钢桥面浇注式沥青混凝土粘结拉拔强度试验分析

基于摩尔库伦理论的浇注式沥青混合料材料强度分析王民【摘要】为了揭示浇注式沥青混合料的材料特性及强度形成机理,以摩尔-库伦理论为基础,采用单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验,计算浇注式沥青混凝土强度特征参数(粘聚力c、内摩察角φ、最大剪应力τmax);通过沥青用量及温度对其强度参数影响,分析其强度机理,以及与常规沥青混合料材料特性的差异.结果表明,浇注式沥青混凝土强度受温度、沥青用量影响较大,60℃的抗剪强度要高于常规沥青混合料,而其强度主要来源于高粘改性沥青及较高粉胶比形成的粘聚力;抗剪强度分析结果与贯入度及增量指标的评价结论一致,贯入度及增量指标更适合于评价浇注式沥青混合料的高温稳定性,并可以表征该类型混合料的强度特征.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2015(039)006【总页数】5页(P1149-1152,1156)【关键词】浇注式沥青混合料;强度机理;摩尔库伦理论;单轴贯入试验;抗剪强度【作者】王民【作者单位】重庆市智翔铺道技术工程有限公司重庆401336;招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆401336【正文语种】中文【中图分类】U4440 引言浇注式沥青混合料（guss asphalt，GA）具有流动性，浇注式摊铺一般不需要碾压，只需要简单的摊铺整平即可完成施工，且具有矿粉含量高、沥青含量高、拌和温度高等“三高”特点，较多的沥青及细集料含量使粗骨料处于悬浮状态［1］，它与普通热碾压沥青混合料的结构组成不同.相对于普通沥青混合料，具有空隙率小、密水性佳，协调变形能力强，疲劳寿命高，整体性强等特点［2］.由于浇注式沥青混合料高沥青含量的特点，行业对其高温强度一直存在担忧.采用车辙动稳定度对浇注式沥青混合料的高温承载能力进行测试，其结果仅为常规改性沥青混合料的30%左右，SMA的20%左右；而采用贯入度及增量作为高温承载能力的指标，在相同温度条件下，SMA与浇注式的贯入度及增量却可以十分接近.同样，在实桥应用中，面对中国苛刻的交通条件，钢桥面浇注式铺装体系也可表现出良好的使用效果［3］，这使得研究人员对其强度机理十分感兴趣.近年来，研究人员对浇注式沥青混合料结构特性，从不同角度进行挖掘和探索.金磊等［4］通过动态剪切流变试验，分析了沥青胶浆广义剪切模量与浇注式沥青混合料高温变形之间的相关性，探讨了该指标作为浇注式胶浆高温性能评价指标的适用性.杨宇明等［5］通过对浇注式沥青混合料进行了不同荷载水平下的三轴重复荷载试验，分析了混合料永久变形和黏弹性变形的发展特性.认为在半正弦重复荷载作用下，浇注式沥青混合料的变形规律与Burgers模型变形公式吻合较好.张顺先等［6］采用改进的Burgers模型推导出浇注式沥青混凝土高温变形性能的粘弹性本构模型，在一定条件下可以预测GA高温条件下永久变形的变化规律.Yangxu ［7］通过使用非线性最小二乘回归方法，建立动态模量和相位角预测方程，对浇注式等多种混合料的模量进行分析.上述研究主要集中在分析理论模型与混合料强度指标之间相关性，还有较多研究对浇注式沥青混合料级配构成、材料性能及评价体系等进行了研究［8－11］，但未对其结构特征与强度形成机理的关系以及与其他沥青混合料的差异性开展分析.基于此，本文将以摩尔－库伦强度理论为基础，采用单轴贯入试验，通过沥青用量、温度条件、混合料类型对浇注式沥青混合料强度参数的影响分析，揭示了浇注式沥青混合料的强度机理及与常规沥青混合料的差异性，为钢桥面浇注式沥青混合料铺装体系设计及性能评价提供理论支撑.1 沥青混合料强度机理及测试方法在常温和高温状态下，由于沥青混合料内部抗剪强度不足，产生了各种破坏现象，如推移、车辙等.按照摩尔－库伦强度理论，材料的抗剪强度主要来源于摩阻力和粘结力.沥青混合料的材料强度按照摩尔－库伦理论，可表示为式中：τ为抗剪强度，MPa；c为材料粘聚力，MPa；σ为法向压应力，MPa；φ为内摩擦角，（°）.沥青混合料抗剪强度参数的确定，一般借鉴岩土工程试验方法，采用三轴试验，通过绘制摩尔圆和相应包络线，按照式（1）线性关系近似确定c，φ值，见图1.图1 摩尔库伦强度理论莫尔圆包络线随着研究的深入，研究人员发现路面工程与岩土工程有较大差异.鉴于三轴试验中，应力分布与围压的大小均与实际路面不相符，本研究借鉴同济大学提出的单轴贯入试验，对浇注式沥青混合料的强度机理进行分析，单轴贯入试验的优势在于受力接近于真实路面.通过有限元建立符合实际受力状态的贯入模型，进而求解出在压头为1MPa时模型中最大剪应力处的主应力值，以此作为基本的抗剪参数（见表1）.然后，利用这些基本参数乘以贯入强度值，也就求出了试件中的各主应力值和剪应力值.同时，为了求解出混合料的粘聚力c和内摩擦角φ，再进行一组无侧限抗压强度试验.利用这两组数据，绘制莫尔圆，通过几何关系，推导出基于贯入试验和无侧限抗压强度的粘结力c和内摩擦角φ，即表1 混合料抗剪强度基本参数?式中：σg1为单轴贯入强度乘以抗剪强度参数后的第一主应力；σg3为单轴贯入强度乘以抗剪强度参数后的第三主应力；σu为无侧限抗压强度.2 原材料及配合比2.1 主要原材料及技术指标本研究采用以韩国SK沥青为母体，自行生产加工的改性沥青，浇注式沥青混合料采用湖沥青复合改性沥青，SMA，AC采用高弹体改性沥青，其主要性能指标见表2.表2 沥青结合料主要性能指标?粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，矿粉采用石灰岩矿粉，集料及矿粉性能指标满足现行行业规范要求.2.2 混合料配合比设计浇注式沥青混合料（GA10）、沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA10）、密级配沥青混合料（AC10）的矿料级配构成见图2.从图2可以看出，3种沥青混合料的矿料级配差异非常大，GA10细集料较多，级配偏细；SMA10粗集料较多，级配偏粗；AC10级配居于两者之间.图2 3种混合料矿料级配曲线图按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20—2011）》，采用高弹体改性沥青，确定SMA10和AC10混合料最佳油石比.