交通运输研究 >

2022 , Vol. 8 >Issue 1: 118 - 129

DOI: https://doi.org/10.16503/j.cnki.2095-9931.2022.01.013

CRCP-AC路面层间同步碎石封层抗剪能力测试分析

  • 黄正红 , 1 ,
  • 毛春光 , 1 ,
  • 王刚 1 ,
  • 窦衍竹 1 ,
  • 白桃 2
展开
  • 1.中建三局第一建设工程有限责任公司,湖北 武汉 430040
  • 2.武汉工程大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430073
毛春光（1987—）,男,安徽阜阳人,工程师,从事道路工程建设管理工作。E-mail:

黄正红（1989—）,男,湖北仙桃人,博士,研究方向为路基路面工程。E-mail:

收稿日期: 2021-09-29

  网络出版日期: 2022-03-28

基金资助

国家自然科学基金青年基金项目(52108415)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Shear Resistance of Synchronous Crushed Stone Seal Coat Between CRCP and AC Layer

  • HUANG Zheng-hong , 1 ,
  • MAO Chun-guang , 1 ,
  • WANG Gang 1 ,
  • DOU Yan-zhu 1 ,
  • BAI Tao 2
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  • 1. The First Construction Engineering Limited Company of China Construction Third Bureau, Wuhan 430040, China
  • 2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China

Received date: 2021-09-29

  Online published: 2022-03-28

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摘要

为改善连续配筋混凝土与沥青面层间的黏结效果,提高复合式路面层间抗剪强度,以同步碎石封层层间抗剪强度为研究对象,采用“水泥混凝土+封层+沥青面层”的复合结构,以集料粒径、沥青洒布量、试验温度、混凝土基面构造深度、竖向压应力为变量,进行室内连续配筋混凝土-沥青混凝土（Continuously Reinforced Concrete Pavement-Asphalt Concrete, CRCP-AC）层间同步碎石封层（Synchronous Crushed Stone Seal Coat, SCSSC）抗剪模拟试验。结合三维有限元分析结果,确定了同步碎石封层最佳参数组合,提出了改善层间抗剪强度的建议。试验结果表明:集料粒径、沥青洒布量、试验温度、混凝土基面构造深度、竖向压应力对同步碎石封层层间抗剪强度产生了显著影响;相较于4.75~9.5mm粒径的集料,为获取更高的抗剪切强度,在工程实践中宜选择9.5~13.2mm粒径的碎石作为同步碎石封层用撒布料;使用粒径为9.5~13.2mm的集料时,最佳参数组合为沥青洒布量1.6kg/m2+碎石撒布量8kg/m2。

关键词： 同步碎石封层; 直接剪切试验; 抗剪强度; 集料粒径; 层间黏结; 有限元

本文引用格式

黄正红 , 毛春光 , 王刚 , 窦衍竹 , 白桃 . CRCP-AC路面层间同步碎石封层抗剪能力测试分析[J]. 交通运输研究, 2022 , 8(1) : 118 -129 . DOI: 10.16503/j.cnki.2095-9931.2022.01.013

Abstract

In order to improve the adhesion between the CRCP(Continuously Reinforced Concrete Pavement) and the AC(Asphalt Concrete) layer, and further increase the interlayer′s shear strength of the composite pavement, the paper investigated the interlayer′s shear strength of the SCSSC(Synchronous Crushed Stone Seal Coat). The composite layer of "Cement Concrete + SCSSC + AC" was realized indoor to conduct and assess the interlayer shear strength of the SCSSC layer, where the following factors were set as test variables, such as the aggregate particle size, the asphalt spraying amount, the shear temperature, the texture depth of the concrete surface, and the normal stress, etc. Combined with the three-dimensional finite element analysis, the optimal parameter combination of SCSSC was determined, and suggestions for improving the interlayer′s shear strength were proposed. The test results showed that the shear strength of SCSSC was greatly affected by the aggregate particle size, asphalt spraying amount, shear temperature, the texture depth of the concrete surface, and normal stress; compared to crushed stone with size of 4.75-9.5mm, the crush stone with size of 9.5-13.2mm was more appropriate for engineering use due to its better shear resistance ability; the optimal composition of 1.6kg/m2 asphalt spreading amount and 8kg/m2 crushed stone spreading amount was recommended when the crush stone with size of 9.5-13.2mm was adopted.

