沥青-集料剪切力学特性分析

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversitfTechnoloyogy

()TransortationScience&Enineerinpgg

Vol．４３　No．６

Dec．２０１９

沥青集料剪切力学特性分析∗Ｇ

())合肥工业大学汽车与交通工程学院１)　合肥　２合肥工业大学土木与水利工程学院２)　合肥　２３０００９　(３０００９

摘要:针对集料沥青集料三明治剪切试验新试验现象,即几乎等概率出现单、双波峰力位移曲ＧＧＧ线,根据双波峰试验曲线构建第一波峰和第二波峰应力位移关系模型．基于第一波峰、第二波峰模型,建立黏附、黏聚联合作用下的单波峰应力位移模型．建立沥青集料界面黏附应力和黏聚应力失效能耗关系模型．基于能耗关系模型分析单波峰现象和双波峰现象剪切能量的联系．数值模拟结果表明,高斯函数的组合能很好地拟合三明治试件剪切试验的应力位移曲线．在沥青集料界面剪ＧＧ切失效过程中,黏附力和黏聚力相互作用,沥青集料界面的随机滑移距离影响两种应力相互作用Ｇ机制．

关键词:道路工程;沥青集料;剪切能量;双波峰曲线;黏附应力;黏聚应力Ｇ中图法分类号:U４１４

董满生１)　孙　炜１)　李凌林１)　汪忠明２)

:/doi１０．３９６３．issn．２０９５Ｇ３８４４．２０１９．０６．０１２j

０　引　　言

沥青路面具有力学强度高、行车平稳舒适、噪声小、成型和维护简单等特性,广泛应用于公路、机场和桥梁路面．近年来,公路交通量的迅速增加和重载车辆的不断增多,车辆在频繁停车地段的制动和启动,使沥青路面既受到竖向应力,同时还有连续的水平应力作用．在车轮动荷载的反复作用下,非均布荷载会在沥青路面结构层内产生较高的剪应力导致沥青路面产生剪切变形．当结构层内的剪应力大于沥青混合料的抗剪强度,流动变形便逐步积累,最终形成拥包、推挤和车辙等

１Ｇ２]

,病害[因此,提高沥青路面的路用性能、减少沥

]]３３Ｇ５

,生显著的影响[研究表明[沥青路面的破坏．

现象与混合料中沥青和集料界面区域的性质有直接关联．

近年来,沥青集料界面问题研究主要集中在

]６

沥青集料界面的黏附性研究上,延西利等[设计

剪切黏附试验,给出了沥青与石料间黏附性强弱

７]的定量评价方法．徐鸣遥等[利用剥离试验,设计８]等[同时对沥青和某些物质之间的剪切性能进行

定量测试沥青集料界面黏附性的新方法．Babcock了探讨．这些研究成果为沥青集料界面的研究奠黏附失效和黏聚失效．沥青集料界面的黏附力、黏聚力受到环境因素的影响,如温度、湿度和老化程

]９度等．这两种机制相互联系,相互作用[沥青与．

定了基础．沥青集料界面失效一般分为两种机制:

青路面的损伤,成为道路研究者十分关注的课题．

从材料结构角度,沥青混合料由增强相(集料、和矿物填料)基体相(沥青)和介于两者之间的界面相组成的三相材料,竖向荷载主要由集料增强相承受,发挥其骨架作用,车辆荷载所产生的剪切应力主要由沥青基体承担,界面相的结构相对松散,物质组成相对复杂,所以裂纹更容易在该区域产生,其力学性能则会对该结构整体的稳定性产

　　　　收稿日期:２０１９Ｇ０９Ｇ１５

集料界面间的相互作用是沥青混合料强度形成的决定性因素,对沥青混合料的路用性能有着直接影响,但是这两种机制相互作用的模式仍没有定

]１０

,论[因此,研究沥青与集料的界面力学行为,黏

附力与黏聚力的相互作用机制,探索其界面的破坏机理,对沥青路面的设计、成型和养护都有非常重要的理论指导意义．

:男,博士,副教授,主要研究领域为力学研究　　　　董满生(１９７３—))　　　∗国家自然科学基金青年项目资助(５１４０８１７３

　第６期

董满生,等:沥青集料剪切力学特性分析Ｇ

􀅰１０４７􀅰

沥青集料界面力学行为研究是研究沥青路面疲劳损伤机理的重要途径,同时为沥青混合料设

１１]

