水泥混凝土路面沥青混凝土功能层剪切变形性能.pdf

第 1 8 卷第 3期 2 0 1 5年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATE RI A LS V0 1 1 8 NO 3 J u n ， 2 0 1 5 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 4 1 5 0 6 水泥 混凝土路面沥青混凝土功 能层 剪切变形性能 何 锐 ， 陈拴发 ， 胡 苗 ， 陈华鑫 ， 盛燕萍 ( 1 长安大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ； 3 广西交通科学研究院 广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 5 3 0 0 0 7 ； 4 长安大学 公路学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要：为了防止水泥混凝土路 面沥青混凝土功能层在车辆荷栽作用下发生剪切破坏或过 大的永久 变形， 采用 自主开发的沥青混凝土功能层 累积 变形测试装置， 对沥青混凝 土功能层在 重复荷栽作 用下 的剪切 变形性 能进行 了研 究 ， 并采 用灰 关联 分 析理 论 对其 影 响 因素 进行 了分 析 结 果表 明 ： 沥 青混凝土功能层累积变形测试装置能较好模拟沥青混凝土功能层实际受力状态， 在重复荷载作用 下 ， 该 功 能层 的 累积 变形 均 呈对数 增 长 ， 试 件 一侧 产 生 明 显 的 累积 变形 ； 累积 变 形在 3 0 mm 以 下 的试件 ， 只是发 生 了变形 、 翘 曲等现 象 ， 而发 生 内部压碎 、 断裂 的试件 ， 累积 变形 均 在 3 5 mm 以上 ； 沥青混凝土功能层 累积变形受沥青用量的影响最大， 其次是矿料级配， 空隙率影响最 小； 试验前后 试件的侧向挤出变形大于压密作用导致的试件体积 减小的变形， 沥青混凝土功能层 产生累积变形 的 主要 原 因是接 缝 处面板 的剪切推 挤作 用 ， 而非压 密作 用 关键 词 ：道路 工程 ；水 泥混凝 土路 面 ；功能层 ；重复荷 载 ；剪切 变形 中图分 类 号 ： U4 1 6 2 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 3 0 1 0 S h e a r i n g De f o r ma t i o n Pe r f o r ma n c e o f As ph a l t Co n c r e t e Fu nc t i o n La y e r i n Ce me n t Co n c r e t e Pa v e me nt HERu i t ， C HE N S h u a n f a 。 ， HUM n 0 ， C HE N Hu a x i n ， S HENG Y a n p i n g ， 。 ( 1 I S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 6 1 ，Ch i n a ； 2 E n g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n f o r Tr a n s p o r t a t i o n M a t e r i a l s ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 6 1， Ch i n a ；3 Ke y La b o r a t o r y o f Ro a d S t r u c t u r e a n d M a t e r i a l s o f Gu a n g x i Pr o v i n c e ， Gu a n g x i Tr a n s p 0 r t a t i 0 n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 7 ，Ch i n a ；4 S c h o o l o f Hi g h wa y，Ch a n g a n Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 6 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To p r e v e n t s h e a r f r a c t u r e o r e x c e s s i v e p e r ma n e n t d e f o r ma t i o n o f t h e a s p h a l t c o n c r e t e f u n c t i o n l a y e r i n c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t u n d e r v e h i c l e l o a d s ，t h e s e l f d e v e l o p e d a c c u mu l a t i v e d e f o r ma t i o n t e s t d e v i c e wa s a d o p t e d t o s t u d y t h e s h e a r i n g d e f o r ma t i o n p r o p e r t i e s o f f u n c t i o n l a y e r a s p h a l t c o n c r e t e u n d e r r e pe a t e d l o a d s Th e i n f l u e nc e f a c t o r s o f p e r ma ne nt d e f o r ma t i on we r e a na l y z e d us i n g g r e y r e l a t i o n a na l y s i s Re s u l t s s h o w t h a t t h e a c c u mu l a t e d d e f o r ma t i o n t e s t d e v i c e o f f u n c t i o n a l l a y e r c a n s i mu l a t e t h e p r a c t i c a l s t r e s s s t a t e o f f u n c t i o n l a y e r r e a s o n a b l y a n d t h e c u mu l a t i v e d e f o r