Key words： synchronous crushed stone seal coat; direct shear test; shear strength; aggregate particle size; interfacial adhesion; finite element

0 引言

连续配筋路面（Continuously Reinforced Concrete Pavement, CRCP）是一种在路面纵向设置连续钢筋且不设接缝的混凝土路面结构形式[1],上覆沥青混凝土（Asphalt Concrete, AC）层后能较好地发挥水泥混凝土抗重载和沥青混凝土行车舒适的特性,是一种典型的永久性路面结构[2]。在水泥混凝土层之上铺筑沥青层,需要保证二者充分接触,才能使路面结构协同受力,从而延长路面使用寿命。同步碎石封层（Synchronous Crushed Stone Seal Coat, SCSSC）可以增强CRCP与AC的层间黏结,但是目前许多文献[3,4,5,6]均侧重于室内分析,未结合现场施工实际及荷载条件。为使该技术适用于实际工程施工,有必要在考虑现场材料、环境及荷载工况下进行测试分析,以期获得具有最佳抗剪性能的同步碎石封层结构。
同步碎石封层项目实施时,大粒径骨料必然要求较大的热沥青洒布量。现有工程往往选择粒径9.5~13.2mm和4.75~9.5mm两档集料,二者除了剪切强度不一致外,在工程实践中还表现出较明显的差别。现实中,9.5~13.2mm档集料具有诸多优势:粉料相对较少,对洒布的沥青面污染较少,黏结面强度损失小;用油量较大,能够在基面形成更厚的沥青防水层,封水效果和耐久性更强;骨料较大,能较好地隔离工程轮胎,防止同步碎石层粘轮而被卷起（如图1所示）,同时其能深入嵌锁到上覆AC层中形成整体。相比而言,4.75~9.5mm集料中粉料一般较多,上覆AC层后,同步碎石封层内的沥青在AC层热量和压实作用下,易扩散到AC层中形成油巴,导致AC层碾压不实（如图2所示）。同步碎石封层材料组成不合理将影响施工效果,因此需要对相关的施工工艺加以调整。为满足结构受力要求,需要针对不同材料组成及不同工况下的同步碎石封层材料进行强度测试及受力分析。
图1 同步碎石层被卷起
图2 上覆AC层形成油巴
根据现场施工及使用效果反馈[7,8],结合相关学者的研究[9,10,11],发现同步碎石封层材料的抗剪强度受到内外因的共同作用:内因主要为同步碎石封层材料自身的组成情况[12],即碎石粒径、碎石撒布量及沥青洒布量;外因[13,14]则主要为CRCP混凝土基面构造深度、竖向压应力及现场温度。国内外诸多研究基本明确了同步碎石封层的组成及关键影响因素。但是,针对CRCP-AC复合式路面结构:一方面,需结合复合式路面结构及封层层位受力进行材料优化组合设计;另一方面,需在常规室内直剪试验的基础上考虑竖向荷载等级以模拟真实路面荷载工况。
本文将在前人研究的基础上,结合实际工程案例,采用自主设计的竖向压力加载剪切设备进行室内测试及有限元分析,探索不同内外因耦合条件下同步碎石封层的抗剪切强度变化规律,确定同步碎石封层的合理参数组合,为CRCP+AC混凝土路面层间同步碎石施工提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料技术性能

本次试验中,同步碎石封层采用SBS改性沥青,其技术性能如表1所示。
表1 SBS改性沥青的技术性能指标
技术性能指标 测试结果
针入度（25℃, 100g, 5s）×0.1/mm 56.0
软化点/℃ 78.5
延度（15℃, 5cm·min-1）/cm >100
布氏黏度（135℃）/（Pa· s） 2.365
同步碎石封层集料采用石灰岩,粒径分别为4.75~9.5mm和9.5~13.2mm两档,基本性能检测结果如表2所示。
表2 集料的性能指标
集料种类 集料压碎值（%） 洛杉矶磨耗损失（%） 表观
相对密度		 针片状颗粒含量（%） 黏附性/级
石灰岩 18 17.8 2.714 8.1 5

