透层油对钢渣道路的基-面层层间抗剪性能影响研究

徐宇晗，陈国新, ，李黎阳，苏万忠，赵旭章

(1. 新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；
2. 嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001；
3. 新疆互力佳源环保科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830022)

随着我国炼钢工业的发展，钢渣的排放量逐渐增大，其造成的环境污染、土地占用等问题亟待解决。因钢渣具有表面多孔、棱角分明、针片状含量远小于石灰岩与玄武岩、高强度等特点[1]，将钢渣应用于道路工程是实现钢渣循环利用的重要手段。大量学者针对钢渣道路展开了研究，研究发现：钢渣作为基层的基体材料时由于钢渣强度较高的特性，水泥稳定钢渣基层具有良好的板体性，其强度高于水泥稳定碎石基层[2]，并且可以很好地传递水平及竖向荷载，大大提高了路面结构的稳定性[3]。由于水泥稳定钢渣基层与沥青面层的弹性模量、温度敏感性不同、且变形协调性不统一，所以基层与面层的结合处往往会是路面结构中最薄弱的环节[4]，是路面出现车辙、U型裂缝、推移等各种病害的主要因素。因此，提高水泥稳定钢渣基层与沥青面层的结合度，有利于路面结构的稳定性及提高路面的使用寿命。为了提高半刚性基层与沥青路面层的层间结合度，众多学者展开了大量的研究。牟压强等[5]采用环氧沥青、SBS 改性沥青对混凝土路面与沥青面层的层间黏结性能进行研究，研究表明：环氧沥青的层间黏结性能明显优于SBS改性沥青。赵之仲等[6]对ATB-25沥青混凝土与半刚性基层的层间抗剪规律进行研究，研究发现温度对层间抗剪性能影响最大，建议在高温区严格控制沥青含量。靳庆霞等[7]通过斜剪试验对不同乳化沥青的抗剪性能进行研究，试验表明SBR乳化沥青的黏结性能最佳。刘朝晖等[8]对采用不同处理的层间界面进行抗剪试验，结果显示高黏度的黏结材料可明显提高抗剪强度。DAS等[9]通过对现场钻芯的试样进行层间抗剪试验发现，层间抗剪强度在很大程度上取决于撒布黏接材料的基层类型与基层表面的纹理。SONG等[10]研究了不同沥青混合料类型路面结构的层间剪切性能，直剪试验的结果表明，上层采用骨料尺寸较小的沥青混合料能够提供更好的黏结效果，有利于提高层间抗剪强度。由此可见，撒布透层油能有效地改善基层与面层之间的接触状态。目前，针对水泥稳定钢渣基层的研究集中在钢渣对基层强度的影响，鲜有对水泥稳定钢渣基层与沥青面层的接触问题的研究。因此，本文针对水泥稳定钢渣基层与沥青面层的层间抗剪性能展开研究。在基层表面撒布3种透层油，研究透层油的种类及用量对基-面层层间抗剪强度的影响。同时为了表征不同透层油用量下的层间接触状态，引入摩擦因数，结合斜剪试验与有限元分析结果提出最佳透层油用量与摩擦因数的模型，为后续的研究提供一定的理论支持。

1.1 试验原材料及混合料级配

试验中用到的水泥为新疆天山水泥股份有限公司制造的42.5普通硅酸盐水泥，沥青为克拉玛依生产的100号沥青，透层油选用新疆正大防水有限公司制造的基质沥青、乳化沥青、SBS改性沥青，集料为宝钢集团新疆八一钢铁有限责任公司的废弃钢渣，钢渣的陈化时间在1 a以上，安定性满足要求。半刚性基层采用骨架密实型结构，其级配如图1(a)所示，通过标准击实试验及无侧限抗压强度试验确定其水泥用量为4.5%，最佳含水率为4.9%；
沥青面层采用AC-16，混合料级配如图1(b)所示，经马歇尔试验得到AC-16钢渣沥青混合料的最佳油石比为4.8%。

1.2 层间处治及试件成型

基层及面层的成型方法均采用静压成型法，试件的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，高度方向上为50 mm基层+50 mm面层，在静压成型过程中为了避免材料发生回弹需稳压2～3 min。为了更加直观地对比不同透层油及用量对层间抗剪性能的影响，本试验中基-面层层间不设置下封层，直接在基层表面撒布SBS改性沥青、乳化沥青和基质沥青3种透层油，透层油的用量分别是0.8，1.0和1.2 kg/m2。成型的试件如图2所示。

