界面糙化對剛柔復合式路面剪切強度的影響

唐艷華,聶憶華,毛 惺,劉福財

(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)

0 引 言

目前,瀝青路面在國內外通車里程達到了96%以上,近年來高性能混凝土發展迅猛,在高性能混凝土上面鋪筑瀝青混合料,屬于剛柔復合式路面結構,與國內普通水泥路面加鋪瀝青層(白改黑)具有相似的力學特性。而目前國內外針對水泥混凝土路面上加鋪瀝青混合料這種剛柔復合式路面結構的層間黏結性能的研究已取得眾多成果。長安大學任萬艷[1]團隊研究水泥混凝土不同的界面糙化類型對剛柔復合式路面層間抗剪性能的影響,西南交通大學李一鳴[2]團隊研究了剛柔復合式路面結構基層面層處理技術中包括SBS改性瀝青碎石層和乳化瀝青碎石層的同步碎石封層對層間粘結強度的影響,長沙理工大學柳力[3]團隊提出了加鋪抗裂層、浸漬土工布等方法,以提高剛柔復合式路面層間的抗裂性能。

上述各團隊研究了層間受力性能受各種不同的層間處理方式的影響。而現階段評價層間的力學性能的兩項基本指標分別為層間的剪切強度及拉拔強度。但復合試件在拉拔試驗中多數在瀝青混合料試件內部發生破壞,所以用剪切強度評價復合試件層間力學特性更具有代表性[4]。而就剪切試驗而言,45°的斜剪試驗更能準確地反映路面的實際受力情況。為評價高性能混凝土上鋪設瀝青混合料的層間抗剪性能,基于已有研究基礎,通過室內試驗的形式,以撒布不同粒徑及撒布量的碎石來構造不同糙化程度的界面的方式,開展復合試件層間在45°斜剪試驗下的剪切強度的試驗研究,以期為類似剛柔復合式路面的層間設計及施工提供參考。

1 界面糙化試驗設計

1.1 試件原材料

(1)高性能混凝土原材料。

采用C120強度等級混凝土,基體組成成分包括:①水泥:產自廣州的越秀牌P·O 42.5R;②復合摻合料:產自廣東道明鐵路器材有限公司,28 d活性指數大于110%;③石英砂:產自佛岡,細度模數2.0～2.2;④碎石:產自佛岡,壓碎值不大于10%;⑤外加劑:產自廣東道明鐵路器材有限公司,減水率大于30%;⑥鋼纖維:產自湖州,抗拉強度大于2 850 MPa。按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420-2020)[5]中相關試驗要求拌和、成型并養護立方體試塊,得到7 d和28 d的立方體抗壓強度分別為98 MPa、123 MPa。

(2)瀝青混合料。

瀝青面層采用AC-13級配,原料為道路石油瀝青、石灰巖碎石、礦粉,設計油石比為5.04%,瀝青混合料配合比設計主要按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[6]進行。

(3)嵌石材料。

嵌石材料為玄武巖,篩分出的2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種粒徑的玄武巖,如圖1所示。

圖1 三種粒徑的玄武巖碎石

1.2 試件制備及層間處理

試驗中復合試件的成型方法采用馬歇爾擊實法,試件的尺寸為:h=4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm瀝青混合料,Φ=101.6 mm。

復合試件的成型步驟為:①制備高性能混凝土塊,將混凝土裝入馬歇爾套筒內成型4 cm的高度;②將2.35～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種粒徑的玄武巖碎石分別按照25%、50%、75%的撒布量嵌入澆筑好的高性能混凝土界面上,碎石構造深度為粒徑的2/5～3/5;嵌石后的高性能混凝土試件見圖2(a)、(b)、(c);③在嵌好碎石的高性能混凝土試塊上覆蓋薄膜紙常溫下養護48 h;④利用馬歇爾擊實儀,在嵌有碎石的高性能混凝土界面上擊實瀝青混合料,成型復合試件。12 h之后脫模即可進行斜剪試驗,脫模后的復合試件見圖2(d),每組3個平行試件。