1.2 试验方法

对“水泥混凝土+封层+沥青面层”结构进行试验,流程如图3所示。
该试验的具体步骤如下:
第一步:水泥混凝土试块取芯。水泥混凝土试块取芯、切割,得到高度为5cm的芯样。
第二步:铺设同步碎石封层。首先将集料放到烘箱中烘干,并将SBS改性沥青加热到170℃左右,在水泥混凝土试块上按照计算用量均匀涂抹沥青材料,然后迅速将加热的集料均匀撒布在热沥青上,最后在集料上面压上重物以充分压实集料,待碎石封层冷却后使用,如图4所示。
图4 室内同步碎石封层
第三步:加铺AC-20沥青混合料。先将铺设同步碎石封层后的试块放入直径为10cm的SGC试验机专用试模中,再将AC-20沥青混合料倒入试模内,最后放入SGC试验机（压力为600kPa,旋转压实角为1.16°,旋转压头外径尺寸为100mm）中碾压成型试件,待沥青混合料冷却至室温后脱模,如图5所示。
图5 水泥混凝土+封层+面层
第四步:使用UTM-100万能试验机（选用30kN配套组件,最大位移为±50mm,精度为0.1%）进行室内直接剪切试验,如图6所示。图6（b）中通过标定弹簧变形系数和弹簧变形量进行试块正压力加载。
图6 室内直接剪切试验

1.3 试验变量

该试验中主要包含以下变量:
（1）试验温度。本文采用两种试验温度,分别为20℃和60℃。
（2）竖向压应力。路面所受竖向压应力为0.7MPa和1.4MPa时,经过软件计算,当温度为20℃时,路表以下10cm处对应的竖向压应力分别为0.53MPa和1.05MPa;当温度为60℃时,路表以下10cm处对应的竖向压应力分别为0.6MPa和1.2MPa。
（3）混凝土基面构造深度。本文采用3种不同构造深度的混凝土基面进行试验,分别为0mm, 0.5mm, 0.9mm,如图7所示。
图7 不同构造深度混凝土基面
（4）集料粒径。本文采用两种不同规格粒径的石灰岩碎石进行试验,分别为4.75~9.5mm和9.5~13.2mm,如图8所示。
图8 不同粒径碎石

2 试验结果及影响因素分析

本文先以光滑基面、无正应力作为最不利工况,开展9.5~13.2mm档碎石的同步碎石封层抗剪切测试,获取碎石与沥青的配比后,开展温度、竖向压应力及基面构造深度对剪切强度的影响规律分析。此后,再对比分析使用4.75~9.5mm档碎石时的封层抗剪切强度及其对应的最佳配比及内外因影响规律。

2.1 温度的影响

采用基面光滑的混凝土试块（构造深度为0mm）,剪切速率为10mm/min,碎石粒径为9.5~13.2mm,在不同的沥青洒布量和碎石撒布量下,进行20℃和60℃下的无正应力直接剪切试验,结果如图9所示。
图9 温度对同步碎石封层剪切强度的影响
由图9可知,在20℃和60℃时,随着沥青洒布量和碎石撒布量的增加,同步碎石封层抗剪强度都是先增大后减小,并都在沥青洒布量为1.6kg/m2、碎石撒布量为8kg/m2时出现峰值。当沥青洒布量较小时,沥青对碎石的裹覆度小,导致层间抗剪强度弱;沥青洒布量偏大时,富余沥青将起到润滑作用,导致层间抗剪力降低。另外,温度变化对同步碎石封层抗剪切性能的影响非常显著。随着温度升高,抗剪强度迅速下降:在20℃时,层间抗剪强度最大为234.0kPa;在60℃时,层间抗剪强度最大仅为75.6kPa。60℃时的最大抗剪强度较20℃时下降70%。由于层间黏结材料的存在,同步碎石封层抗剪强度表现出了类似沥青材料的感温性能。

