UHPC-AC復合路面瀝青層剪應力試驗研究

聶憶華,鐘世雄,毛 惺,劉福財,肖 敏

(1.湖南科技大學 土木工程學院,湖南 湘潭 411201;2.廣東蓋特奇新材料科技有限公司,廣東 清遠 511600)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC),以超高強度、韌性和耐久性為特征,成為實現水泥基材料性能大跨越的新體系[1,2]。UHPC因其高成本,目前主要用于輕型混凝土結構或加固工程中,而道路工程結構中僅在鋼橋面鋪裝瀝青路面有成功應用[3,4]。UHPC-AC復合路面結構是將UHPC的超高性能與瀝青混凝土 (asphalt concrete,AC)行車舒適性相結合的一種新型復合式路面結構,UHPC作為下面層主要起承重作用,表面AC層則作為功能層。該結構整體強度高、壽命長、厚度薄、施工快,將是高等級道路路面結構發展方向之一。復合路面結構關鍵破壞之一是瀝青層剪切破壞,然而目前有關復合路面剪應力研究尚不多。

劉朝暉等[5-6]研究了CRC-AC連續配筋混凝土與瀝青混凝土復合式路面,用Bisar3.0軟件對標準荷載作用下該復合式路面的剪應力進行了計算分析,研發了一套CRC-AC室內壓剪試驗裝置及方法。申愛琴、王選倉等[7-8]開展了普通水泥混凝土下面層加鋪瀝青混凝土長壽命路面結構探索,利用路面層間材料多功能剪切儀,特別就層間不同接觸狀態及路面結構參數對路面剪應力的影響規律進行了深入研究。李嘉等[4,9]研究鋼橋面瀝青磨耗層與UHPC層間抗剪性能,基于剪切破壞能量分析原理,提出剪切斷裂能計算方法。以上成果為UHPC-AC新型復合路面結構剪應力研究提供了借鑒經驗。

聶憶華等[10-11]初步研究了半剛性基層UHPC-AC復合路面結構中瀝青層剪應力的變化規律及瀝青層剪應力的影響因素,提出了瀝青層最大剪應力與各結構層厚度、模量的多元線性回歸方程。本研究在此基礎上進一步考慮水平力系數、層間結合狀態等參數,分析UHPC-AC新型復合路面結構瀝青層最大剪應力的分布規律、影響因素,并進行UHPC-AC層間以及瀝青混合料60℃剪切強度試驗研究與瀝青層剪應力指標校核。

1 分析模型

研究對象半剛性基層UHPC-AC復合路面結構可簡化為圖1(a)所示雙圓均布復合負載(包括垂直、單向水平荷載)作用下N=5層彈性連續-半結合體系。結構層從上到下依次為:瀝青混凝土面層、UHPC下面層、水泥穩定碎石基層、水泥穩定土底基層、路面基礎。表1給出了該體系各層材料和結構參數。

圖1 半剛性基層UHPC-AC復合路面結構計算模型

采用Bisar3.0進行結構應力、位移計算[12]。如圖1(a)所示,X為道路橫斷面方向,Y為行車方向,Z為道路深度方向。路表垂直荷載采用軸重為100 kN的單軸-雙輪組[13],荷載計算參數見表2。單向水平荷載集度系數即水平力系數f對于一般路段車行道考慮車輛緊急制動按0.5取值,交叉口等路段考慮緩慢制動按0.2取值[14],故表2中f取值范圍設置為0～0.7即0、0.1、0.3、0.5、0.7?？紤]到路面結構和荷載的對稱性,僅選左輪側AC面層點位進行計算。在Z方向選取距路表0 cm、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm五個深度的計算面,各平面如圖1(b)按X、Y方向間隔0.5δ取49個計算點位。

表2 荷載計算參數

Bisar 3.0程序采用各單圓復合荷載在計算點處產生的柱坐標中應力和位移分量計算多圓(2個)復合荷載作用下計算點處產生的公共直角坐標中總應力和總位移分量[15]。該體系各荷載圓在其局部柱坐標中邊界條件如下:

(1) 表面應力邊界條件(z=0)

(1)