计和沥青改性提供理论支撑[文中通过拟合沥．

取的成型荷载为７三种试验工０２．３和２６１４．３g．况见表３．

工况一工况二工况三

表３　试验工况

打磨喷砂打磨

５５５

２６１４．３２６１４．３７０２．３

青集料沥青试件剪切试验应力位移曲线,构建ＧＧＧ沥青集料界面剪切能量模型,分析沥青集料界面Ｇ的剪切力学特性和失效机理．

试件工况表面处理方式加载速度/(mm􀅰min－１)成型荷载/g

１　剪切试验

１．１　试验材料

在具有温　　试件在２５℃环境下养护２４h后,

控功能的WDWＧ１万能材料试验机上进行剪切试验．剪切试验过程在温度为２５℃环境下进行．

试验采用合肥宝盈SBS改性沥青,沥青各项性能指标见表表１１　．

SBS改性沥青性能指标

试验项目

实验结果技术指标针入度(软化点(２环与球法５℃,１００)/g,５s)/(０．１mm)

４延度(密度(５/℃)/９９０３０≥~６０　　１５℃℃,５c)/(mg

􀅰mcinm－３c)

m１．３０８

８１≥６２００

试验所用集料为石灰岩,

性能指标见表表２　集料技术指标

２．技术指标洛杉矶磨耗

石料压碎

吸水率

表观相对

值/值/密度实验结果

　　１１．％９

１２．％１

０/．％８４

２．４７３

在沥青混合料制备过程中,

沥青和集料表面之间经过复杂的物理作用和化学反应,形成具有

特殊性能的界面层[１２]可见沥青混合料系统也可以看作是由沥青、集料和界面层组成的三相材料．

文中关注沥青集料界面力学行为,设计集料沥．青集料三明治形式实验样品Ｇ,Ｇ系统的基本组成单元Ｇ

来模拟沥青混合料(见图１),进行剪切试验．

图．２　剪切试验

１　集料Ｇ沥青Ｇ

集料试件沥青集料界面力学性能影响因素复杂,这里主要考虑Ｇ原材料表面粗糙度、成型荷载两个因

素[１３

]考量这两个因素的变量分别为粗糙度．

:集料表面、成型荷载．对平整的石灰岩表面进行打磨和喷砂处理,获得表面结构粗糙度分别为５．９试验中剪切速率选取５mm/３７．自９和

制成型设备μm．,通过放置砝码施加成型荷载,m试验所选in．　试验结果与分析

．１　应力Ｇ

位移曲线特征分析将剪切试验获得荷载位移曲线,见图Ｇ位移曲线转化为应力Ｇ立试验得到两种不同模式的应力２．试验发现在同一工况下重复独位移曲线模式是只有一个波峰的应力位移曲线Ｇ．一种波峰曲线移曲线,称．另一种模式是存在两个波峰的应力Ｇ,称之为单之为双波峰曲线．剪切试验一共做Ｇ位了

０组试验,出现单波峰曲线的试验线的试验．

３４组,两种曲线接２６组,出现双波峰曲近等概率出现图为便于分析,将单波峰曲线划分为三个部分２　应力位移曲线

:

上升区、下降区与残留区,见图区域２)中的,,速增大．界面开始承受剪切荷载后,a界面剪切应力迅IIIIII,随后剪切应力持续增加,但是其增加的速度慢慢降低直至为峰值亦是该界面的抗剪强度０,此时应力增大至峰值．到达峰值之后,,这个该曲线进入下降区,应力下降速度逐渐增加,之后下降

速率保持稳定,剪切应力快速下降,应力下降速度逐渐减小,逐渐过渡至残留．在下降区的最后阶段区．过渡至残留区之后,剪切应力值趋近与位移的持续增加,应力下降缓慢,该曲线的斜率接０,当近于０双波峰曲线划分为．