2.2 竖向压应力的影响

采用基面光滑的混凝土试块（构造深度为0mm）,碎石粒径为9.5~13.2mm,剪切速率分别为10mm/min和50mm/min,沥青洒布量为1.6kg/m2,碎石撒布量为8kg/m2,在20℃和60℃下进行不同竖向压应力的直接剪切试验,结果如图10所示。
图10 竖向压应力对同步碎石封层剪切强度的影响
由图10可以看出,在剪切速率及试验温度相同的情况下,竖向荷载越大,同步碎石封层抗剪切强度越大。在试验温度为20℃、剪切速率为10mm/min的条件下,当竖向压应力由0增大到1.05MPa时,层间抗剪强度由234kPa增大到790.6kPa,同比增大约240%;在试验温度为20℃、剪切速率为50mm/min的条件下,当竖向压力由0增大到1.05MPa时,层间抗剪强度由260.6kPa增大到866.6kPa,同比增大约230%。在试验温度为60℃、剪切速率为10mm/min的条件下,当竖向荷载由0增大到1.2MPa时,层间抗剪强度由75.6kPa增大到300.6kPa,同比增大约300%;在试验温度为60℃、剪切速率为50mm/min的条件下,当竖向压力由0增大到1.2MPa时,层间抗剪强度由88.9kPa增大到496.7kPa,同比增大约460%。由此可知,在剪切速率和试验温度相同的情况下,竖向荷载的变化对层间抗剪强度的影响非常显著,随着竖向荷载的增大,层间抗剪强度的增长十分明显。

2.3 混凝土基面构造深度的影响

采用基面构造深度不同的混凝土试块,碎石粒径为9.5~13.2mm,剪切速率为10mm/min,沥青洒布量为1.6kg/m2,碎石撒布量为8kg/m2,在20℃和60℃下进行不同竖向压应力下的直接剪切试验,结果如图11所示。
图11 构造深度对同步碎石封层剪切强度的影响
由图11可知,在竖向荷载及试验温度相同的情况下,随着混凝土基面构造深度的增大,同步碎石封层抗剪强度逐渐增大,且增幅十分明显。在试验温度为20℃、竖向荷载为0的条件下,当构造深度由0增大到0.9mm时,抗剪强度由234kPa增大到466.8kPa,同比增大约100%,增幅十分明显;在试验温度为20℃、竖向荷载为1.05MPa的条件下,当构造深度由0增大到0.9mm时,抗剪强度由790.6kPa增大到1 198.6kPa,同比增大约52%,相较于竖向荷载为0时,增幅略微有所减小。在试验温度为60℃、竖向荷载为0的条件下,当构造深度由0增大到0.9mm时,抗剪强度由75.6kPa增大到145.7kPa,同比增大约93%;在试验温度为60℃、竖向荷载为1.05MPa的条件下,当构造深度由0增大到0.9mm时,抗剪强度由297.6kPa增大到510.8kPa,同比增大约71%,相较于竖向荷载为0时,增幅略微减小。
根据摩尔强度理论,层间抗剪强度是由黏聚力、正应力和内摩擦角共同决定的。层间抗剪强度主要来源于基面与沥青混凝土铺装层之间的化学吸附作用、正应力和机械咬合作用,其中CRCP表面构造深度决定了层间机械咬合作用大小。在构造深度较小或无构造深度时,层间的抗剪强度主要由黏结材料提供,随着构造深度的增大,剪切强度主要由界面粗糙度和黏结材料共同提供。一方面,封层材料中的沥青与混凝土基面黏结界面面积增大;另一方面,增加的构造深度可提供更多的界面集料咬合作用。所以,在一定范围内,随着构造深度的增大,层间抗剪强度也逐渐增大,但若混凝土基面构造深度过大,会造成黏层油的浪费,效费比下降。当竖向荷载为0时,层间抗剪强度主要由基面的粗糙度决定,当竖向荷载逐渐增大时,由于竖向荷载造成混凝土和混合料的挤压作用,导致基面的粗糙度对于层间抗剪强度的影响略微下降。

