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摘要：连续配筋混凝土路面上铺筑功能层沥青层是新型的复合式路面结构，其层间粘结是该路面结构中的薄弱点。本文通过Bisar3.0按等弯沉原则简化出不同等效土基回弹模量，基于室内斜剪试验测得粘结系数K和抗剪强度，在不同水平力系数作用下，对比分析完全连续和部分连续状态下的层间最大剪应力，并分析沥青层厚度对层间最大剪应力的影响，推荐适宜的沥青层厚度。结果表明，层间不完全连续、水平力系数为0.5时对层间剪应力增长影响大，而等效土基回弹模量对层间剪应力增长影响小；沥青层厚度的增加对层间剪应力减小的影响逐渐减小，最佳沥青层厚度应取8cm。
关键词：粘结强度；层间最大剪应力；粘结系数K；复合式路面
0引言
目前我国的交通呈现交通量大、轴载重的发展趋势，在应对反复重载交通下，连续配筋水泥混凝土路面（CRCP）比普通水泥混凝土路面（JCP）具有更好的承重能力和耐久性。CRCP通过设置纵向连续钢筋来抵抗温度应力，控制横向裂缝间距和宽度，取消设置横向伸缩缝。在CRCP上加铺沥青面层（AC）作为功能层，避免环境因素对CRCP的直接影响，有效削弱温、湿度应力的作用，同时减少重载车辆的动态冲击力[1][2]。JCP接缝处的AC在水平荷载作用下极易产生剪切推移[3]，AC+JCP的路面结构形式易产生反射裂缝，CRCP的纵向钢筋通过调节横向裂缝的宽度，可以从根源上预防AC+CRCP结构反射裂缝的形成。因此，湖北省在重载交通路段尝试采用AC+CRCP这一新型复合式路面结构。由于CRCP与AC模量值相差达10倍以上，层间产生有效粘结强度是二者协同变形的关键点，同时层间粘结也成为整个路面结构中最薄弱的一环。
层间抗剪强度主要由粘结材料的粘结力和骨料间形成的嵌挤力和摩擦力组成，层间抗剪强度试验常见的包括直剪、斜剪、拉拔、扭转试验四种。周志刚等基于直剪试验探究了层间剪切破坏发展的三个阶段[4]。刘定清等通过直剪、拉拔试验比较了不同水泥混凝土板界面处理方式和四种粘结材料对层间粘结强度的影响，抛丸和刻槽是最有效提高界面颗粒摩擦力的手段，SBS改性沥青和橡胶沥青能够有效产生粘结强度和抗剪强度[5]。刘景宝等通过直剪、拉拔试验对比了不同粘结材料及其洒布量对层间抗剪强度的影响[6]。田荣燕等通过斜剪试验和拉拔试验比较了不同土量的污染和环境温度对层间粘结强度的影响[7]。
《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2017）在设计沥青路面时基于层状弹性理论体系并假定路面各结构层完全连续，然而，层间粘结难以在整个服役期处于完全连续状态，而是逐渐失效的过程。在进行路面理论分析计算中，可用于模拟部分连续的的模型有古德曼模型、剪切弹簧模型等。庞婵等用Bisar3.0利用滑动系数α分析了不同层间接触状态、沥青面层模量和面层厚度对层间最大剪应力的影响，从完全连续到完全光滑最大剪应力值和作用点都在变化，沥青层厚度对层间最大剪应力的影响远大于其模量变化带来的影响[8]。张丙强设置Goodman接触单元，利用有限元分析轴重和层间粘结强度对路面水平应力的影响，层间粘结强度对粘结层界面损伤影响极大[9]。
粘结层在使用过程中，有效粘结强度随着时间逐渐减少。王磊等利用疲劳试验机对试件进行直剪试验，试验结果表明改性乳化沥青能够提高沥青路面层间疲劳寿命，层间粘结受到污染、高应力比的循环荷载会极大缩短层间疲劳寿命[10]。吴平等通过计算不同粘结强度对结构层受力的影响，提出层间粘结强度减弱将使面层由受压状态转向受拉，易使沥青层疲劳开裂[11]。