:上升区、第一下降区、第

二上升区、第二下降区和残留区在短时间内界面应力急剧增加．界面开始承受剪切荷载后,,到达第一个应力峰值．在试件达到第一个应力峰值之后,

２２６１５􀅰１０４８􀅰

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其剪切应力快速下降,进入第一下降区,应力下降速度慢慢减小,达到波谷,界面剪切应力达到一个波谷值．随后界面剪切应力进入第二个上升区,应力值缓慢增加,应力位移曲线的斜率也慢慢增Ｇ大,剪切应力迅速增加到第二个应力峰值．在到达第二个应力峰值之后,进入第二下降区．第二下降区的线形特征与单波峰曲线的下降区相似．在下降区的最后阶段,应力值较小,应力下降速度逐渐减小,逐渐过渡至残留区．该残留区的线形特征与单波峰的残留区的线形特征相似．

图３　应力位移曲线模型

２．２．２　双波峰曲线拟合与分析

双波峰曲线拟合函数为

．２　曲线拟合

．２．１　应力位移曲线模型沥青集料Ｇ沥青试件剪切试验得到的应力位移曲线显现单波峰和双波峰两种类型ＧＧ,曲线中的Ｇ波峰特征与高斯函数曲线特征相似,采用高斯函

数对试验应力位移曲线进行拟合１４Ｇ１５]沥青与集料界面间的失效形式分为黏附失效

Ｇ[．

和黏聚失效这两种基本形式黏聚失效在沥青膜内产

．其中,黏附失效在沥青和集料的界面处产生,生[１６

]基本的失效形式联合起作用．

通常在沥青与集料界面间的失效是这两种,在不同的工况下两种失效形式所占比例不同处,失效过程位移小;黏聚失效发生在沥青膜内．黏附失效发生在界面,

失效过程位移大验过程中,两种应力同时产生．沥青Ｇ集料Ｇ沥青试件在剪切试,黏附应力峰值位置

小于黏聚应力峰值位置[１７]数分别模拟两种失效模式曲线．

文中采用两个高斯函,见图G(x)＝g１g(x,y０,xc１w３,表达式为

２xg(,y０xw,１,A１)＋y,,c２２,A２)(１)１(x,,０xc１,w１,A１)＝y(x－x)０＋A１

w１×

π２

×e

－

２wc２１

１

(２

)g２(x,y０,xc２,w２,A２)＝y(x－x)０＋A２

π

wc２w２

２

２×

×e

－

２(３

)式中:G(x)为完整的应力２

Ｇ位移曲线函数;g１为黏附应力Ｇ位移曲线函数;g２位移曲线;y在(x)为黏聚应(力xＧ)０为曲线１聚应力在界(x面)和Y轴上的截距,A１和A２分别为gg２失效(x过)程的中积所分消,即耗黏的附能应量力;x和黏c１和

c２分别为黏附应力

位移曲线和黏聚应力位移曲线达到峰值时的对应位移Ｇ;HＧ１和H２分别为黏附应力和黏聚应力的峰值．

Gd(x)＝g１　　x)＋gx双波峰拟合参数及其方差分别见图(２(

)４和表(４４．

)图表４４　双波峰曲线拟合参数均值　双波峰拟合参数的方差

试验组

组别

y０xc１xc２

w１

w２

A１

A２H１H２

工况一工况二０．００７０．０３１０．１１５０．０２３０．２２７０．０１５０．０２３０．１工况三０．００４０．０３４０．２７１０．０４５０．１７７０．０１３０．０３６０．０１３５０７０．．００５３２７　　０．０１２０．０１４０．１２３０．０２４０．１４３０．００６０．０２００．０５５０．０５０

从拟合结果来看,

拟合曲线与试验数据拟合度都达到拟合函数０．９以上,平均拟合度也达到了g１试验中黏附应力和黏聚应力所产生的应力(x)和g２(x)曲线分别表０示．９５以上．Ｇ剪位移

切曲线．根据表各参数的离散程度较４可得,在三种试验工况下,g１小,而gx)各参数离散(x程)２度较大,由于黏附失效变形小、(黏聚失效变形大,

说明第一个波峰是黏附失效为主,第二波峰是黏

聚失效为主,且呈现随机性在三种试验工况下,模拟曲线中．

xc１的数值变

化幅度最小,且数值在０．１７５附近,xc２的变化相对较大,数值基本都在,０黏附力先达到峰值的位置．５以上,说明在沥青与集料界面的剪切过程中在０．１７５mm附近,黏聚力后达到峰值,位置随机．