2.4 集料粒径的影响

（1）采用基面光滑的混凝土试块（构造深度为0）,剪切速率为10mm/min,碎石粒径为4.75~9.5mm,在不同的沥青洒布量和碎石撒布量下,进行60℃下的无正应力直接剪切试验,结果如图12所示。
图12 集料粒径为4.75~9.5mm时的最佳组合
由图12可知,采用粒径为4.75~9.5mm的碎石时的最佳参数组合为:沥青洒布量0.8kg/m2,碎石撒布量3kg/m2。
（2）采用基面构造深度不同的混凝土试块,剪切速率为10mm/min,当碎石粒径为9.5~13.2mm时,最佳参数组合为沥青洒布量1.6kg/m2、碎石撒布量8kg/m2;相同条件下,当碎石粒径为4.75~9.5mm时,最佳参数组合为沥青洒布量0.8kg/m2、碎石撒布量3kg/m2。
在20℃下进行不同竖向压应力的直接剪切试验,结果如图13所示。
图13 集料粒径对同步碎石封层剪切强度的影响
由图13可知,在试验温度为20℃、碎石粒径为4.75~9.5mm时,层间抗剪强度在构造深度为0.9mm、竖向荷载为1.05MPa时达到最大,为591.8kPa;当碎石粒径为9.5~13.2mm时,层间抗剪强度同样在构造深度为0.9mm、竖向荷载为1.05MPa时达到最大,为1 198.6kPa,该值较碎石粒径为4.75~9.5mm时增大约100%。对比图13中的数据可以发现,当其他条件相同时,碎石封层采用粒径9.5~13.2mm碎石时的抗剪强度比采用粒径4.75~9.5mm碎石时要大,所以单纯从提高层间抗剪强度的角度出发,建议采用粒径为9.5~13.2mm的碎石作为同步碎石封层的骨料。

3 结构受力分析

下面对室内试验结果与计算机模拟结果进行对比,分析内外因参数组合对同步碎石封层受力的影响。

3.1 路面结构

路面结构如表3所示。
表3 路面结构
结构 厚度/cm
SBS-13 4
SBS-20 6
CRCP结构层 24
水泥稳定碎石上基层 20
水泥稳定碎石下基层 20
土基 —
本文采用ANSYS建立三维路面模型,并进行力学响应分析。面层采用黏弹性单元VISCO89模拟。VISCO89是带有中间节点的三维黏弹性二次等参实体单元。基层采用带有中间节点的三维实体单元Solid95,平面单元采用8节点的Plane82。网格划分成六面体,局部退化成四面体。
图14为3D有限元模型中路表的轮胎荷载分布（阴影区）。实测轮胎接地压力约为0.7MPa,设置1.4MPa接地压力模拟路面超载的情况。图中X轴代表与行车方向垂直的方向,Y轴代表行车方向,Z轴代表结构厚度。为了建模,面层可以划分为很多个亚层。模型尺寸为5m（长）×5m（宽）,高度根据路面结构的厚度确定。由于荷载作用对土基6m以下部位的影响很小,因此将土基厚度设为6m。结合实际路面结构的受力情况,模型边界条件设为:X, Y, Z方向均无位移,侧面无X方向位移,前后方向无Y方向位移。
图14 3D有限元分析示意图（m）
本文中的模型有两层面层、一层CRCP层和两层水泥稳定基层。沥青面层之间以及沥青面层与基层之间的连接使用接触模拟,接触对控制其竖向位移。路面界面黏结良好并正常使用时,根据经验,面层间的摩擦系数取0.7,基层与面层之间的摩擦系数取0.5[21]。ANSYS单元库中提供了众多的单元来模拟材料间的接触状况。刚性体与柔性体之间的接触,刚性体被视为目标单元,用Targel170模拟,柔性体被视为接触单元,用Contal174模拟,一个目标单元与一个接触单元共同组成一个接触对。本文建立的模型中,接触对控制其竖向位移。