目前关于层间粘结问题的研究主要从室内实验和力学分析展开，从材料的角度看，界面抗剪强度主要与粘结材料类型和洒布量、沥青集料类型、接触界面的粗糙度等有关；另外铺装时接触界面是否受到污染有关，实验时温度、加载速率等对层间抗剪强度影响极大。另外，循环温度、水、重载、疲劳荷载等会造成层间的部分粘结强度失效，从而导致结构层受力状态的改变，目前关于这部分的实验和理论研究较缺乏。
本文基于Goodman模型将层间最大剪应力作为评判粘结层是否失效的标准，通过斜剪试验测得层间粘结系数K，用于计算层间最大剪应力，对比分析了不同粘结状态、等效土基回弹模量、水平力系数对层间最大剪应力的影响，证明了引入粘结系数的必要性，并构建层间粘结失效的评价体系，为后续研究层间粘结疲劳失效做基垫。分析不同沥青层厚度对层间剪应力的影响，推荐适宜的沥青层厚度，实现结构安全性和工程经济效益的最大化。
1层间粘结的计算模型简化
本文采用湖北省常见的AC+CRCP结构形式进行计算，结构图及其参数选取见图1，在标准轴载BZZ-100作用下，利用Bisar3.0计算得出轮载中心点处弯沉l=18.48×10-2mm。由于相比于竖向力，水平力对路面弯沉影响较小，可按照等弯沉原则等效出1l、2l、3l下不同等效土基回弹模量，路面结构图及其参数选取如图1及表1所示。
图1湖北省AC+CRCP试验路结构图及其计算简图
表1不同等效土基回弹模量E0
2室内斜剪试验
路面层间粘结状态极为复杂，单纯简化为完全连续的状态与实际受力情况极为不符。Bisar3.0中基于Goodman模型设置了剪切柔量ALK，用来表征不同的粘结系数K。Goodman模型示意图见图2，当K=0时，层间光滑；K→∞时，层间连续；0＜K＜∞时，层间部分连续。
假定在剪应力τ作用下，上下层发生相对位移量Δu，则粘结系数K的计算如下：
本文采用斜剪试验进行层间抗剪强度试验，测得25℃下“AC试块+SBS改性沥青+水泥混凝土试块”间的抗剪强度和粘结系数K。斜剪试验试验原理示意图如图3所示，将直径10cm的试验试块夹入模具中，通过液压装置对试件施加竖向力P，模具可转动不同角度α来控制正应力和剪应力的施加比例，则试件层间承受剪应力τ计算公式如下：
图3斜剪试验原理示意图
沥青混凝土面层中采用的沥青为A级70#道路石油沥青，水泥混凝土层选用普通硅酸盐水泥制备，SBS改性沥青选用常见洒布量1.5kg/m2。试件制备过程如下：首先制备5cm厚水泥混凝土板，养护28天后铺洒SBS改性沥青及5cm厚沥青混凝土，并碾压击实，最后钻芯取得ϕ100mm*100mm的圆柱体试验试件，试件示意图见图4。
图4试件结构示意图
试验温度选择常温25℃，荷载加载速率选择50mm/min，为剔除试件蠕变性能的影响，保证层间粘结性能呈现弹性状态，采用快剪试验方案。考虑最不利的制动状态，选择45°角对试件进行斜剪直至破坏。试验过程中粘结层每产生0.25mm的滑移量记录一次施加在试件上的竖向力读数，利用公式（2）转换为层间剪应力τ。
斜剪试验结果见图5，AC+CRCP粘结层层间刚刚开始受力时，层间剪应力τ与位移量u呈线性关系，当层间剪应力达到0.59MPa时，层间承受剪应力值基本维持不变，而位移量却在不断增大。根据试验数据可以算出，该试件层间粘结系数K=106N/m3，取层间抗剪强度[τmax]=0.59MPa。
图5斜剪试验τ-u图
3不同粘结状态下层间最大剪应力分析