工况一和工况二试验对比,黏附应力曲线中

xc１变化不大,

工况一的H１大于工况二的H１的值没有明显差异,H２方式不同,工况一粗糙度小于工况二．工况一与工况二的表面处理,这提高了黏

２２x　第６期

董满生,等:沥青集料剪切力学特性分析Ｇ

􀅰１０４９􀅰

两个集料界面之间的平均距离增加,５５．９um时,

结构沥青所占的比例减少,从而导致沥青集料之间的物理吸附作用相对减弱,则H１值减小．沥青的影响,集料表面粗糙度对沥青膜的黏聚强度没有影响,沥青膜工况一和工况二的成型荷载相同,这两种工况下的沥青膜厚度相同,则H２的值变化不大．

膜的黏聚应力主要受沥青膜性质(厚度、密度等)

附强度．当集料表面粗糙度从３７．９um增加至

认可,此外它可以作为剪切荷载作用下评价断裂阻力的基本量．在界面剪切试验中,应力位移曲Ｇ线和坐标轴之间的积分面积代表的是界面断裂能．试验结果表明,在剪切荷载作用下,沥青和集料的交界面上会出现界面滑移现象,且滑移量具有随机性．每次试验界面中的滑移量不同,使得黏附应力和黏聚应力峰值的相对位置也不同,这两种力峰值相对位置会影响黏附应力和黏聚应力相互间的作用和所需耗能．滑移量越大,黏附应力和工况一和工况三对比,各参数的差异不大,工况一的H１大于工况三的H１工况三的H,工况一的H２小于

２况三的成型荷载为．工况一的成型荷载为相比工况三成型荷７载０２较．３大g,,试如前面所述２６１４件的沥青,．３膜工况一g,工较薄,

“的比例较小结构沥青”所占的比例较大,从而导致沥青集料之间的物理吸附,而“自由沥青”所占作用较强,所以工况一的H１大于工况三的H１当沥青膜较厚时,黏聚失效的比例增加,沥青膜能．

够通过变形来吸收和缓冲剪切荷载所产生的应力,因而其抗剪强度增加,所以工况一的H２小于工况三的H．２．３　２单波峰曲线拟合

．

单波峰和双波峰在平行试验中等概率出现,单波峰失效是沥青与集料界面间在黏附应力和黏聚应力联合作用下产生的失效．单波峰的拟合函数和双波峰类似,函数为Gs(x)＝y(x－x０＋

As

wsπwc２)s

s　　G×

s(２×e

－

２(５

)x９)拟合参数汇总见表各曲线拟达到０．以上,平均拟合度也达到了５

．合度都表５　单波峰模拟参数平均值汇总表

０．９５以上．

试验组组别

y０xcs

ws

As

H拟合度工况一工况二００工况三０．０４７０．００．３．５１０３１８３６

０．００．４．８１３４０４５０．．３００．５８４０　　０．．００５５０１

０

０．４０３１２３２６

０．．４６３１６４

０．９５４０．．９９５６１７

对比单波峰与双波峰曲线的试验拟合结果,

可以发现单波峰峰值所对应的位置在双波峰达到两个波峰所对应的位置之间,即在同种试验工况下xc１＜xcs＜xc１两个峰值,进一步说明单波峰失效是黏附和黏聚,且单波峰的峰值大于双波峰的两种力联合起作用．３　剪切能量特性分析．

．３．１　剪切能量模型

断裂能作为反映断裂的力学参数得到广泛的黏聚应力峰值间距越大,黏附应力和黏聚应力相互影响的作用变小．当黏聚应力和黏附应力峰值相对位置在小于临界值时,应力位移曲线为单波峰曲线;当黏聚应力和黏附应力峰值相对位置在Ｇ大于临界值时,应力位移曲线为双波峰曲线青是黏弹性材料,而黏弹性材料失效是一个能量Ｇ．沥耗散的过程,沥青集料界面失效所需能量是沥青剪切特性的重要指标之一．建立黏附应力和黏聚应力失效所需能量的关系,为

E＝El１＋E２

(　　１１２

对于双波峰

E＝lE２(６

７))l(　　l１＝x中－xc１２对于单波峰

＝xc２－x中(８９))ll１(２＝:E为沥青与集＝x料x′cs－x′c１

c２界面－间xcs

式中的失效所需能(１１０)量１

);１和E２分别为单位面积黏附失效和黏聚失效所需能量;x中为应力Ｇ位移曲线中积分中位点,在单波峰中x中＝xcs;