ma t i o n o f f u n c t i o n l a y e r r i s e s i n t h e f o r m o f 1 o g a r i t h mi c c u r v e De f o r ma t i o n a n d wa r p i n g h a p p e n t o t h e s p e c i me n s wh e n t h e c u mu l a t i v e d e f o r ma t i o n i s s ma l l e r t h a n 3 0 mm ，wh i l e c r u s h i n g a n d f r a c t u r e a r e g e n e r a t e d i n t h e s p e c i me n s wi t h t h e c u mu l a t i v e d e f o r ma t i o n i s l a r g e r t h a n 3 5 mm As p h a l t c o n t e n t h a s t h e mo s t i mp o r t a n t e f f e c t o n t h e a c c u mu l a t e d 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 1 0 3 ；修订 日期 ； 2 0 1 4 - 0 2 2 0 基金项 目： 交通运输部西部交通建设科技项 目( 2 0 0 6 3 1 8 0 0 0 0 5 ) I 国家 自然科 学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 0 4 7 ， 5 1 2 0 8 0 4 6 ) ； 教育部博士点基金 资 助项 目( 2 0 1 3 0 2 0 5 1 1 0 0 1 3 ) ； 中国博士后基金资助项 目( 2 0 1 3 M5 3 2 0 0 5 ， 2 0 1 4 M5 5 2 3 9 7 ) 长安大学 中央高校 基本科 研业务 费专项 资金 资助项 目 ( 2 0 1 3 G 3 3 1 2 0 1 8 ， 2 0 1 4 G1 3 1 1 0 8 1 ) ； 河北省交通科技项 目( T - 2 0 1 2 1 0 7 ， Y - 2 0 1 2 0 1 4 ) 第一作者： 何锐( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 湖北襄 阳人 ， 长安大学讲师 ， 博士 E ma i l ： h e r u i a 1 6 3 t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 6 建筑材料学报 第 1 8 卷 d e f o r ma t i o n o f a s p h a l t c o n c r e t e f u n c t i o n l a y e r ，f o l l o we d b y a g g r e g a t e g r a d a t i o n a n d v o i d r a t i o Th e l a t e r a l e x t r u s i o n d e f o r ma t i o n o f t h e s p e c i me n i s g r e a t e r t h a n t h e d e c r e a s e o f v o l u me d u e t o c o mp a c t i o n e f f e c t The r e f o r e t h e ma i n r e a s o n o f t he a c c u mu l a t e d d e f o r ma t i o n 0 f a s p h a l t c o n c r e t e f u n c t i o n l a y e r i s t h e s h e a r - i n g a c t i o n o f t h e p a n e l n e a r t h e j o i n t ，r a t h e r t h a n t h e c o mp a c t i o n e f f e c t Ke y wo r d s ：r o a d e n g i n e e r i n g；c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ；f u n c t i o n l a y e r ；r e p e a t e d l o a d ；s h e a r d e f o r ma t i o n 与沥青路面相 比， 水泥混凝 土路面具有 承载力 大 、 稳定性好 、 造价低 、 对交通等级和环境适应性强 等优点 ， 但是 ， 中国早期修建的水泥混凝土路面普遍 存在着使用寿命远低于设计使用年限的现象 1 研 究表明， 水泥混凝土路面的早期破坏主要 是 由于基 层的不均匀支撑及面板与基层之 间的不 良接触所引 起 在 水 泥混 凝 土面板 和基 层 之 间设 置 沥青 混凝 土功能层( 简称功能层) 以后 ， 不仅可 以有效改善水 泥混凝土路面的层 间接触状况 ， 还能减少基层冲刷 ， 有效延长基层使用寿命 同时 ， 水泥混凝土面板下 的 柔性功能层可以起到很好 的弹性缓冲作用 ， 有效缓 解轮载传递 来 的动 态 冲击 ， 起保 护 面层 和基层 的 作用 鉴于以上原 因， 研究人员对设置功能层 的水泥 研究 ， 并铺筑 了试验路 ， 但是 ， 关于功能层沥青混凝 土剪切变形性 能的研究仍鲜有 涉及 5 研究表 明， 在车辆荷载作用下 ， 功能层 内部将产生较大的剪应 力 因此 ， 为防止功能层发生剪切破坏或过大的永久 变形 ， 需要对其沥青混凝土 的剪切变形性能进行验 证 本文采用 自主开发的功能层累积变形测试装置 ， 对功 能 层沥青 混凝 土在重 复荷 载作 用 下 的剪 切变 形 性能进行了研究， 并根据灰关联理论对其影 响因素 进行了定量分析 1 原材 料与试验方法 1 1 原材 料 采用 S K 一 9 0基质沥青 ， 其技术指标如表 1所示 ； 集料采用玄武岩 ； 矿粉采用石灰岩磨制的石粉 矿料 混凝 土路面力学特征和结构设计方法等进行 了系统 的物理性能指标见表 2 裘 1 沥青 的技术指标 Ta b l e 1 P r o p e r t i e s o f a s p h a l t 表 2 矿料的物理性能指标 Ta b l e 2 P h y s i c a l p r o pe r t i e s o f t h e mi n e r a l a g g r e g a t e s 范 围， 选 用 3种 沥青混 凝土 