式中:在rθz圓柱坐標下,τzr1為徑向剪應力;τzθ1為切向剪應力;σz1為正應力,應力符號的下標1表示應力處于N層彈性體系的第一層;p為水平荷載集度;q為垂直荷載集度;δ為荷載圓半徑。

(2)層間結合條件(z=zi)

(2)

式中:應力或位移分量的下標i或i+1表示該應力或位移分量位于N層彈性體系的第i層或第i+1層(i=1,2,3,4);w為垂直位移,u和v為水平位移;Aki為第i層與第i+1層間彈性柔量系數,即層間相對位移與界面剪切力的比值,為層間抗剪彈性模量G的倒數[15]。

定解條件:當z趨向為無窮大時,所有的應力和位移分量均趨于零。

(3)

式中:di為層間摩擦參數;Ei和μi分別為i層的彈性模量和泊松比;Alki為簡化彈性柔量系數。

層間摩擦參數di的取值范圍為0～1:di=0時,摩擦力最大;di=1時,摩擦力為零。Bisar 3.0采用Aki或者簡化彈性柔量系數Alki表征各結構層間的結合狀態[16-17]。由式(3)可見:當Alki=0(di=0)時,層間完全連續;當Alki=100δ時,層間接近完全光滑(di≈0.99);Alki取0～100δ之間,層間處于半結合狀態。

參考國外相關試驗路段各層材料參數范圍[18],康愛紅等[19]提出的一種瀝青路面結構層最佳模量組合確定方法以及《公路瀝青路面設計規范》[13](JTG D50—2017)、《城鎮道路路面設計規范》[14](GJJ 169—2012) ,表1各結構層參數中可變量取值如下:E1=7000/8500/10000/11000/12000 MPa、E2=30000/38000/42000/46000/55000 MPa、H1=3/4/5/7/8 cm、H2=2/3/4/5/6 cm、d1=0/0.3/0.5/0.7/1;表2中水平摩擦力系數f=0/0.1/0.3/0.5/0.7;除可變量之外,表1、表2中的其余參數均固定。計算時,各可變量按如下基本值選取:E1=10000 MPa、E2=42000 MPa、H1=4 cm、H2=5 cm、d=0、f=0.5;當需要研究某一可變量例如f值對結構的力學響應影響規律時,只需改變上述值中的f取值0/0.1/0.3/0.5/0.7,其余可變量按基本值選取。

2 數據分析

2.1 沿深度分布規律

針對圖1(a)的復合式路面結構,分別計算在不同E1與H1、E2與H2、f、d下的瀝青層內最大剪應力τmax,繪制τmax隨深度分布如圖2—圖7。

圖2 不同水平力系數下最大剪應力沿深度分布規律

從圖2(a)可知,不同f取值瀝青層內最大剪應力τmax從路表起隨深度增加呈對數關系降低;τmax隨f增大而顯著增大,路表1 cm內增幅最大,隨深度增加而增幅下降。從圖2(b)可知,不同深度下τmax與f呈線性增加關系,路表增速最大,隨深度增加而增速下降;路表處,當復合荷載無水平力即f=0時,τmax為0.234 MPa,當f分別為0.3、0.5、0.7時,τmax對應為0.486 MPa、0.756 MPa、1.039 MPa,分別比f=0時增加了107.2%、222.7%、343.3%?？梢妼τ诎雱傂曰鶎覷HPC-AC復合式路面結構,f越小、其瀝青層τmax越小;水平力系數是車輛安全行駛的保障,因此在降低f的同時路表結構需保證提供足夠的抗滑性能,同時盡量避免車輛行駛過程中的緊急制動等不利因素。不同f時瀝青層內最大剪應力均出現在路表處,提高瀝青面層材料抗剪強度可預防剪切破壞。

