差异改性沥青路面层间抗剪强度影响研究

来源:用户上传      作者:王小庆 展洪斌

　　摘   要：为了提高沥青路面的使用性能，本文主要对沥青路面层间抗剪强度的影响因素进行研究，主要分为温度、湿度、道路线型对沥青路面的层间抗剪强度的影响规律，通过数值模拟、试验研究得到：环境温度为30℃～60℃作用下的沥青路面层间抗剪强度，层间抗剪强度随着环境温度的升高而呈现减小的趋势，在40℃、60℃的转折点下速率变化较快，横向剪应力随着路面坡度从0°～5°逐渐增大，在3%时发生转折。分析了四种粘层材料作用下的层间抗剪强度，并进行优劣排序：SBS改性沥青、液体沥青、乳化沥青以及90号基质沥青。并且对应相应的影响，从差异改性沥青角度给出了解决措施。
　　关键词：差异改性  层间抗剪强度  沥青路面  粘层
　　中图分类号：U416. 217                            文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）05（a）-0050-03
　　Abstract： in order to improve the performance of asphalt pavement， this paper mainly studies the influencing factors of the interlaminar shear strength of asphalt pavement， mainly including the influence law of temperature， humidity and road line type on the interlaminar shear strength of asphalt pavement. Through numerical simulation and experimental research， it can be concluded that the interlaminar shear strength and interlaminar shear strength of asphalt pavement under the action of environmental temperature of 30-60 ℃ The degree decreases with the increase of ambient temperature， and the rate changes rapidly at the turning point of 40 ℃ and 60 ℃. The transverse shear stress increases gradually with the road slope from 0-5 ° and turns at 3%. This paper analyzes the interlaminar shear strength under the action of four kinds of bonding materials， and sorts the advantages and disadvantages： SBS modified asphalt， liquid asphalt， emulsified asphalt and 90 matrix asphalt. And corresponding to the corresponding impact， from the point of view of different modified asphalt， the solutions are given.
　　Key Words： Differential modification; Interlaminar shear strength; Asphalt pavement; Tack coat
　　沥青路面作为我国道路路面的主要形式，具有表面平整、行车舒适、耐磨性好及施工、养护简便等优点，因此在道路应用中越来越广泛。但是由于我国高速公路建设起步较晚，发展相对迟缓以及交管运营不完善等原因，导致沥青路面出现较多的病害，其中层间剪切破坏表现得尤为突出。沥青路面层间剪切破坏问题一直是国内外相关专家学者研究的重点，目前改性沥青是增强层间剪切性能、提高路面使用寿命的有效措施。这里主要研究差异改性沥青路面层间抗剪强度影响因素，从而有效的控制沥青路面的层间剪切性能。然而，由于道路所处自然环境的不同以及各国路面设计理念及施工方法存有差异，导致沥青路面层间抗剪强度的研究存有一定的不足，因此，关于差异改性沥青路面层间抗剪强度理论与试验研究，对沥青路面设计和施工具有十分重要的理论与实践意义。
　　1  影响因素分析
　　1.1 温度
　　众所周知，沥青路面层间粘层材料和沥青混合料都属于粘弹性材料，二者对外界温度的变化均表现出强烈的敏感性，并且不同品种、不同标号的沥青和粘层材料对温度的敏感性往往会有很大的差别，尤其是在高温季节，沥青粘度会随着外界气温的升高而逐渐降低，致使沥青自身发生软化，稳定性急剧降低，从而导致沥青路面整体稳定性发生变化。与此同时，作为同类感温材料的粘层材料也会产生同样的力学响应，继而对沥青路面层间抗剪强度产生较大的影响。为了清晰的分析温度对层间抗剪强度的影响，通过有限元模拟软件计算了30℃～60℃时的沥青路面层间抗剪强度，结果见图1。