按照《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》的规定，采用湖沥青复合改性沥青，确定GA10混合料最佳油石比.采用最佳油石比，测试3种混合料的基本性能，结果见表3.表3 不同类型沥青混合料的物理性能注：其中弯拉应变采用的是300mm×100mm×50mm尺寸的大梁.?由表3和图2可见，GA10与常规类型沥青混合料SMA10，AC10的材料组成、基本性能及其评价方法等都存在较大差异，其中高温稳定性的3个指标（稳定度、贯入度及增量、动稳定度）评价结论不相一致.可见，选用此3种类型混合料，可以验证三者之间的差异，并揭示浇注式沥青材料的特性.3 实验方案及数据分析根据浇注式沥青混合料结构组成特点，从沥青用量、温度2个方面测试、并计算浇注式沥青混合料的强度参数.同时，测试并计算沥青玛蹄脂碎石混合料、密级配沥青混合料的剪切强度参数，并将其与浇注式沥青混合料剪切强度参数进行对比分析.在此基础上，探讨浇注式沥青混合料强度形成机理.3.1 沥青用量对浇注式沥青混合料强度的影响采用湖沥青复合改性沥青，按照设计配合比，采用最佳油石比和±0.5%的油石比，测试在60℃温度下的单轴贯入强度和无侧限抗压强度，计算相应强度参数，见表4.表4 不同油石比浇注式沥青混合料强度测试结果及计算参数（60℃）?由表4可见，随着沥青用量增加，浇注式沥青混合料内部的富余沥青含量逐渐增多，沥青膜变厚，集料之间摩阻力降低，内摩擦角减小.同时，沥青玛蹄脂内部的粘结力由于沥青相对用量的增加，即粉胶比减小，混合料表现出的粘聚力略有降低.因此，对于浇注式沥青混凝土而言，随着沥青用量的增加，混合料的抗剪强度大幅度下降.而当沥青膜达到最佳厚度、并在小范围波动时，粘聚力主要取决于沥青粘度，不会由于沥青含量增加而增大.3.2 温度条件对浇注式沥青混合料强度的影响采用湖沥青复合改性沥青，在最佳油石比情况下，测试浇注式沥青混合料在不同温度下单轴贯入强度和无侧限抗压强度，计算相应强度参数，见图3～5.图3 不同温度时剪切强度趋势图图4 不同温度时粘聚力c趋势图图从图3～4可以看出，温度对浇注式沥青混合料的强度及参数影响非常大.当温度逐渐升高时，沥青结合料的粘度大幅度下降，沥青混合料由弹塑性体向粘塑性体变化，抵抗外界荷载的能力降低，抗剪性能和粘聚力随着温度的升高迅速降低.图5 不同温度时内摩擦角φ趋势内摩擦角主要与沥青混合料内部矿料的分布状态（矿料级配）相关，温度升高虽改变了集料之间的滑移状态，但作为富沥青含量的悬浮密实结构类型GA10，集料之间的摩阻力受此影响非常小，因而累计变化幅度仅0.5°.由于沥青的粘度受温度干扰较大，混合料的粘聚力随着温度升高而大幅度降低.3.3 混合料类型对其强度的影响根据初步确定GA10，SMA10，AC10矿料配合比及最佳油石比，测试60℃温度下3种混合料强度，计算相应强度参数，见表5.表5 不同类型沥青混合料强度测试结果及计算参数（60℃）?从3种混合料类型的测试结果来看，各项强度参数变化趋势与沥青用量、温度对其影响的变化趋势有较大差异，浇注式沥青混合料GA10的抗剪强度τmax在3种混合料最优.这主要源于以下2点.1）浇注式沥青混合料粉胶比范围为2.8～3.5，沥青玛蹄脂碎石混合料SMA10则是1.5～2.0，密级配沥青混凝土 AC10是0.2～0.5.浇注式沥青混合料的粉胶比越高，矿粉对沥青的吸附作用越强，自由沥青含量就越少，作为连续相的沥青胶泥则表现出最好的稳定性，即粘聚力明显增大.2）3种混合料中，SMA10的骨架结构最为明显，表现出内摩擦角在三者中最大.GA10和AC10均为悬浮密实结构，但却存在本质区别.在沥青混合料的3级空间网状结构分散系中，AC10以细集料和沥青胶泥作为连续相，粗集料为分散相；而GA10以沥青胶泥为连续相，粗、细集料为分散相.也就是说，AC10中集料之间更加紧密，集料之间嵌挤效果明显，内摩擦角会更大些.4 结论通过浇注式沥青混合料结构特性和不同条件下的浇注式沥青混合料的抗剪强度参数分析，形成以下主要结论.1）浇注式沥青混合料在材料组成方面与常规沥青混合料不同，因此其性能特点及评价指标也存在差异.2）沥青用量及温度是浇注式沥青混合料剪切强度的重要影响因素，油石比及温度增加，剪切强度大幅度降低，内摩擦角及粘聚力也发生变化.相对而言，温度对混合料性能影响更为显著.3）从3种沥青混合料剪切强度对比分析结果可以看出，浇注式沥青混合料具有较好的抗剪性能，主要源于沥青结合料粘度大，且混合料空隙率小、整体性强（微缺陷少）.4）3种混合料剪切强度与贯入度及增量的变化规律一致，可见采用贯入度及增量对浇注式沥青混合料的承载能力（强度）进行评价是合理的.这也进一步解答了实桥桥面铺装下层采用动稳定度极小的浇注式沥青混合料，却并未出现车辙类热稳性病害的原因.参考文献［1］杨军，潘友强，邓学钧.桥面铺装浇注式沥青混凝土性能［J］.交通运输与工程，2007（1）：49－53.［2］王民，张华.浇注式沥青混凝土铺装技术应用与发展［J］.交通企业管理，2009（10）：98－100.［3］王民，张华.钢桥面铺装特点及设计要求综合分析［J］.世界桥梁，2013（1）：39－41.［4］金磊，钱振东，郑彧.基于DMA方法的浇注式沥青胶浆高温性能及评价指标［J］.东南大学学报，2014（5）：1062－1066.［5］杨宇明，钱振东，胡靖.重复荷载作用下浇注式沥青混合料黏弹特性［J］.东南大学学报，2014（2）：391－395.［6］张顺先，张肖宁，魏建明，等.GA混凝土高温粘弹性变形的非线性本构模型［J］.重庆大学学报，2013，36（2）：92－95.［7］YANG X，YOU Z.New predictive equations for dynamic modulus and phase angle using a nonlinear least－squares regression model［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014（10）：1061－1065. ［8］万涛涛.英国浇注式桥面铺装混合料MA优化设计［J］.中外公路，2012，32（6）：278－282.［9］王宏畅，李国芬.南京长江四桥浇注式沥青混凝土配合比设计研究［J］.公路，2012（8）：50－54.［10］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.。