從圖3(a)可知,UHPC-AC層間摩擦參數d不同取值下瀝青層內最大剪應力τmax從路表起隨深度增加呈對數關系降低,R2均高于0.97。從圖3(b)可知,不同深度下τmax隨d增大呈拋物線變化,R2均高于0.95;UHPC-AC層間接近完全光滑時τmax明顯大于半結合或完全連續狀態。路表處,當d=0時τmax為0.756 MPa,當d=1時τmax為0.961 MPa,增加了27.1%;當d=0.3、0.7時τmax分別為0.776 MPa、0.824 MPa,分別比d=0時增加了2.6%、9.0%?？梢妼τ诎雱傂曰鶎覷HPC-AC復合式路面結構,UHPC-AC層間結合狀態越好、其瀝青層τmax越小;UHPC-AC層間結合狀態可通過采取糙化如銑刨、刻槽、嵌石等、噴灑粘結材料如乳化瀝青、改性乳化瀝青、環氧瀝青等來改善。不同層間結合狀態下瀝青層內最大剪應力均出現在路表處,提高瀝青面層材料抗剪強度可預防剪切破壞;提高層間抗剪強度,可防止出現層間早期破損,并可在一定程度上減少路表τmax。

圖3 不同UHPC-AC層間摩擦參數下最大剪應力沿深度分布規律

從圖4可知,不同E1與H1下瀝青層內最大剪應力τmax從路表起隨深度增加呈對數關系降低,R2均高于0.97; 隨E1與H1增大反而微增大,但幅度不大。路表處當E1從7 000 MPa增加至12 000 MPa時,增加了1.0%;H1從3 cm增加至8 cm時,增加了5.4%?？梢妼τ谠搹秃鲜铰访娼Y構,通過增加E1或H1來降低瀝青層τmax效果不理想。

圖4 不同AC層模量與厚度下最大剪應力沿深度分布規律

從圖5可知,不同E2與H2下瀝青層最大剪應力τmax從路表起隨深度增加呈對數關系降低,R2均高于0.97; 隨E2與H2增大而微減少,幅度不明顯。路表處當E2從30 000 MPa增加至55 000 MPa時,減少了1.4%;H2從2 cm增加至6 cm時,減少了1.3%?？梢妼τ谠搹秃鲜铰访娼Y構,通過改變E2或H2來減少瀝青層τmax,效果不明顯。

圖5 不同UHPC層模量和厚度下最大剪應力沿深度分布規律

以上分析可知瀝青層τmax最大的影響因素是水平力系數f,其次是UHPC-AC層間摩擦參數d。

2.2 計算面τmax坐標分布規律

通過計算可得到不同深度處49個計算點中出現最大剪應力τmax的點位坐標。

路表處最大剪應力除了f=0出現在(2.5δ,0,0)外,其余均出現在(1.5δ,±δ,0)處。

1 cm深度處最大剪應力大多數出現在(2.5δ,0,1)處;E1為7 000 MPa、8 500 MPa時出現在(δ,±0.5δ,1)處,11 000 MPa、12 000 MPa時出現在(2.5δ,0,1)處;H1為3 cm和E2為55 000 MPa時,出現在(δ,±0.5δ,1)處;f=0.7時出現在(δ,0,1)處;d=0.3、0.7時出現在(δ,0,1)處。

2 cm深度處最大剪應力大多數出現在坐標(2.5δ,0,2)處;E1為7 000 MPa、8 500 MPa時出現在(δ,0,2)處;f=0時出現在(2δ,±0.5δ,2)處,f=0.7時出現在(1.5δ,0,2)處;d=0.3、0.7時分別出現在(δ,0,2)、(δ,±0.5δ,2)處。

3 cm深度處最大剪應力大多數出現在坐標(2.5δ,0,3)處;f=0時出現在(2δ,±0.5δ,3)處,f=0.7時出現在(1.5δ,0,3)處;d=0.3、0.7時出現在(δ,0,3),d=1.0時出現在(δ,±0.5δ,3)處。

4 cm深度處d=0時的最大剪應力全部出現在坐標(2.5δ,0,4)處;當d=0.3、0.7、1.0時分別出現在(2δ,0,4)、(δ,±0.5δ,4)、(2.5δ,±0.5δ,4)處。

以上分析表明,路表τmax發生在(1.5δ,±δ,0)處,其它z=1/2/3/4 cm處,絕大部分τmax出現在(2.5δ,0,z)處,個別因d、f、E1或H1、E2的不同出現在其它點位。