AC - 1 6 ， AC 一 1 3和 Ac 一 1 O作为功能层材料 进行试 验 ， 所 采用 的级 配如表 3所示 采 用 马 歇 尔 试 验 确定 3种 级 配 的最 佳 油 石 比( 质量分数 ) 分别 为 4 2 ， 4 8 和 5 0 为 了 分 析 不 同级 配 与沥 青 用 量 对 功 能 层 沥 青 混 凝 土 累 积变形 的影 响 ， 在最 佳沥青 用量 的基础 上变 换沥 青用量 0 4 ( 质 量 分数 ) ， 分 别进 行 了 3组 对 比 根据国内外现有研究成果 ， 参照规范中各级 配 试验 表 3试验用矿料级配 T a b l e 3 Gr a d a t i o n o ft h emi n e r a l a g g r e g a t e s 1 2 试 验 方法 由于 功能 层设 置于 水泥 混凝 土 路面 板与 基 层 之 间 ， 不直接承受行车荷载的碾压和冲击作用 ， 也没有 暴露在大气之中受外界温度和环境 的直接影响 因 7 5 8 4 1 7 。 ； 2 5 4 如 0 4 1 掩 1 2 4 诣 9 5 O 的 化 6 6 8 他 1 5 O 呱 2 O O 0 O O O O O m ： 2 玛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 0 建筑材料学报 第 1 8 卷 生塑性压密变形 ； 当重 复荷载作 用次数大 于 3 0 0 0 次时 ， 永久 变形 处 于稳 定增长 阶 段 ， 功 能层 产 生相 对 稳 定 发展 的剪 切变 形 ( 2 ) 在重复荷载作用下 ， 试件 的一侧产生明显 的 累积变形 ， 并且有可能发生断裂或压碎破坏 对于累 积变 形在 3 0 ml T l 以下 的试 件 ， 只发 生 了变形 、 翘 曲 等现象 ， 而发生 内部压碎 、 断裂 的试件 ， 累积变形均 在 3 5 1T i m 以上 为控制功 能层 的剪切变形性能并 便于工程设计 ， 建议将 3 5 mm 确定为其在本文试 验条件下累积变形的最大限值 ( 3 ) 功能层累积变形受沥青用量 的影响最大， 其 次是矿料级配， 空隙率影响最小 为防止功能层累积 变形过大而造成水泥 面板底部脱空 ， 应在满足水稳 定性能的基础上 ， 使用略低 于马歇尔试验方法确定 的最佳沥青用量 ( 4 ) 试件的侧向挤出变形大于压密作用导致 的 试件体积减小的变形 ， 说明功能层产生 累积变形的 主要原因是接缝处面板的剪切推挤作用 ， 而非压密 作用 为了保证功能层获得较强的抗变形能力， 提高 路面结构的耐久性 ， 应提高该功能层沥青混凝土 的 抗剪 强度 参考 文 献 ： 1 葛折圣 。 张卫 军 旧水 泥混凝 土路 面沥青 加铺 层的力 学分 析 口 长安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 6 ) ； 2 3 2 6 GE Z h e s h e n g 。 Z HANG We ij u n Me c h a n i c p r o p e r t y o f a s p h a l t c o n c r e t e o v e r l a y o n o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t J J o u r n a l o fCh a n g a n Uni v e r s i t y： Na t u r a l Sc i e nc e， 2 0 0 6， 2 6( 6 )： 2 3 2 6 ( i n Ch i n e s e ) 2 孙萌 设层问功能层 的水泥混凝 土路面面层 应力分析 D 西 安 ： 长安大学 ， 2 0 1 0 SUN M e n g Th e s t r e s s a na l y s i s f o r s ur f a c e l a y e r o f c e m e nt e o n e r e t e p a v e me n t wi t h f u n c t i o n l a y e r D3 Xi a n ： C h a n g a n Un i v e r s i t y， 2 0 1 0 ( i n Ch i n e s e ) 3 廉 向东 ， 付欣 ， 熊锐 ， 等 基于层 间功 能层 的水 泥混凝土路 面动 态 响应灰关联分 析 J 郑州大学 学报 ： 工学版 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 3 - 1 7 LI AN Xi a n gd on g， FU Xi n， XI ONG Ru i ， e t a 1 Gr e y i n c i d e n c e a n a l y s i s o f d y n a mi c r e s p on s e o f c e m e n t c o nc r e t e p a v e m e n t w i t h f u n c t i o n l a y e r , J 3 J o u r n a l o f Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y ： En g i n e e r i n g Sc i e n c e ， 2 01 1 ， 3 2( 6) ： 1 3 1 7 ( i n Ch i n e s e ) 4 易志坚 ， 吴 国雄 ， 周志祥 ， 等 基于断裂力学原理的水泥砼路面 破坏过程分析 及 路面 设计 新 构 想 J 3 重 庆 交通 学 院 学报 ， 2 0 0 1， 2 0 ( 1 )： 1 5 YI Z h i j J a n， w U Gu o mo n g ， Z HOU Z h i x i a n g ，e t a 1 F a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s o f c e me n t c o nc r e t e p a v e me n t b a s e d o n f r a c t u r e me c h a n i c s a n d a n e w i d e a o f p a v e me n t d e s i g n J J o u r n a l o f Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y， 2 0 01 ， 2 0( 1 )： 1 - 5 ( i n Ch i - ne s e ) 5 蔡燕霞 ， 臧芝树 ， 付欣 设 置层间功 能层 的刚性基层水 泥混 凝 土路 面动态 响 应 灰 关 联 分析 J 公 路 交 通科 技 