本试验采用万能材料试验机结合自制的钢模具对基-面层试件进行斜剪试验，如图3(a)所示。斜剪试验在常温下进行，实测温度为(25±2) ℃。加载速率选取1 mm/min，试验原理如图3(b)所示。

3.1 透层油种类对层间抗剪性能的影响

表1为不同透层油的斜剪试验结果。由表1可知，不同透层油对层间抗剪强度有着较大的影响，但是抗剪强度受基-面层层间接触状态变化影响的大小以及3种透层油的优越性并不明确。因此，通过黏结系数[11-12]与灰色关联度2个方面对不同透层油的优劣进行分析，并筛选出最佳透层油。

表1 撒布不同透层油试件的斜剪试验结果Table 1 Oblique shear test results of specimens with different permeable oil

3.1.1 不同透层油的黏结系数

为了探究不同透层油黏结性能的好坏，引入古德曼模型中的黏结系数Ks来评价层间黏结性能，即：

式(1)中：Ks为黏结系数，106N/m3；
Δu为层间相对位移，m。利用古德曼模型来评价透层油的黏结效果只需要确定基层与面层发生的层间相对位移和此时对应的剪应力，就可以得出层间黏结系数，从而评估不同透层油的黏结能力。通过表1及式(1)计算可得不同透层油的黏结系数，如表2所示。

表2 不同透层油处置的黏结系数Table 2 Bonding coefficients for different transparent oil disposals 106 N/m3

表2为3种透层油不同用量下的黏结系数。对每种透层油的黏结系数取加权平均后可知，相较于层间无透层油试件的黏结系数，SBS改性沥青的黏结系数提高了100.4%，基质沥青和乳化沥青相较于无透层油的黏结系数提高了74.9%和17.1%。SBS改性沥青和基质沥青均随着透层油的用量先增后减，并且都在1.0 kg/m2时达到最大值；
乳化沥青的黏结系数随着透层油的用量增加而减小。由此可见SBS改性沥青的黏结性能最好，乳化沥青最差。

3.1.2 透层油种类的灰色关联度分析

灰色关联度法是多因素统计法，利用灰色关联度法可以分析各因素之间的强弱、大小和次序，若样本数据反映出的因素变化趋势基本一致，则关联度较大，反之关联度较小。研究因素n共9个分别为：SBS改性沥青s1(0.8，1.0和1.2 kg/m2，记为因素n1～n3)；
乳化沥青s2(0.8，1.0和1.2 kg/m2，记为因素n4～n6)；
基质沥青s3(0.8，1.0和1.2 kg/m2，记为因素n7～n9)。以每组数据的绝对值最小值为最优样本作为参考数列记为X={X(i)|i=1，2，3，…，9},记比较数列为Xj={Xj(i)|i=1，2，3，…，9}，j=1，2，3,则X={0.74, 1.12, 0.5, 0.86, 0.68, 0.69, 0.63, 0.90,0.48}。具体结果如表3所示。

表3 灰色关联度分析结果Table 3 Analysis results of grey correlation degree

由表3可知，SBS改性沥青、乳化沥青和基质沥青对层间抗剪强度的关联度平均值分别为0.749，0.709和0.678，其中SBS改性沥青对层间抗剪强度的影响程度最高，基质沥青次之，乳化沥青最低。由于关联度分析仅仅是各因素对变量影响程度的描述，仍然不能确定哪一种透层油对基-面层层间抗剪强度有利，因此定义不利程度公式[13]：

式中：Ri为第i个因素的关联度。计算得：Fs1=7.104，Fs2=6.663，Fs3=7.178。SBS改性沥青、乳化沥青和基质沥青对基-面层层间抗剪强度的不利程度是各不相同的，其中乳化沥青的不利程度最小，基质沥青的不利程度最大。

结合抗剪试验与黏结系数可以发现：虽然基质沥青对基-面层层间抗剪强度有一定的提升，但是在灰色关联度分析中，基质沥青对基-面层层间抗剪性能影响最小、对层间抗剪强度最不有利，因此，基质沥青是3种透层油中最不适合作为透层材料的；
乳化沥青的不利程度最小，然而其抗剪强度与黏结系数却是3种透层油中最低的；
SBS改性沥青的抗剪强度最高，其对基-面层层间抗剪强度的影响最大，虽然SBS改性沥青的不利程度相比乳化沥青较高，但是考虑到乳化沥青的抗剪强度与黏结系数相对较低，综合考虑抗剪强度、黏结系数和关联度三方面后，决定采用SBS改性沥青作为最佳透层油。