作者简介：章登精（1967—），男，研高工，南京重大路桥建设指挥部总工程师，主要从事大跨径钢桥面铺浇注式沥青混凝土与钢桥面板的粘结技术章登精1 ，朱华平2，潘友强3（1.南京重大路桥建设指挥部，南京210000； 2.南京林业大学，南京210037；3.江苏省交通科学研究院股份有限公司南京211112）摘要: 粘结层是钢桥面铺装成功的关键，粘结材料性质的好坏和施工控制对钢桥面铺装的使用性能及寿命起着关键作用。

浇注式沥青钢桥面铺装中，粘结层不但承担着钢桥面板防腐蚀的功能，而且它也要传递上层铺装中由行车荷载产生的应力和应变，发挥承上启下的作用。

本文阐述了浇注式沥青混凝土与钢桥面板的粘结技术，结合粘结层试验研究及施工，提出了适用于溶剂型橡胶沥青的钢桥面抛砂处理和现场涂抹的工艺要求，并介绍南京四桥钢桥面铺装粘结层的性能。

关键词: 粘结技术，粘结机理，溶剂型橡胶沥青，南京四桥，Sa3.0表面处理The research on bonding performance of Gussasphalt concrete and steeldeckZhang Deng jing 1 ，Zhu Huaping 2 ，Pan Youqiang 3（1. Nanjing Major Road and Bridge Construction Headquarters, Nanjing 210007； 2. Nanjing Forestry University, Nanjing 210037；3. Jiangsu Transportation Institute ，Nanjing 211112） Abstract: The performance of adhesive layer is important for the steel deck pavement. Material prosperities and construction technology play key roles in the performance and life of steel deck pavement. Adhesive layer not only had the function to prevent corrosion of steel decks in Gussasphalt steel bridge deck, but also absorbed and transferred the stress and strain generated from traffic loads. This paper presents a research on the bonding technology of Gussasphalt concrete and steel deck based on the construction of Nanjing 4th Yangzi River Bridge. The paper presents processing requirements on blasting sand and field painting of steel bridge deck, which is suitable for solvent rubber asphalt.Keywords: Bonding technology, Bonding mechanism, Solvent rubber asphalt, Nanjing 4th Yangzi River Bridge, Sa 3.0 deck treatment.1 前言钢桥面铺装是一项世界性难题，沥青混凝土与钢桥面板的粘结是一种典型的金属材料与非金属材料的粘结。

桥面沥青混凝土试验段总结报告过快，因此必须紧跟快压。

2、局部有离析现象，碾压时有些边部碾压不到位；压路机手应严格按照碾压 方案碾压，钢轮与胶轮机手对碾压工艺还需加强配合。

3、使用小型平板振动夯对防撞墙边部进行碾压前，要人工进行补料平整。

4、集水井部位处理不到位，应严格按照方案进行施工。

七、试验段确定的施工方法和技术数据1、通过试验段施工，验证了改性沥青混凝土 （AC-16C ）沥青路面施工工艺、施工人员及机械的配备比拟合理，在以后大面积施工中按此执行。

2、试验段结果确定混合料松铺系数为1.20。

3、确定了摊铺机摊铺方法，即摊铺机的行进速度宜控制在之间，两台摊铺机梯队作业的间隔距离宜控制在5-10m 之间。

4、确定了碾压按照“高温、紧跟、高频、低幅”的原那么，顺序为先边后中、先钢轮后胶轮，碾压组合程序如下:5、验证了用于正式施工的生产配合比为①1#： 2#： 3#： 4#： 5#：矿粉 =9%: 22%: 22%: 12%: 32%: 3%,6、改性沥青碎AC-16C 沥青路面的油石比为4. 9%o通过试验段的现场情况和各种试验检测数据情况来看，该生产配合比及松铺 系数和机械设备的组合基本合理，能够满足以后的大面积施工作业。

八、总结本次试验段在13:30时结束后，在现场于17:00时召集了参与这次试验段的 施工技术人员、操机手，对这次试验段进行了及时的总结，针对施工中各个环节 存在的问题及应注意的细节，提出了改进意见。