圖2 撒布碎石的混凝土試件及成型的復合試件

1.3 試驗內容及控制

(1)試驗方案及試驗內容。

在常溫狀態(25 ℃)下,開展4 cm高性能混凝土+嵌石糙化+4 cm瀝青混合料復合試件層間45°斜剪強度試驗,探究不同碎石粒徑、撒布面積對層間剪切性能的影響。放置試件的過程中,需要控制復合試件的層間位于上、下斜剪夾具的空隙中部,從而保證層間的剪切受力。試驗過程中,施加的豎向力F模擬行車荷載,其沿復合試件層間的水平分力使得上、下面層產生剪切錯動而破壞。試驗采用控制位移的加載模式,加載速度為10 mm/min,試件破壞后在試驗力達到峰值的20%時即停止加載。試驗完成后記錄峰值力及荷載力-位移曲線,并認真觀察剪切破壞面、拍照記錄。

試件層間剪切破壞的抗剪強度計算公式如公式(1)所示:

(1)

式中:τ為層間剪切強度,MPa;F為試驗峰值力,N;α為45°;A為粘結面面積,mm2。

(2)試驗設備與數據采集。

試驗機采用WDW-100E微機控制電子萬能試驗機,可以通過控制系統控制驅動和測量系統對置于45°斜剪夾具中的試塊進行試驗,并得到峰值力與位移的關系圖。

2 試驗結果及分析

復合試件層間剪切強度試驗結果如表1、圖3所示。

表1 剪切實驗結果

圖3 不同粒徑的嵌石不同撒布量下層間抗剪強度

由剪切破壞面可知,(1)剪切破壞均出現在層間位置,說明試件層間是脆弱面;(2)破壞面呈凹凸不平狀。這是因為在嵌石界面上,原嵌在高性能混凝土界面上的玄武巖碎石,在經過馬歇爾擊實儀擊實瀝青混合料后,絕大部分都嵌入了瀝青混合料內。在斜剪試驗時碎石參與受力,在層間發生剪切破壞時,碎石剝落到上面層瀝青混合料內,同時在混凝土界面上也黏附有部分瀝青混合料,這說明嵌石處理對復合試件層間黏附狀態影響較大。

2.1 碎石粒徑對層間抗剪強度的影響

由圖3數據可知,在采用2.36～4.75 mm、4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm三種碎石粒徑時,層間剪切強度的規律是:抗剪強度隨著嵌石粒徑的增大而增大。原因是在采用嵌石處理層間界面時,玄武巖嵌固于瀝青混合料上面層內一定深度,在斜剪試驗時,玄武巖碎石相當于栓釘作用,增大了層間剪切強度,碎石粒徑越大層間抗剪強度越大。

2.2 碎石撒布面積對層間抗剪強度的影響

在25%、50%、75%三種碎石撒布面積下,復合試件層間抗剪強度隨著撒布面積的增大而增大。不同撒布量的抗剪強度的關系是:粒徑為2.36～4.75 mm時,50%、75%的撒布量下的抗剪強度相對于25%的撒布量分別增加了30.85%、47.69%;粒徑為4.75～9.5 mm時,50%、75%的撒布量下的抗剪強度相對于25%的撒布量分別增加了11.71%、27.08%;粒徑為9.5～13.2 mm時,50%、75%的撒布量下的抗剪強度相對于25%的撒布量分別增加了53.84%、54.19%。這說明嵌石處理在復合試件層間構建了宏觀與細觀的嵌鎖結構,在一定范圍內,隨著碎石撒布面積增大,嵌石提供的摩阻力也增大,從而提高了層間的抗剪能力。

3 結 論

(1)由試驗可知,將“嵌石”這一界面糙化方式運用到復合式路面的層間構造時,在一定范圍內,層間的抗剪強度隨著嵌石粒徑的增大而增大。

(2)當具體選擇一種碎石粒徑時,層間的抗剪強度隨著選定的碎石撒布面積的增大而增大。

(3)當選擇9.5～13.2 mm及75%撒布面積的糙化界面時,層間的抗剪強度為5.682 MPa,比粒徑為2.36～4.75 mm時25%撒布面積下的層間抗剪強度1.277 MPa提高了344.95%,這顯著提高了剛柔復合式路面結構層間的抗剪能力,為以界面糙化的方式來提高剛柔復合式路面層間抗剪強度的設計提供了一定的參考依據。