　　沥青混合料具有典型的孰弹性特性，其力学性能指标与温度密切相关。低温时，回弹模量较大，而随着温度的升高，塑性变形显著增大，抗变形能力降低。分别计算30℃～60℃情况下路面的层间抗剪强度，从图1看出，温度升高，面层最大横向剪应力随这温度升高而增大，60℃抗剪强度约为30℃时抗剪强度的4.24倍。对比剪应力与剪应变的变化发现，剪应变的增长幅度明显大于剪应力，这是因为温度升高，沥青混合料模量减小，抵抗变形的能力下降，相同的应力水平下，变形增大[1]。由此可见，温度不仅对剪应力有影响，而且会使沥青混合料的力学特性发生改变，导致面层抗剪能力急剧衰减，从而加速车辙的产生。 　　1.2 道路线型
　　沥青路面层间剪切破坏程度，将随着该破坏路段所处的地理位置发生变化，尤其在长大纵坡路段表现得尤为明显，这说明车辆荷载对沥青路面层间产生剪切破坏程度，受该路面自身纵坡坡度的影响较大，为充分探究纵坡坡度对沥青路面层间抗剪强度的影响，本研究模拟沥青路面实际的纵坡状况，道路坡度变化会对沥青面层剪应力和路面材料性能产生直接影响。通过开展纵坡路段沥青路面结构及材料设计的研究，可逆向为今后公路施工提供必要的技术参考[2]。在纵坡路段沥青路面中，相对于剪应力水平的增幅，剪应变水平的增加幅度大得多。即車辆荷载相同时，纵坡路段与平坡路段上沥青路面结构的主要差异表现为沥青路面的变形差异，车辆荷载增大时这种差异会更大。
　　从图2可以看出，纵坡在3%以下时对层间剪应力影响很小，但当坡度达到3%时，剪应力增大到0.3MPa，纵坡达到5%时，剪应力达到0.35MPa。这是因为车辆在上坡行驶过程中，为了克服阻力，司机一般采取动力上坡的方式。当车辆慢速行驶时，轮胎与路面之间的水平荷载增大，故应提高纵坡路段沥青路面中面层的抗剪强度。应力随坡度的变化呈良好的线性关系，对于结果分析结合实际路面情况可知，车辆的变速超载、重载对长大纵坡沥青路面破坏极为严重。
　　1.3 粘层油
　　不同的粘层油洒布量以及粘层油种类都会对层间界面特性会产生较大影响。沥青路面在层间接触良好的状况下，粘层材料与集料的抗剪强度成为沥青路面层间不发生剪切破坏的重要保障，其大小主要由处在熔融状态下的粘层油与固体集料表面发生接触时的接触角以及粘层材料自身的表面张力决定。根据前期大量的研究，90号基质沥青、液体沥青、SBS改性沥青以及乳化沥青的最佳洒布量分别为1.2kg/m2、1.1kg/m2、1kg/m2和0.8kg/m2[3]。为了研究不同粘层材料作用下层间界面特性的影响，分别选用四种沥青作为粘层材料，得到了不同粘层材料作用下沥青路面层间抗剪强度，结果见图3。
　　在粘层材料作用后，其层间抗剪强度均产生了不同幅度的提高，说明粘层材料的洒布，能够有效的抵抗沥青路面层间剪切破坏，继而增强沥青路面的层间抗剪强度。对于同一级配组合类型的沥青路面结构层[4]，其层间抗剪强度随着粘层材料类型的不同而表现出明显的差异性，其中洒布SBS改性沥青的路面层间抗剪强度表现最优，其次，依次为液体沥青、乳化沥青、基质沥青，这也直接说明了粘层材料自身的特性，对沥青路面层间抗剪强度产生重要的影响。
　　2  差异改性措施
　　根据上述分析可知，增加沥青路面的层间剪切性能就必须选用合适的改性沥青，而改性沥青的选用，需要从高温的耐用性、道路线型的特殊性、粘层材料的粘结性能等方面进行综合考虑。对于炎热地区，尽量选择SBS改性沥青等对于温度变化较为不“敏感”的改性沥青材料，对于坡度大于3%的长大纵坡、转弯半径较小等特殊性路段，应采取多层改性沥青组合形式，并且选用效果较好的SBS改性沥青、液体沥青作为粘层材料组合类型，以增强沥青路面的层间抗剪强度，提高沥青路面的使用寿命。
　　3  结语
　　本文主要针对沥青路面的层间抗剪强度的影响因素进行分析，通过数值模拟软件计算出环境温度为30℃～60℃作用下的沥青路面层间抗剪强度，层间抗剪强度随着环境温度的升高而呈现减小的趋势，在40℃、60℃的转折点下速率变化较快，横向剪应力随着路面坡度从0°～5°逐渐增大，在3%时发生转折。分析了四种粘层材料作用下的层间抗剪强度，并进行优劣排序：SBS改性沥青、液体沥青、乳化沥青以及90号基质沥青。最终，针对影响沥青路面层间抗剪强度的因素研究，提出了沥青路面的差异改性措施，为指导实际工程施工提供了参考依据。
　　参考文献
　　[1] 吴少鹏，王家主，陈太泉.长大纵坡沥青路面应力分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2006（6）：969-972.
　　[2] 朱俊，雷茂锦，张航，等.基于层间剪切的沥青路面粘层力学性能研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2013，37（4）：775-779.
　　[3] 毛昱.沥青路面层间抗剪强度理论与试验研究[D].兰州理工大学，2018.
　　[4] 安改俊.纵坡路段沥青路面材料组成与结构设计[J].交通世界，2018（20）：34-35.
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