经过总结认为：本次沥青路面沥青试验段机械配备，人员的设置是充 分、有效的，准备是充分的。

在监理工程师的指导下，现场技术管理人员 的合理安排下，成功地完成了试验段1) 2台双钢轮紧跟压摊铺机; 2) 2台胶轮压路机紧跟钢轮压路机;3)3) 1 “胶” 1 “钢”为1组，一去一回算一遍，钢轮2遍，胶轮3遍; 4) 4) 1台钢轮收光1遍;的作业。

由于是做试验段，作业面积短，因而在压实机械方面稍显富余，未能充分发挥机械效能，但在大面积作业的情况下，此现象必能得到有效改观；运输车辆在本次作业中装料、加盖保温蓬布、运输、接受检测、卸料等方面能够保持施工秩序的井然有序，紧张而不慌乱，满足施工的要求。

沥青路面层间结合的扭剪与拉拔试验分析韩志宇;张新天;【摘要】重载道路沥青路面层间结合具有特殊的受力状态．综合基层其抗扭剪性能与抗拉拔性能以及两者之间的相关性可以全面评价层间黏结效应．以简化的结构模型为基础，通过设计实验方法确定基于两指标的黏结层材料洒布量的变化规律，并提出了两者间的关系方程．【期刊名称】《北京建筑大学学报》【年(卷),期】2015(031)002【总页数】8页(PP.8-14,28)【关键词】层间结结;扭剪试验;拉拔试验;相关性【作者】韩志宇;张新天;【作者单位】北京建筑大学土木与交通工程学院,北京100044;;【正文语种】中文【中图分类】其他第 31 卷第 2 期 2015 年 6 月北京建筑大学学报 Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol． 31 No． 2 Jun． 2015文章编号: 1004 － 6011( 2015) 02 － 0008 － 07沥青路面层间结合的扭剪与拉拔试验分析韩志宇，张新天(北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044)摘要: 重载道路沥青路面层间结合具有特殊的受力状态．综合基层其抗扭剪性能与抗拉拔性能以及两者之间的相关性可以全面评价层间黏结效应．以简化的结构模型为基础，通过设计实验方法确定基于两指标的黏结层材料洒布量的变化规律，并提出了两者间的关系方程．关键词: 层间结结; 扭剪试验; 拉拔试验; 相关性中图分类号: U416.03文献标志码: AAnalysis of the Tensile Shear and Anti- Drawing Test about theInterlayer Between Asphalt LayersHanZhiyu，Zhang XintianSchool of Civil and Traffic Engneering， Beijing University of Civil Engneering and Architecture， Beijing 100044)Abstract: Special stateof stress exists in the combination between overloading road asphalt layers． Comprehensiveness of the tensile shear performance and the anti- drawing performance of the base layer andtheircorrelation can fully evaluate the interlayer bonding effect． With the simplified model as thefoundation， the changing rules of the two indexes under the bonding layer material distributing quantityaredetermined through designing experiments． And the relation equation between both is proposed．Key words: combination; tensile shear test; anti- drawing test; correlation收稿日期: 2015 －03 －22作者简介: 韩志宇( 1988—) ，男，硕士研究生，研究方向: 道路与交通工程．1问题的提出1.1 问题提出的背景沥青路面层间结合的黏结性能检验最早出现在桥面防水材料的检验中．英国于 1986 年制定了公路施工黏结质量检测规范; 至 20 世纪 70 年代中后期，德国、法国等大多数欧洲国家均有专门的桥面防水材料选择标准和防水系统黏结性能设计施工规范，加拿大和美国也有近半数的省、州制定了相关标准和规范．而我国到目前为止，还没有制定相应的路面层间黏结性能检测标准与规范，未形成一套适用于评价沥青路面层间黏结以及桥面防水层的检测指标和试验手段［1］．《公路沥青路面施工技术规范》 ( JTGF40— 2004) 要求沥青路面采用分层施工，铺筑某一结构层前要对其下承层进行处理，保持表面清洁，并在基层与面层之间洒铺透层油，在面层之间洒铺黏层油．虽然现行规范对透层油和黏层油的规格和用量进行了规定，但并未规定采用什么评价指标和检测方法来评价联结层的黏结效果．综上所述，国内外对沥青路面层间黏结的检测指标主要有两个: 抗剪切强度和黏结强度［2］．抗剪切强度指标用于层间黏结状态评价符合车轮荷载作第31卷2期2015 年 6 月北京建筑大学报Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol． 31No． 2Jun．2015摘要:重载道路沥青路面层间结合具有特殊的受力状态．综合基层其抗扭剪性能与抗拉拔性能Abstract: Special state of stress exists in the combination between overloading road asphalt layers．Comprehensiveness of the tensile shear performance and the anti- drawing performance of the base layerandKeywords:combination; tensile shear test; anti- drawing test; correlation1.问题提出的背景沥青路面层间结合的黏结性能检验最早出现在桥面防水材料的检验中．英国于 1986 年制定了公路施工黏结质量检测规范; 至 20 世纪 70 年代中后期，德国、法国等大多数欧洲国家均有专门的桥面防水材料选择标准和防水系统黏结性能设计施工规范，加拿大和美国也有近半数的省、州制定了相关标准和规范．而我国到目前为止，还没有制定相应的路面层间黏结性能检测标准与规范，未形成一套适《公路沥青路面施工技术规范》 ( JTGF40—2004) 要求沥青路面采用分层施工，铺筑某一结构层前要对其下承层进行处理，保持表面清洁，并在基层与面层之间洒铺透层油，在面层之间洒铺黏层油．