3.2 路面材料参数

设计文件中规定,平衡湿度状态下并考虑干湿与冻融循环作用时,路基顶面回弹模量E0不小于60MPa。CRCP层假定为刚性的水泥混凝土板,其参数根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中推荐的范围取值。水稳碎石层根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中推荐的范围取值。沥青层模量根据动态模量测试确定,通过拟合动态模量主曲线,计算得到存储模量主曲线,再通过Laplace与Prony级数转化得到松弛模量,对不同频率、不同温度下的沥青混合料动态模量进行拟合,求解得到ANSYS中黏弹性单元所需参数,推导过程详见文献[22]。
路面材料参数具体取值如表4所示。
表4 路面参数
结构 模量/MPa 泊松比 密度/（kg·m-3）
SBS-13 20℃/60℃
动态模量		 — 2 600
SBS-20 — 2 500
CRCP结构层 30 000 0.15 2 400
水泥稳定碎石上基层 14 000 0.25 2 400
水泥稳定碎石下基层 12 000 0.25 2 400
土基 60 0.4 1 900
以54℃为例,沥青混合料动态模量和松弛模量主曲线如图15和图16所示,最终得到的输入ANSYS中的95个黏弹性参数如表5和表6所示。
图15 动态模量主曲线
图16 松弛模量主曲线
表5 SBS-13沥青混合料的95个实常数
黏弹性参数编号 1 2 3 4 5
C46~C50 655 165 286.9 2.14E+08 1.97E+09 6.41E+08 10
C51~C55 3.16752E-05 9.35E-05 0.000 276 0.000 815 0.002 407
C56~C60 0.007 126 758 0.021 229 0.064 326 0.203 518 0.700 178
C61~C65 20 000 2 000 200 20 2
C66~C70 0.2 0.02 0.002 0.0 002 0.00 002
C71~C75 10 0 0 0 0
C76~C80 3.16752E-05 9.35E-05 0.000 276 0.000 815 0.002 407
C81~C85 0.007 126 758 0.021 229 0.064 326 0.203 518 0.700 178
C86~C90 20 000 2 000 200 20 2
C91~C95 0.2 0.02 0.002 0.000 2 0.000 02
表6 SBS-20沥青混合料的95个实常数
黏弹性参数编号 1 2 3 4 5
C46~C50 838 265 026 9 88 680 799.79 2.5148E+10 266 042 399.4 10
C51~C55 0.000 913 0.001 700 0.003 289 0.006 720 0.0147 097 41
C56~C60 0.034 270 72 0.080 666 006 0.172 476 12 0.297 540 065 0.387 715 776
C61~C65 20 000 2 000 200 20 2
C66~C70 0.2 0.02 0.002 0.000 2 0.000 02
C71~C75 10 0 0 0 0
C76~C80 0.000 913 0.001 700 0.003 289 0.006 720 0.014 710
C81~C85 0.034 271 0.080 666 0.172 476 0.297 540 0.387 716
C86~C90 20 000 2 000 200 20 2
C91~C95 0.200 00 0.020 00 0.002 00 0.000 20 0.000 02
温度设置为20℃和60℃,以模拟季节常温和高温,且对应室内试验温度。路面竖向压应力设置为0.7MPa和1.4MPa,分别模拟标准荷载和超载工况。经过ANSYS软件计算,当温度为20℃时,路面下10cm处对应的竖向压应力分别为0.53MPa和1.05MPa;当温度为60℃时,路面下10cm处对应的竖向压应力分别为0.6MPa和1.2MPa。