2.3 計算面剪應力值分布規律

根據計算數據利用origin繪出改變f值或d值時瀝青層不同深度計算面剪應力值分布三維圖如圖6、圖7。

圖6 不同水平力系數下剪應力計算面分布規律

圖7 不同UHPC-AC層間結合狀態下剪應力計算面分布規律

結合圖2和圖6分析可知,不同f下,τmax均出現在路表處。當f=0時,由路表4個峰值點增加到4 cm深度處的6個峰值點;當f=0.3、0.7時,由路表4個、3個峰值點減少到4 cm深度處的1個峰值點。表明同一深度處f越大,剪應力集中點越少,峰值越大;剪應力最大值隨深度增加而顯著減小,與2.1、2.2研究結論一致。

結合圖3和圖7分析可知,不同UHPC-AC層間結合狀態下,τmax均出現在路表處。d越小,表明層間粘結越好,層間完全連續狀態下,τmax隨深度增加集中點減少、值變小;層間接近完全光滑狀態下,τmax隨深度增加集中點多,值變大;表明d越小、τmax越小;τmax隨深度增加而顯著減小,與2.1、2.2研究結論一致。

3 UHPC-AC層間及AC層抗剪強度試驗

3.1 原材料

制備UHPC-AC復合試件瀝青層采用AC-13,由70#道路石油瀝青、石灰巖碎石、礦粉組成,油石比為5.04%,配合比設計參考規范,其各項指標均符合規范要求;UHPC材料由廣東蓋特奇新材研制和提供,主要成分為水泥、復合摻合料、石英砂、高效減水劑、碎石、鋼纖維等;層間粘結劑分別為SBS改性瀝青(用量為1.2 kg/m2)、環氧樹脂(用量為0.7 kg/m2);層間嵌石分別采用2.36 mm～4.75 mm、4.75 mm～9.50 mm、9.50 mm～13.20 mm三種粒徑的玄武巖碎石。

3.2 試件制備

澆筑4 cm厚的UHPC基板,養護28 d后清潔表面;基板分為兩組,一組按照設計用量分別在UHPC基板表面上均勻刷涂加熱至165℃的SBS改性瀝青和常溫環氧樹脂作為粘結層,另一組分別采用三種粒徑的玄武巖碎石按不同撒布量(25%、50%、75%)進行嵌石處理;采用輪碾法成型瀝青面層,自然冷卻后用鉆芯取樣法得到直徑為10 cm、高為8 cm的復合試件如圖8所示。

圖8 UHPC-AC層間復合試件

3.3 試驗方法與結果分析

抗剪強度參考規范[20]采用45°斜面剪切法。試驗設備為配套斜剪箱夾具的WDW-100E微機控制萬能試驗機,加載速度為20 mm/min。如圖9所示,分別測試60℃狀態下,嵌石處理UHPC-AC復合試件、粘結層UHPC-AC復合試件、AC-13試件以及SMA-13試件的抗剪強度。試驗結果如表3所示。

表3 抗剪強度試驗結果

試驗結果表明,粘結層UHPC-AC層間抗剪強度采用環氧樹脂比SBS改性瀝青可提高64%,但成本較高;通過嵌石處理UHPC-AC層間抗剪強度較噴灑粘結層大大提高,通過碎石的嵌擠作用提高了層間抗剪模量G、降低了Alk值和d值,改善了層間結合狀態;隨著嵌石粒徑和撒布量的增大,層間抗剪強度增大;瀝青混合料SMA-13采用了SBS改性瀝青,較采用普通瀝青的AC-13瀝青混合料抗剪強度提高了37%。

3.4 復合路面瀝青層剪應力指標校核

對于最不利條件下的剪應力計算時瀝青層表面溫度為60℃、中下層溫度在40℃～50℃范圍。因此瀝青面層模量應采用不同溫度條件下動態壓縮模量,但不同溫度下的模量應用給計算帶來了較大的麻煩。通過前述計算分析可知τmax隨E1減小反而微減小,對剪應力指標校核影響較小。為了方便設計應用,瀝青面層模量計算時采用20℃條件下動態壓縮模量。針對H1=4 cm的復合路面結構在不同非基本可變量參數下,路表或層間τmax出現的位置如表4。其中路表處均出現在前后輪緣中點位置,層間處除了d=1外均出現在外輪緣中點位置。