虽然现行规范对透层油和黏层油的规格和用量进行了规定，但并未规定采用什么评价指标和检测方法来评价联结层的黏结效果．综上所述，国内外对沥青路面层间黏结的检测指标主要有两个: 抗剪切强度和黏结强度［2］．第 2 期韩志宇等: 沥青路面层间结合的扭剪与拉拔试验分析用下路面受力状态，检测方法较多却不统一; 黏结强度指标是层间黏结状态的间接评价指标，检测方法简便、统一．1.2 模型的提出汽车在路面行驶时轮胎与路面产生水平摩擦力，从而使路面结构内产生较大的剪切应力．在道路的下坡急拐弯路段、服务区、十字路口等地方，路面结构内产生的剪切应力更大，并且会产生较大的水平力矩作用．目前抗剪强度指标的检测方式有斜剪与直剪两种，抗扭剪强度指标的检测没有得到普遍应用．但随着道路车流量逐渐增大，车辆轴载也不断增加，路面联结层抗扭剪作用表现得更明显，应该得到更为广泛的重视．取受力模型如图 1 所示圆柱体，表面半径为 r，高为联结层厚度．当不考虑垂直荷载，仅仅以表面力矩为研究对象时，施加在表面均布的力矩可等效简化为作用在边缘的力矩，其沿边缘周长连续分布．图 1 扭剪试验单元受力示意图其中: P 为外力，其大小为外部力矩半径 ; t 为层间黏结力; α 为截面边缘单元与竖直方向夹角．在联结层边缘任选一点，取其与表面圆心连线所在截面，将其分割成有限个竖直受力单元，如图 1 所示．假设截面在外力作用下发生微小形变，由于截面从外到内形变呈递减趋势，所以两个相邻单元之间存在相对位移和应力作用，且在无限接近于圆心位置，相对位移和应力作用都趋近于 0．由此可以近似认为: 外力截面最外侧单元向内部传递［3］，截面受力平衡如图 2 所示．其中: q 为截面个单元所受黏结力在水平方向分力．由图 2 可知 q 近似为三角形均布荷载，截面边图 2 截面水平力受力平衡示意图缘为应力最大位置．当抗扭剪力达到最大时，设截面边缘单元与结构层黏结力为 g，则:g = 3p r (1)由图 1 所示截面边缘受力平衡得到:t = 3p r · tanα (2)联结层所受外力力矩 M 为:M0 = 2πpr 2 (3)得出:M0 = 2 3 πtr 3 tanα (4)路面要保持良好的连续状态，联结层除了要提供足够的抗剪强度外，还要在竖直方向具备良好的黏结强度．层间拉拔试验可以检验路面结构上、下层间的黏结力，反映出路面结构的黏结强度［4］．将联结层分割为有限个竖直单元，单元两端由黏结力提供拉力，近似可模拟为以下模型［5］:图 3 拉拔试验单元受力示意图由图 3 可得，所施加外部拉力 T0 为:T0 = πtr 3 (5)由式( 4) 和式( 5) 可近似得外部施加扭剪力与拉拔力关系为:9韩志宇等: 沥青路面层间结合的扭剪与拉拔试验分析用下路面受力状态，检测方法较多却不统一; 黏结强度指标是层间黏结状态的间接评价指标，检测方法简便、统一．模型的提出汽车在路面行驶时轮胎与路面产生水平摩擦从而使路面结构内产生较大的剪切应力．在道路的下坡急拐弯路段、服务区、十字路口等地方，路面结构内产生的剪切应力更大，并且会产生较大的水平力矩作用．目前抗剪强度指标的检测方式有斜剪与直剪两种，抗扭剪强度指标的检测没有得到普遍应用．但随着道路车流量逐渐增大，车辆轴载也不断增加，路面联结层抗扭剪作用表现得更明显，应该得到更为广泛的重视．取受力模型如图 1 所示圆柱体，表面半径为 r，高为联结层厚度．当不考虑垂直荷载，仅仅以表面力矩为研究对象时，施加在表面均布的力矩可等效简化为作用在边缘的力矩，其沿边缘周长连续分布．图扭剪试验单元受力示意图半径;t 为层间黏结力; α 为截面边缘单元与竖直方向夹角．在联结层边缘任选一点，取其与表面圆心连线所在截面，将其分割成有限个竖直受力单元，如图 1所示．假设截面在外力作用下发生微小形变，由于截面从外到内形变呈递减趋势，所以两个相邻单元之间存在相对位移和应力作用，且在无限接近于圆心位置，相对位移和应力作用都趋近于0．由此可以近似认为: 外力截面最外侧单元向内部传递［3］，截截面水平力受力平衡示意图g=3pr·tanαM02πpr3πtr路面要保持良好的连续状态，联结层除了要提供足够的抗剪强度外，还要在竖直方向具备良好的黏结强度．层间拉拔试验可以检验路面结构上、下层间的黏结力，反映出路面结构的黏结强度［4］．将联结层分割为有限个竖直单元，单元两端由黏结力提供拉力，近似可模拟为以下模型［5］:拉拔试验单元受力示意图T0北京建筑大学学报2015 年M0 = 2 3 T0tanα (6)即抗扭剪力与抗拉拔力近似关系为:M = 2 3 Ttanα (7)从理论模型上可以看出:扭剪试验和拉拔试验均能很好地评价联结层的黏结作用，并且两者之间存在理论上的线性关系． 2) 两种试验从不同角度对联结层进行评价试验，得出两种表征不同的性能指标，所以，在评价道路结构性能时有必要同时试验．在实际情况中，还有其他因素影响联结层黏结性能，设为θ，所以式( 7) 可表为:M = 2 3 Ttanα + θ (8)试验方案设计2.1 扭剪试验扭剪试验的主要思想是模拟路面层间在受到方向变化的剪切力时的状态，严格来说其试验原理和路面实际受力状况有一定差别．但是通过模型方程来看，其得到的结果仍然是层间平均抗剪强度，并以此来逼近层间的实际受剪状态，且试验方法比较简单，容易控制，因此用它来评价层间的抗剪切性能是可以接受的［6］．试验原理如图 4 所示．将成型好的试件固定在底座上，套上夹具，动力部分通过传力杆向试件施加力矩作用．当试件发生扭剪破坏时，数显窗口会显示向试件所施加的最大力矩值．图 4 试验设备示意图本试验采用交通运输部科学研究院自行研制的数显扭剪仪，其结构紧凑，可靠程度高，易于上手使用;模块化设计，拆装方便，适合室内及现场检测沥青路面层间结合性能．2.2 拉拔试验拉拔试验是直接检测路面上、下两层间黏结能力的方法，其结果可反映层间结合部位整体不脱离的能力．同时，因为沥青路面层间抗剪强度主要来自于黏结材料的贡献，所以拉拔试验的结果也能部分反映层间的抗剪切变形能力［7］．试验原理如图 4 所示．在底座上固定好试件，套上夹具，放置好千斤顶支座，并安装好千斤顶，在液压控制部分缓慢向试件试压，当试件发生拉拔破坏时，数显窗口显示此时向试件施加的最大拉力值．试验仪器在数显扭剪仪的基础上改装，去掉扭剪动力部分，增加千斤顶和液压装置．2.3 试验条件 1) 针对透层试验试件，采用“沥青混凝土面层+透层 + 半刚性基层” 组合方式．黏结材料选用基质沥青和改性乳化沥青［8］，分别做扭剪试验与拉拔试验．试件成型模具与无侧限抗压试件成型模具相同尺寸，复合试件如图 5 所示．针对下封层试验试件，采用“沥青混凝土面层 + 透层 + 下封层 + 半刚性基层” 组合方式．透层采用改性乳化沥青，洒布量为 1.5 kg /m2 ; 下封层黏结材料选用基质沥青和改性乳化沥青，在20 ℃ 分别做扭剪试验与拉拔试验．上述其他条件不变，试件在40 ℃ 分别做扭剪试验与拉拔试验．复合试件如图 6 所示．0 12015 年T0tanαMTtanα关系．