3.2 SBS改性沥青透层油的最佳用量

为了探究SBS改性沥青用量与基-面层层间抗剪强度的关系，选取5个SBS改性沥青用量进行斜剪试验。

SBS改性沥青用量与抗剪强度的试验数据如表4所示。由表4可知，当SBS改性沥青用量从0.6 kg/m2增加到1.0 kg/m2时，层间抗剪强度会逐渐增大并在1.0 kg/m2时取得最大层间抗剪强度，从1.0 kg/m2增加到1.4 kg/m2时，层间抗剪强度却逐渐降低。相较于无透层油的试件，当SBS改性沥青用量为0.8，1.0和1.2 kg/m2时，平均抗剪强度分别提高了47.5%，68.9%和19.7%；
当SBS改性沥青用量为0.6 kg/m2和1.4 kg/m2时，平均抗剪强度分别降低了1.6%和27.9%。可见适量的SBS改性沥青有利于改善基-面层层间接触状态，提高基-面层层间的抗剪强度；
相反，少量或者过量的SBS改性沥青会造成基-面层层间接触状态的恶化。因此，基于斜剪试验的结果，SBS改性沥青的用量建议取0.8～1.2 kg/m2。

图4为基-面层试件破坏后的基层表面。① 号试块为无SBS改性沥青基层表面，②～⑥号试块分别对应SBS改性沥青用量为0.6，0.8，1.0，1.2和1.4 kg/m2时的基层表面。从图4中可以看出，随着SBS改性沥青用量逐渐增加，基层表面的摩擦痕迹逐渐变少，SBS改性沥青的残留量在逐渐增加；
当SBS改性沥青用量到达1.4 kg/m2时，基层表面的摩擦痕迹几乎消失并且在表面覆盖有一层厚厚的油膜。结合表4中的平均抗剪强度可知，过量的SBS改性沥青会在表面形成一层油膜影响基层与面层之间的接触，使得层间接触状态更加接近于光滑接触，可以认为此时层间抗剪强度主要由黏结作用提供。

表4 抗剪强度与透层油用量的关系Table 4 Relationship between shear strength and penetration oil dosage

表5为SBS改性沥青用量与抗剪强度的单因素方差分析结果。从表5中不难看出，SBS改性沥青的用量对于层间抗剪强度影响是显著的，在满足F检验的条件下，出现比F值极端的错误概率仅为0.000 028，这远远小于约定的α=0.01，并且F0.01(4，10)对应的临界值也小于F值，故拒绝原假设。即：在α=0.01的显著水平下，SBS改性沥青的用量与抗剪强度之间具有明显的关系。进而可以构建SBS改性沥青用量与抗剪强度的模型：

表5 SBS改性沥青用量与抗剪强度单因素方差分析Table 5 One-way analysis of variance of the amount of SBS modified asphalt and shear strength

其中：x为SBS改性沥青的用量；
τ为抗剪强度，R2=0.92。拟合曲线如图5所示，当x1=0.96时取得最大值y=1.01，当SBS改性沥青用量为0.96 kg/m2时，抗剪强度取得最大值1.01 MPa。

在行车过程中，路面结构的受力是十分复杂的，为了分析透层油在行车过程中对基-面层层间抗剪性能的影响，采用ABAQUS有限元软件进行模拟分析。在传统的有限元分析中，基-面层层间接触状态多采用摩擦模型进行分析，此模型中仅考虑基层与面层的摩擦作用并没有考虑透层材料本身的特性，实际上在加载过程中当透层材料达到初始损伤应力后会进入损伤状态。因此为了研究摩擦作用与透层材料的损伤共同作用时，基-面层层间抗剪强度的变化规律，引入脱层损伤失效模型[14]模拟SBS改性沥青。

4.1 脱层损伤失效模型

脱层损伤失效模型本质是应力-应变曲线服从双线性变化的内聚力模型，如图6(a)所示，即当荷载增加到一定程度时，界面开始出现损伤直至脱开。在ABAQUS中通过单元界面位移与界面刚度进行表征。