双波峰中,x中＝

xc１EE１＋xc２

１＋E２

E２(１２

)．３．２　能量分析

对于双波峰曲线,黏附应力应力位移曲线的积分,即为黏附失效和黏聚失效Ｇ

位移曲线和黏聚所需能量Ｇ

有线性关系．再求得x中,说明黏附应力和黏聚应力峰值,得到图５．由图５可知,L和S间距和能量之间有内在联系定义:L＝xc２－xc１,L′＝．

＝Ex′c２２l２S′＝E′－x′c１,S＝E１l１

L,１l′１和L′分别为双波峰曲线和单波峰曲线中＝E′２l′２式中:．黏聚应力与黏附应力到达峰值的位移差对于单波峰曲线,通过积分可以求得．

沥青与集料界面失效所消耗的能量,即黏附失效和黏聚失效所需能量之和．双波峰曲线的黏附应力峰值

２E２２２􀅰１０５０􀅰

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位置相对稳定,这里假设单波峰曲黏附应力峰值位置为双波峰曲线中黏附应力峰值位置,即

􀭺利用已知条件,计算单波峰的相关参数x′xc１＝c１．见表６．

两种模式曲线采用高斯函数组成的理论模型拟合,其拟合度达０．９以上．

)分析沥青集料界面的剪切应力位曲线和２Ｇ

沥青集料界面失效时黏附应力和黏聚应力的关Ｇ图表５６　三种工况下的L和S散点图　单波峰剪切能量计算结果

工E′况－３/􀅰L′工E′况/L工E′一(１１m０J/mm二(１m０况三(１１０Ｇ４m－２)０３m－３－J２􀅰/m′m０m０m－３/－J２􀅰/Lm′m１０３０５０．２０２１１Ｇ１５２６)０．０．２４３１７６５５ＧＧ７９４)０３７４３７４１０．．３１１９１８０Ｇ３Ｇ６３１３４０．０．２２７６６０１１１１ＧＧ３５８Ｇ７７４１０．２３０５６０９Ｇ３３１０．５８０２０．４８２３Ｇ３４７００．９Ｇ９３７３３８９０．２２３０５６１１１４ＧＧ８４９００．２９２２３Ｇ６４６０．２３５８１０２Ｇ５３２２８３０．５９０．４６６２３Ｇ７．３８９２３Ｇ９３４５０．３１０９Ｇ１６００．２．２３２２０３９１７１４２４Ｇ５４Ｇ６Ｇ９１４２３５２８３５０７３０３９５０．　　０．３２２０７９２２８８ＧＧ２３０．２．１２２１６２１９对比单双波峰类型的能量和两种应力峰值相

对距离可以看出,能量的大小是受到两种应力峰值的相对位置影响,黏附应力和黏聚应力峰值相对位置是由界面的滑移距离决定的曲线中各工况的．在三种工况的试验中,双波峰．６５,０．５８~１．１４,０．３２~０．７L值分别在

．３１~０５mm范围中,而单波峰曲线中各工况的看出在相同的工况下．２６,０．２０~０．４７,０．１,１L~＞０L′．３,２mL′值分别在且Lm范围中０．２可以０~的最小值与．L′的最大值很接近力位移曲线为单．这说明在滑移距离较小时,应波峰曲线,随着滑移距离增加,当滑移距离超过临界距离Ｇ

,应力峰曲线．该临界距离受到试验条件的影响Ｇ

位移曲线为单波．

　结　　论

移曲线的１)建立了拟合沥青集料界面的剪切应力理论模型ＧＧ位位移曲线分为两种,．沥青集料界面的剪即单波峰模式和双波峰模式Ｇ切应力Ｇ

．

系,构建出沥青集料界面剪切能量关系模型,得到沥青Ｇ效所需的能量的动态关系Ｇ

集料界面剪切失效时黏附失效和黏聚失．

象．滑移距离３)沥青Ｇ集料界面剪切过程中会出现滑移现低于临界值时,应力位移曲线为单波峰曲线;滑移距离大于临界值时Ｇ,应力位移曲线为双波峰曲线黏聚失效所需能量．滑移的距离也影响黏附失效和Ｇ．

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