两种试验从不同角度对联结层进行评价试Ttanα + θ2.扭剪试验扭剪试验的主要思想是模拟路面层间在受到方向变化的剪切力时的状态，严格来说其试验原理和路面实际受力状况有一定差别．但是通过模型方程来看，其得到的结果仍然是层间平均抗剪强度，并以此来逼近层间的实际受剪状态，且试验方法比较简单，试验原理如图4 所示．将成型好的试件固定在底座上，套上夹具，动力部分通过传力杆向试件施加力矩作用．当试件发生扭剪破坏时，数显窗口会显示向试件所施加的最大力矩值．4试验设备示意图本试验采用交通运输部科学研究院自行研制的数显扭剪仪，其结构紧凑，可靠程度高，易于上手使用;拉拔试验拉拔试验是直接检测路面上、下两层间黏结能力的方法，其结果可反映层间结合部位整体不脱离的能力．同时，因为沥青路面层间抗剪强度主要来自于黏结材料的贡献，所以拉拔试验的结果也能部分反映层间的抗剪切变形能力试验原理如图 4 所示．在底座上固定好试件，套上夹具，放置好千斤顶支座，并安装好千斤顶，在液压控制部分缓慢向试件试压，当试件发生拉拔破坏时，数显窗口显示此时向试件施加的最大拉力值．试验仪器在数显扭剪仪的基础上改装，去掉扭试验条件针对透层试验试件，采用“沥青混凝土面层层透层 + 下封层 + 半刚性基层” 组合方式．透层下封层黏结材料选用基质沥青和改性乳化沥青，在20 ℃ 分别上述其他条件不变，试件在40 ℃ 分别做扭剪试验与拉拔试验．复合试件如图 6 所示．0图 5 透层复合试件结构模型图 6 下封层复合试件结构模型试验数据分析图 7 改性乳化沥青透层扭剪和拉拔试验结果3.1 透层试验采用改性乳化沥青，洒布量为 0.5 kg /m2 、 1.0 kg /m2 、 1.5 kg /m 2 、 2.0 kg /m 2 ，对成型好的试件进行扭剪试验和拉拔试验，结果如表 1．表 1 改性乳化沥青透层扭剪和拉拔试验数据洒布量( kg/m2)0.5 1.0 1.5 2.0 扭剪力矩( N · m)113.4131.6172.3139.4拉拔力( kN)1.1 1.5 2.2 1.8当其他条件不变，将黏结材料更换为普通基质沥青，分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 2 所示．从图 7、图 8 可以看出，黏结材料为改性乳化沥青或是基质沥青时，其抗扭剪性能都随着沥青洒布表 2 基质沥青透层扭剪和拉拔试验数据60.5 79.6 114.9 87.0.8 1.0 1.5 1.3量的增加呈现先增加后减少的规律，其抗拉拔能力亦是如此．当黏结层改性沥青的洒布量较小时，黏结层油膜较薄，层间的黏结力较小; 随着洒布量超过最佳用量后，层间自由沥青增加，黏结力主要由沥青本身提供，且自由沥青在层间起着润滑作用，致使抗剪强度减小．根据曲线峰值可以得出，在水泥稳定碎石基层表面喷洒透层油时最佳洒布量在 1.5 kg / m附近; 在洒布量超过最大值后，抗扭剪性能迅速下降，而抗拉拔能力则下降趋势平缓; 通过曲线峰值的比较，基质沥青的黏结性能不如改性乳化沥青．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下做抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析，其结果如图 9 所示．1 15透层复合试件结构模型6下封层复合试件结构模型7改性乳化沥青透层扭剪和拉拔试验结果3.透层试验采用改性乳化沥青，洒布量为 0.5 kg /m、kg /m，对成型好的试件表改性乳化沥青透层扭剪和拉拔试验数据0.扭剪力矩( N · m)8当其他条件不变，将黏结材料更换为普通基质沥青，分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 2从图 7、图 8 可以看出，黏结材料为改性乳化沥青或是基质沥青时，其抗扭剪性能都随着沥青洒布基质沥青透层扭剪和拉拔试验数据60.79.114.987.量的增加呈现先增加后减少的规律，其抗拉拔能力亦是如此．当黏结层改性沥青的洒布量较小时，黏结层油膜较薄，层间的黏结力较小;随着洒布量超过最佳用量后，层间自由沥青增加，黏结力主要由沥青本身提供，且自由沥青在层间起着润滑作用，致使抗剪强度减小．根据曲线峰值可以得出，在水泥稳定碎石基层表面喷洒透层油时最佳洒布量在 1.5 kg /m附近; 在洒布量超过最大值后，抗扭剪性能迅速下降，而抗拉拔能力则下降趋势平缓; 通过曲线峰值的比较，基质沥青的黏结性能不如改性乳化沥青．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下做抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析，其结果如图 9 所示．图 8 基质沥青透层扭剪和拉拔试验结果从图 9 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显的线性关系，也符合力学分析模型的假设．进一步可知，试验所得的抗拉拔能力指标能反映抗扭剪性能指标，即抗拉能力强的材料，其抗扭剪能力也一定强．图9 两种沥青透层扭剪和拉拔试验关系图3.2 下封层 1) 试验中黏结料为改性乳化沥青，其洒布量分别 0.5 kg /m 2 、 1.0 kg /m 2 、 1.5 kg /m 2 、 2.0 kg /m 2 ，集料粒径为 3 ～ 5 mm，洒布量为 60% ，在20 ℃ 分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 3 所示．表 3 改性乳化沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验数据313.4354.7447.8140.41.2 1.7 2.5 2.0当其他条件不变，将黏结材料更换为普通基质沥青，分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 4 所示．从图 10、图11 可以看出，由于集料的存在，黏结层在先洒布透层的情况下增加了沥青用量，并且随着沥青洒布量的增加，抗扭剪性能都随着沥青洒布量的增加呈现先增加后减少的规律，其抗拉拔能表 4 基质沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验数据116.9143.6224.9132.40.8 0.9 1.6 1.3力亦是如此．根据曲线峰值可以得出，在水泥稳定碎石基层表面设置下封层时，黏结材料最佳洒布量在1.5 kg /m 2 附近; 在洒布量超过最大值后，抗扭剪性能下降十分明显，而抗拉拔能力则下降趋势平缓; 通过曲线峰值的比较，基质沥青的黏结性能不如改性乳化沥青; 由于集料的存在，下封层的抗扭剪性能相比透层有很大提高．在沥青材料洒布量超过最佳值后，扭剪试验与拉拔试验所得结果出现很大差异，初步认为是由于集料对抗扭剪作用的影响造成的，所以取其从初始洒布量至最佳洒布量之间的变化趋势为研究对象．