù)的室內(nèi)剪切疲勞方程。研究表明[4-5],在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上材料的疲勞壽命與應(yīng)力比呈線性關(guān)系。

因此,不同層間處治技術(shù)的室內(nèi)剪切疲勞方程用公式（1）來表示。

式中：lgNf為對(duì)數(shù)疲勞壽命；a 為疲勞壽命對(duì)數(shù)曲線的截距；b 為對(duì)數(shù)曲線的斜率；lgσ/s 為對(duì)數(shù)應(yīng)力比。

以25 ℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度,確定不同層間處治技術(shù)的室內(nèi)剪切疲勞方程,然后通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度的剪切疲勞方程進(jìn)行溫度修正可以得到任意溫度的剪切疲勞方程,不同層間處治技術(shù)的疲勞壽命在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上與應(yīng)力比的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 不同層間處治技術(shù)疲勞壽命與應(yīng)力比關(guān)系

采用SPSS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將25 ℃條件下不同層間處治技術(shù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命進(jìn)行線性回歸,得到不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞方程及預(yù)估模型,如表3。

表3 不同層間處治技術(shù)剪切疲勞方程及預(yù)估模型

由圖5 及表3 可以看出,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞壽命與應(yīng)力比有良好的線性關(guān)系。對(duì)剪切疲勞方程進(jìn)行變換,可以得到不同層間處治技術(shù)下的室內(nèi)剪切疲勞壽命預(yù)估模型。在不同層間處治技術(shù)所受剪應(yīng)力已知的情況下,可以通過預(yù)估模型對(duì)不同層間處治技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)剪切疲勞壽命的預(yù)估。

4 結(jié)論

本文研究了“兩油一料”新型層間處治技術(shù)、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞特性,并建立了再生瀝青路面基面層間剪切疲勞壽命預(yù)估模型。主要研究結(jié)論如下：

（1） 對(duì)比分析了“兩油一料”新型層間處治技術(shù)、普通碎石封層及稀漿封層等不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞特性,“兩油一料”新型層間處治技術(shù)性能具有最好的層間粘結(jié)強(qiáng),通過對(duì)比不同試驗(yàn)溫度下各層間處治技術(shù)的剪切強(qiáng)度,推薦各層間處治技術(shù)的試驗(yàn)和施工溫度應(yīng)控制在15 ℃～25 ℃。

（2） 研究了不同應(yīng)力水平下各層間處治技術(shù)的剪切疲勞壽命變化規(guī)律,新型層間處治技術(shù)整體疲勞壽命高于普通碎石封層及稀漿封層,在應(yīng)力比為0.3時(shí)疲勞壽命約高出另外兩種技術(shù)70%,基于試驗(yàn)結(jié)果,提出了基于工程實(shí)際的室內(nèi)層間剪切疲勞壽命預(yù)估方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同層間處治技術(shù)的剪切疲勞壽命預(yù)估。