3.3 结果对比

沿轮胎分布方向计算层间剪应力,结果如图17所示。
图17 AC与CRCP层间剪应力
（1）当采用粒径为4.75~9.5mm的碎石时
选用基面构造深度为0.5mm,碎石粒径为4.75~9.5mm,碎石撒布量为3kg/m2,沥青洒布量为0.8kg/m2,剪切速率为10mm/min,在20℃和不同荷载条件下开展同步碎石剪切破坏的室内试验并与仿真试验进行对比分析,计算结果如表7所示。
表7 4.75~9.5mm粒径碎石封层的抗剪强度
竖向荷载
/MPa		 温度
/℃		 理论剪应力
/kPa		 构造深度
/mm		 实际抗剪强度
/kPa
0.7 20 329.0 0.5 518.3
1.4 657.9 584.2
由表7可知, 20℃条件下施加0.7MPa荷载时,同步碎石封层受到的剪应力小于其抗剪强度。而当荷载增加至1.4MPa时,室内试验所得封层实际抗剪强度为584.5kPa,计算所得理论剪应力为657.9kPa,试验所得抗剪强度小于计算所得理论值,可见采用粒径4.75~9.5mm的碎石作为骨料不能满足要求,表明4.75~9.5mm档粒径碎石的应用存在一定的局限性。
（2）当采用粒径为9.5~13.2mm的碎石时
选用基面构造深度为0mm,碎石粒径为9.5~13.2mm,碎石撒布量为8kg/m2,沥青洒布量为1.6kg/m2,剪切速率为10mm/min,在20℃、60℃和不同荷载条件下开展同步碎石剪切破坏的室内试验并与仿真试验进行对比分析,计算结果如图18所示。
图18 9.5~13.2mm粒径碎石封层抗剪性能测试结果
由图18可知,在竖向压应力为0.7MPa下,20℃时计算所得剪应力为329kPa,试验所得抗剪强度为455.8kPa;60℃时计算所得剪应力为111.1kPa,试验所得抗剪强度为153.5kPa。在竖向压应力为1.4MPa下,20℃时计算所得剪应力为657.9kPa,试验所得抗剪强度为790.6kPa;60℃时计算所得剪应力为221.7kPa,试验所得抗剪强度为300.6kPa。由此可见,试验所得层间抗剪强度均大于计算所得层间最大剪应力,表明当基面构造深度为0时,在沥青洒布量1.6kg/m2、9.5~13.2mm碎石洒布量8kg/m2这一参数组合下,层间抗剪强度满足行车要求。显然,如果增大基面构造深度,同步碎石层间抗剪强度将进一步增大。综合实际工程施工中存在的问题及计算分析结果,在后续工程应用中,在混凝土表面设定构造深度后,可以通过调整碎石撒布量及沥青洒布量,分析抗剪强度与剪应力的相对大小,达到工程要求的效费比,降低工程造价。

4 结论

本文针对“连续配筋混凝土+封层+沥青面层”的复合结构,以同步碎石封层层间抗剪强度为研究对象,采用自主设计的竖向压力加载剪切设备,进行考虑现场实际材料组成、环境及荷载工况的多因素耦合测试分析,针对试验温度、集料粒径、竖向压应力、构造深度、沥青洒布量等4个变量进行室内竖向加压直剪试验,同时采用ANSYS建立三维沥青路面模型进行力学响应分析,得到如下结论:
（1）同步碎石封层层间抗剪强度对温度变化非常敏感,随着温度升高,层间抗剪强度迅速下降。在20℃和60℃时,随着沥青洒布量和碎石撒布量的增加,同步碎石封层抗剪强度都是先增大后减小。使用9.5~13.2mm档集料的同步碎石封层最佳参数组合为沥青洒布量1.6kg/m2、碎石撒布量8kg/m2;碎石粒径为4.75~9.5mm时,同步碎石封层最佳参数组合为沥青洒布量0.8kg/m2、碎石撒布量3kg/m2。
（2）竖向荷载及基面构造深度对层间抗剪强度的影响非常显著,随着竖向荷载和基面构造深度的增大,层间抗剪强度的增幅十分明显,工程中需保证基面的构造深度。
（3）集料粒径大小对层间抗剪强度具有显著影响。骨料粒径为4.75~9.5mm时,最佳沥青用量偏少,沥青膜隔水的效果相对较差,层间抗剪强度偏小,且粗颗粒无法有效隔离轮胎,施工中易发生黏轮;骨料粒径为9.5~13.2mm时,施工效果明显改善,室内测试的抗剪强度满足结构受力要求,故建议使用粒径为9.5~13.2mm的集料作为同步碎石封层的骨料。
本文只针对目前常规使用的路用石油沥青进行了同步封层抗剪性能测试,对于新型的环氧、不黏轮沥青等新型黏层类材料,也可照此方法开展类似研究,以获取最佳骨料和黏结料的组合,从而保证结构的力学性能及工程的经济性。

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