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下进行抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析．2 1基质沥青透层扭剪和拉拔试验结果从图 9 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显的线性关系，也符合力学分析模型的假设．进一步可知，试验所得的抗拉拔能力指标能反映抗扭剪性两种沥青透层扭剪和拉拔试验关系图下封层试验中黏结料为改性乳化沥青，其洒布量分别集料粒径为 3 ～ 5 mm，洒布量为 60% ，在20 ℃ 分别做改性乳化沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验数据沥青，分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 4从图 10、图 11 可以看出，由于集料的存在，黏结层在先洒布透层的情况下增加了沥青用量，并且随着沥青洒布量的增加，抗扭剪性能都随着沥青洒布量的增加呈现先增加后减少的规律，其抗拉拔能基质沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验数据力亦是如此．根据曲线峰值可以得出，在水泥稳定碎石基层表面设置下封层时，黏结材料最佳洒布量在附近; 在洒布量超过最大值后，抗扭剪性能下降十分明显，而抗拉拔能力则下降趋势平缓;通过曲线峰值的比较，基质沥青的黏结性能不如改性乳化沥青; 由于集料的存在，下封层的抗扭剪性能相比透层有很大提高．在沥青材料洒布量超过最佳值后，扭剪试验与拉拔试验所得结果出现很大差异，初步认为是由于集料对抗扭剪作用的影响造成的，所以取其从初始洒布量至最佳洒布量之间的变化趋势为研究对象．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下进行抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析．图 10改性乳化沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验结果图 11 基质沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验结果从图 12 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显的线性关系，也符合力学分析模型的假设．由于基质沥青的黏结强度较小，其抗拉拔能力和抗扭剪能力变化范围较小，致使两者相关性十分显著．图 12 两种沥青下封层20 ℃扭剪和拉拔试验关系其他条件同上，黏结材料选用改性乳化沥青，试件在40 ℃条件下分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 5 所示．表 5 改性乳化沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验数据293.9334.5439.6152.31.3 1.7 2.5 1.9当其他条件不变，将黏结材料更换为普通基质沥青，试件在40 ℃ 条件下分别做扭剪试验与拉拔试验．所得结果如表 6 所示．表 6 基质沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验数据86.9 103.6 146.092.4 拉拔力( kN)0.5 0.6 0.9 0.73 110改性乳化沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验结果11基质沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验结果从图12 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显的线性关系，也符合力学分析模型的假设．由于基质沥青的黏结强度较小，其抗拉拔能力和抗扭剪能12两种沥青下封层20 ℃ 扭剪和拉拔试验关系改性乳化沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验数据沥青，试件在40 ℃ 条件下分别做扭剪试验与拉拔试基质沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验数据86.103.6146.092.在 40 ℃ 条件下，相比较20 ℃ 温度下的扭剪试验和拉拔试验，当黏结材料为改性乳化沥青时，抗扭剪性能和抗拉拔性能想差无几，这说明改性沥青有着较大的温度适用范围; 而普通基质沥青的两个性能指标发生了较大程度下降，这说明基质沥青具有较强的温度敏感性; 但随着黏结材料洒布量的增加，抗扭剪性能和抗拉拔性能的变化趋势都与其他条件下相似．图13 改性乳化沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验结果图 14 基质沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验结果仍旧取从初始洒布量至最佳洒布量之间的变化趋势为研究对象．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下进行抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析．从图 15 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显的线性关系，也符合力学分析模型的假设．由于基质沥青的温度敏感性，在较高温度条件下黏结强度明显下降，其抗拉拔能力和抗扭剪能力变化范围进一步减小，致使两者相关性更为显著．图 15 两种沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验关系下转第 28 页)4 140℃条件下，相比较20 ℃ 温度下的扭剪试验和拉拔试验，当黏结材料为改性乳化沥青时，抗扭剪性能和抗拉拔性能想差无几，这说明改性沥青有着较大的温度适用范围; 而普通基质沥青的两个性能指标发生了较大程度下降，这说明基质沥青具有较强的温度敏感性; 但随着黏结材料洒布量的增加，抗扭剪性能和抗拉拔性能的变化趋势都与其他条件下相似．13改性乳化沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验结果14基质沥青下封层40 ℃ 扭剪和拉拔试验结果仍旧取从初始洒布量至最佳洒布量之间的变化趋势为研究对象．针对两种沥青材料，在不同洒布量条件下进行抗扭剪力和抗拉拔力的相关性分析．从图 15 可以看出，抗拉拔力和抗扭剪力呈明显质沥青的温度敏感性，在较高温度条件下黏结强度明显下降，其抗拉拔能力和抗扭。