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 1 1 )： 3 5 - 3 6 CAI Ya n x i a， Z ANG Zh i s h u， F U Xi n Gr e y i n c i d e n c e a n a l y s i s of d y n a mi c r e s p o n s e o f c e me n t c o nc r e t e p a v e me nt b a s e d o n r i g i d b a s e wi t h f u n c t i o n l a y e r J J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h a n d De v e l o p me nt ， 2 0 1 2， 2 9( 1 1 )： 35 3 6 ( i n Ch i n e s e ) 6D E MP S E Y B J D e v e l o p me n t a n d p e r f o r ma n c e o f i n t e r l a y e r s t r e s s a b s o r b i n g c o mp o s i t e i n a s p h a l t c o n c r e t e o v e r l a y s - J Tr a n s p o r t a t i 0 n Re s e fl r c h Bo a r d， 2 0 0 2， 1 8 0 9( 1 )： 1 7 5 1 8 3 7 张久鹏 ， 黄晓明 ， 李辉 重复荷 载作用下 沥青混 合料 的永久变 形 J 东南大学学报 ； 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) # 5 1 1 5 1 5 ZHANG J i u pe n g， HUANG Xi a o mi n g， LI HuiPe r ma n e n t d e f o r ma t i o n o f a s p h a l t mi x t u r e u n d e r r e p e a t e d l o a d J J o u r n a l o f So u t h e a s t Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 0 8， 3 8( 3)： 5 1 卜 5 1 5 ( i n Ch i ne s e ) 8 许严 ， 孙立军 ， 刘黎萍 基 于单轴贯 入重复剪 切试验 的沥青 混 合料永久变形 3 3 同济 大学学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 8 ) ： 1 2 0 3 - 1 2 0 7 XU Ya n ， S UN L i j u n ， L I U L i p i n g Re s e a r c h o n a s p h a l t mi x t u r e p e r ma ne n t d e f o r m a t i o n by s i n g l e p e n e t r a t i o n r e p e a t e d l o a d t e s t J J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y： N a t u r a l S c i e n c e ， 2 O1 3， 4 1 ( 8 )： l 2 03 1 2 0 7 ( i n Ch i ne s e ) 9 熊锐 ， 陈拴 发 ， 关博文 ， 等 乳化沥青 混合料强度影响因素的灰 关联熵分析 J 3 郑州大学学报 ： 工学版 ， 2 O l O ， 3 1 ( 6 ) ： 6 O 一 6 4 X1 0NG Ru i ， CHEN Sh u a nf a， GUAN B o we n， e t a 1 Gr e y c o r r e l a t i o n e n t r o py a n a l y s i s o f i n f l u e n c e f a c t o r s o n t h e s t r e n g t h o f e mu l s i f i e d a s p h a l t mi x t u r e J J o u r n a l o f Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y： En g i n e e r ing Sc i e nc e， 2 01 0， 3 1 ( 6 )： 6 O 一 6 4 ( i n Ch i n e s e ) 1 0 李艳春 ， 盂岩 ， 周骊巍 ， 等 沥青混合料空隙率影响 因素的灰关 联分析口 中国公路学 报， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 0 3 4 LI Ya nc h u n， M ENG Ya n。 Z H OU Li we i 。 e t a 1 Gr e y r e l a t i o n d e g r e e a n a l y s i s o f i n f l u e nc e f a c t o r s o n a s p h a l t mi x t u r e s v o i d s J C h i n a J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 O 一 3 4 ( i n Ch i ne s e ) 1 1 杨群 ， 郭忠印 ， 陈立平 ， 等 级配碎 石分形特征分析 及其在 路面 工程中的应用 口 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 ) ： 4 1 8 - 4 2 2 YANG Qu n， GUO Z h o n g y i n ， C HEN L i p in g ， e t a 1 F r a c t a l a na l y s i s o f g r a d a t i o n a g g r e g a t e a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n p a v e me ri t e n g i n e e r i n g J J o u r n a l o B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 9 ( 4 )： 4 1 8 4 2 2 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m