表4 不同非基本可變量參數復合路面結構路表或層間最大剪應力值與點位

容許剪應力采用瀝青混合料或層間抗剪強度τs除以路面結構安全系數Kr得到,其中瀝青面層材料抗剪強度采用60℃狀態下,因此瀝青層不發生剪切破壞的判定條件為[14]:

τmax≤τR=τs/Kr

(4)

式中:τmax為瀝青層內最大剪應力,MPa;τR為瀝青混合料或層間的容許剪應力,MPa;τs為試驗測定的瀝青混合料或層間抗剪強度,MPa;Kr為路面抗剪強度結構系數。

對交叉口和公交停車站緩慢制動路段:

(5)

對一般行駛路段:

Kr=1.2/Ac

(6)

式中:Ac為道路等級系數,快速路、主干路為1.0,次干路為1.1,支路為1.2;Np為公交停車站或交叉口設計年限內同一位置停車的累計當量軸次。

表4中f=0.7、其余可變量按基本值選取時,路表τmax為1.039 MPa,按主干路一般行駛路段計算Kr為1.2則τmax·Kr=1.25 MPa,因此AC-13抗剪強度滿足主干路一般行駛路段路表抵抗剪切破壞要求;層間τmax為0.412 MPa,τmax·Kr=0.494 MPa,因此嵌石處理層間抗剪強度滿足主干路一般行駛路段層間抵抗剪切破壞要求。

表4中f=0.3、其余可變量同上時,路表τmax為0.486 MPa,按主干路大型交叉口累計當量軸次3.78×106計算[14]Kr為3.78則τmax·Kr=1.84 MPa,因此該主干路大型交叉口處緩慢制動路段宜采用SMA-13來滿足抵抗剪切疲勞破壞要求;層間τmax為0.298 MPa,τmax·Kr=1.126 MPa,因此嵌石處理層間抗剪強度滿足該主干路大型交叉口處緩慢制動路段層間抵抗剪切疲勞破壞要求。

表4中d=1、其余可變量按基本值選取時(其中f=0.5),層間τmax為0.437 MPa,按主干路一般行駛路段計算Kr為1.2則τmax·Kr=0.524 MPa,若采用粘結層處理層間抗剪強度不能滿足該主干路一般行駛路段層間抵抗剪切破壞要求,造成層間局部剪切破損,因此層間摩擦參數d較好地模擬了UHPC-AC層間結合狀態,此時,路表τmax為0.961 MPa,與f=0.7時的路表τmax接近;因此UHPC-AC復合路面施工時可采取嵌石處理改善層間結合狀態,防止出現層間早期破損、同時降低路表最大剪應力。

4 結 論

對于半剛性基層UHPC-AC復合路面結構,瀝青層內剪應力試驗研究結論如下:

(1) 在不同水平力系數、UHPC-AC層間結合狀態、瀝青層厚度或模量、UHPC層厚度或模量下,瀝青層內最大剪應力均出現在路表,隨深度增加均呈對數關系減小。

(2) 瀝青層最大剪應力位置在路表處基本上出現在(1.5δ,±δ,0)處,其它不同深度(1 cm～4 cm)處,絕大部分出現在(2.5δ,0,z)處,個別因UHPC-AC層間結合狀態、水平力系數、瀝青層模量或厚度、UHPC層模量的不同出現在其它點位。

(3) 瀝青層內最大剪應力隨水平力系數增大呈線性增大,隨UHPC-AC層間摩擦參數增大呈拋物線變化,隨UHPC層、瀝青層厚度與模量變化而微變化?？赏ㄟ^控制UHPC-AC層間處于完全連續狀態有效減少瀝青層最大剪應力。

(4) 斜面剪切試驗結果表明嵌石處理層間抗剪強度較噴灑粘結層明顯提高,且隨嵌石粒徑、撒布量增大而增大;SMA-13瀝青混合料抗剪強度較AC-13提高37%。UHPC-AC復合路面瀝青層剪應力指標校核說明瀝青面層不會發生早期層間破損以及路表剪切疲勞破壞。