本次实验旨在测定沥青混合料的抗拉强度，分析其性能，为沥青混合料的工程设计提供数据支持。

二、实验原理沥青混合料的抗拉强度是指沥青与矿料在受到拉伸力作用时，抵抗断裂的能力。

实验采用间接拉伸法测定沥青混合料的抗拉强度，通过测定沥青混合料试件在拉伸过程中承受的最大拉力，从而计算出抗拉强度。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 沥青：沥青混合料中沥青含量为4.5%；- 矿料：石灰岩碎石，粒径范围为2.36mm-19mm；- 矿粉：石灰岩磨细粉，细度模数为3.0；- 水：符合国家标准的生活饮用水。

2. 实验仪器：- 沥青混合料试件制备机；- 混合料搅拌机；- 拉伸试验机；- 筛分机；- 离心分离机；- 燃烧炉；- 电子天平；- 玻璃瓶；- 量筒；- 秒表。

1. 沥青混合料试件制备：（1）按照配合比称取沥青、矿料和矿粉；（2）将沥青加热至规定温度，加入矿料和矿粉，搅拌均匀；（3）将搅拌好的沥青混合料倒入试模中，用压路机压实；（4）将试模放入养护箱中养护至规定时间。

2. 沥青含量测定：（1）将试件放入离心分离机中，进行离心分离；（2）将分离出的沥青和矿料分别称重；（3）计算沥青含量。

3. 抗拉强度测定：（1）将试件放入拉伸试验机夹具中，调整夹具间距；（2）启动拉伸试验机，以规定的拉伸速度进行拉伸；（3）记录试件断裂时的最大拉力；（4）计算抗拉强度。

五、实验结果与分析1. 沥青含量测定结果：沥青含量为4.5%。

2. 抗拉强度测定结果：- 试件1：抗拉强度为2.5MPa；- 试件2：抗拉强度为2.8MPa；- 试件3：抗拉强度为3.0MPa。

3. 分析：通过实验可知，该沥青混合料的抗拉强度为2.5MPa-3.0MPa，满足工程设计要求。

实验结果与规范要求基本一致，说明该沥青混合料具有良好的抗拉性能。

六、结论本次实验通过测定沥青混合料的抗拉强度，为沥青混合料的工程设计提供了数据支持。

实验结果表明，该沥青混合料具有良好的抗拉性能，满足工程设计要求。

混凝土界面黏结强度的测试与分析一、引言混凝土结构是现代建筑中最常见的一种结构形式，而混凝土结构的强度主要由混凝土的强度和混凝土与钢筋的黏结强度共同决定。

因此，混凝土与钢筋之间的黏结强度是混凝土结构的关键性能之一。

而混凝土界面黏结强度测试是评估混凝土结构黏结强度的常用手段之一，本文将对混凝土界面黏结强度的测试与分析进行详细介绍。

二、混凝土界面黏结强度的定义混凝土界面黏结强度指的是混凝土与另一种材料（通常为钢筋）之间的黏结强度，是评估混凝土结构强度的重要指标之一。

混凝土界面黏结强度的大小直接影响混凝土结构的承载能力和使用寿命。

三、混凝土界面黏结强度的测试方法1. 直剪试验法直剪试验法是评估混凝土界面黏结强度最常用的方法之一。

其原理是通过施加剪切力来破坏混凝土与钢筋之间的黏结力。

具体实验步骤如下：1）将试验样品制成直径为100mm的圆柱形或正方形截面的试件，试件长度为200mm；2）在试件两端各加装一个钢筋，试件中心处另加装一个对称钢筋；4）当试件受到一定的加载时，开始施加横向剪切力，直到试件断裂；5）记录试样的最大剪切力和断裂面积，计算出混凝土与钢筋之间的界面黏结强度。

2. 拉伸试验法拉伸试验法也是评估混凝土界面黏结强度的一种常用方法。

其原理是通过施加拉伸力来破坏混凝土与钢筋之间的黏结力。

具体实验步骤如下：1）将试验样品制成直径为100mm的圆柱形或正方形截面的试件，试件长度为200mm；2）在试件两端各加装一个钢筋，试件中心处另加装一个对称钢筋；3）将试件放置在试验机上，施加纵向加载；4）当试件受到一定的加载时，开始施加横向拉伸力，直到试件断裂；5）记录试样的最大拉伸力和断裂面积，计算出混凝土与钢筋之间的界面黏结强度。

3. 剥离试验法剥离试验法是另一种评估混凝土界面黏结强度的方法。

其原理是通过施加剥离力来破坏混凝土与钢筋之间的黏结力。

具体实验步骤如下：1）将试验样品制成直径为100mm的圆柱形或正方形截面的试件，试件长度为200mm；2）在试件两端各加装一个钢筋，试件中心处另加装一个对称钢筋；4）当试件受到一定的加载时，开始施加横向剥离力，直到试件断裂；5）记录试样的最大剥离力和断裂面积，计算出混凝土与钢筋之间的界面黏结强度。