车辆在下坡路段、红绿灯路口等行驶过程中的启动、减速急刹车会产生较大的水平力，导致层间剪应力的增大。取一般行驶过程中水平力系数f=0.35，紧急刹车时水平力系数f=0.5。分三种工况对不同层间粘结状态下层间最大剪应力进行计算，见表2，P表示BZZ-100单侧单圆的竖向荷载值，为25kN。
表2不同工况下的路面组合受力情况
为确定粘结层水平面内最大剪应力，分别选取5个荷载点进行计算，选取其中最大值作为层间最大剪应力τmax。Bisar3.0计算示意图如图6所示，F表示水平力，方向指向y轴正向。
图6弹性层状体系Bisar3.0计算示意图
在不同等效土基回弹模量和不同水平力系数下，不同粘结状态下粘结层τmax计算结果见图7。
图7Bisar3.0计算出的层间最大剪应力τmax（MPa）
按照不同水平力系数进行分析，可以看出随着水平力系数增大，τmax增大，水平力系数从0→0.35时，τmax增长幅度不大；水平力系数从0.35→0.5时，τmax增长幅度达到35%左右。可见车辆在正常行驶过程中对粘结层破坏影响不大，而紧急刹车会对粘结层产生较大的影响，频繁制动处容易发生疲劳剪切破坏，高温下粘结层抗剪强度降低，易发生一次性剪切破坏。
按不同等效土基模量分析，随着土基模量的增加，最大剪应力水平降低幅度并不大，主要原因是CRCP层刚度较大，能够提供足够的支撑力给AC层，从而削弱了土基回弹模量对路面水平方向应力分布的影响。实际上，对于该路面结构，土基回弹模量对竖向弯沉值影响仍然不容忽视。
按层间粘结状态进行分析，可以看出完全连续状态下τmax值远远小于K=103N/m3下算出的τmax。当层间完全连续时，τmax出现在单圆边缘3点处；随着层间粘结性能失效，处于部分连续状态下，出现在单圆边缘1、4处，层间粘结状态影响了τmax的值及其分布点。规范中将层间简化为完全连续状态，容易导致计算出的层间剪应力值偏小，从而导致沥青面层拉应力和拉应变计算值与实际受力情况不符；同时，也忽视了层间剪应力对路面结构的影响。
4不同沥青层厚度下层间剪应力分析
CRCP上铺装AC作为功能层时，能够有效避免温度和水的侵害，减少CRCP的翘曲应力和基层的冲刷，同时缓和重载车轮对CRCP的冲击荷载。AC层厚度的选择将会影响整个工程的结构安全性、耐久性和经济合理性。
为选择合适的AC层厚度，以不同AC层厚度对原结构在工况Ⅲ下层间最大剪应力的作为指标进行分析，计算结果见图8。可以看出，在2mm～10mm之间时，τmax随AC层厚度的增加而减小，减小量越来越小，AC层8mm～10mm厚时，减少量达到最小值，随后τmax随AC层厚度的增加而减小，但减小量有所增加。考虑到工程的经济性，推荐AC层厚度取8cm。
图8τmax与AC层厚度的关系图
5结论
1）室内斜剪试验时，层间抗剪强度和位移量在破坏的第一阶段呈线性关系，可测出粘结系数K。
2）粘结系数K可用来描述层间粘结状态，层间粘结状态的不同对层间最大剪应力的分布和值有很大的影响，当层间完全连续时，τmax出现在3点处；当层间处于部分连续状态下，出现在1、4处，且τmax增加。水平力系数从0→0.35时，τmax增长幅度不大；水平力系数从0.35→0.5时，τmax增长幅度达到35%左右。土基回弹模量值对τmax的影响不大，对弯沉值影响大。
3）AC层厚度增加可以有效减小τmax，可在保证结构安全的前提下，按照经济性的原则对AC层厚度进行选取。
4）随着环境和车辆荷载的影响，层间有效粘结将逐渐失效，层间抗剪强度也将减小，关于层间粘结疲劳性能及其与实际路用性能的相关性有待进一步的研究。
参考文献：
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