脱层损伤失效模型如图6(b)所示，设界面层的厚度h趋近于0，则单元界面总位移可表征为：

其中：ui，up和ui，down分别为面层下表面与基层上表面的位移，i取值为1, 2, 3。

界面刚度可表示为：

其中：k1，k2和k3分别是x1，x2和x3方 向 上 的剪切刚度；
G13和G23分别为x1-x2面上x1和x2方向上的剪切模量；
E3为x3方向上的杨氏模量。

实际上当界面开始产生损伤时，界面刚度会随着损伤的发生而出现变化，为了表征界面刚度在损伤过程中的变化，引入损伤变量ω描述界面损伤区域，则损伤发生过程中界面刚度为：

式中：·为MacAuley算子；
εi3为损伤变量。

4.2 有限元模型及相关参数

建立有限元模型，尺寸与室内试验一致，有限元模型如图7所示。加载模式采用位移加载，边界条件：顶面不做约束，底面完全固定，其他四面均无对应方向位移。为了验证不同透层油用量对层间抗剪强度的影响，基于损伤脱层失效模型，通过改变基-面层层间的摩擦因数来表征不同透层油用量对应的层间接触状态，研究摩擦因数对基-面层层间抗剪性能的影响，由李彦伟等[15]知沥青面层与水泥稳定类基层的摩擦因数在0.399～0.829之间，故取0.2～0.8[16]进行模拟。具体材料参数见表6和表7[17-18]。

表7 SBS改性沥青损伤参数Table 7 Damage parameters of SBS modified asphalt

表6 材料参数Table 6 Material parameter

4.3 层间接触状态的确定

图8为摩擦因数与层间抗剪强度的有限元分析结果。由图8可知，基-面层层间抗剪强度随着摩擦因数的增大而不断地提高，基层与面层层间的接触状态也随之得到改善。对摩擦因数与层间抗剪强度进行拟合可得：

其中：μ为摩擦因数；
τ为抗剪强度。

基于水泥稳定钢渣基层沥青面层的路面结构，结合式(4)与式(5)提出摩擦因数与SBS改性沥青用量关系的模型，即：

其中：x为SBS改性沥青用量；
μ为摩擦因数。图9为摩擦因数与SBS改性沥青用量的曲线。由图9可知，随着SBS改性沥青用量的增加，基-面层层间的摩擦因数逐渐增大，SBS改性沥青用量达到0.96 kg/m2时摩擦因数取得最大值，继续增加SBS改性沥青用量摩擦因数逐渐降低。当SBS改性沥青用量从0.5 kg/m2增加至0.6 kg/m2时，层间摩擦因数的大小增大了110%，基-面层层间接触状态出现大幅改善；
当SBS改性沥青的用量从1.3 kg/m2增加至1.4 kg/m2时，层间摩擦因数的大小降低了26.5%，可以认为当SBS改性沥青用量从1.3 kg/m2开始，层间接触状态出现大幅度恶化。

因此，为了保证基-面层层间良好的接触状态，结合SBS改性沥青用量与抗剪强度的试验结果，SBS改性沥青的用量建议取0.7～1.3 kg/m2，此时摩擦因数取0.69～0.71，并且当SBS改性沥青的用量为0.96 kg/m2时，该方程出现拐点，摩擦因数取得最大值0.71。

1) 相较于无透层油的试件，撒布SBS改性沥青、基质沥青与乳化沥青的试件，其抗剪强度均有明显的提升，其中SBS改性沥青对层间抗剪强度的提升最大、基质沥青次之、乳化沥青最小，可见撒布透层油对层间接触状态具有一定的改善。

2) 结合黏结系数与灰色关联度分析结果，确定以SBS改性沥青作为最佳透层油。针对SBS改性沥青用量与层间抗剪强度的关系进行斜剪试验，得出SBS改性沥青的最佳用量为0.96 kg/m2，并且此时层间抗剪强度取得最大值1.01 MPa。SBS改性沥青对钢渣道路中基-面层层间抗剪性能有显著提高作用，应用于工程结构是可行的。

3) 结合试验结果与有限元分析，提出基于水泥稳定钢渣基层与沥青面层的层间摩擦因数与SBS改性沥青关系的模型，基于该模型推荐SBS改性沥青用量为0.7～1.3 kg/m2，摩擦因数建议取0.69～0.71，并且SBS改性沥青用量为0.96 kg/m2时，摩擦因数为0.71。

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