引　言

现行《公路沥青路面设计规范》对水泥混凝土桥面、水泥混凝土路面板等沥青铺装层所形成的刚柔复合式路面结构提出了设计要求和方法，但近年随着交通量尤其是重型车辆的增加，这些复合式路面的沥青铺装层普遍出现了变形、推移、网裂、坑槽、剥落、横向裂缝等病害。其中一个重要原因是水泥混凝土板与沥青铺装层之间的抗剪切破坏能力不足，不能承受交通荷载的作用，出现高温剪切推移和常温剪切疲劳2类破坏。已有研究发现，水泥混凝土板与沥青铺装层间抗剪切破坏能力与交通荷载、环境因素、铺装材料、层间条件等因素有关中国沥青网sinoasphalt.com。但这些研究主要围绕层间抗剪强度，甚少关注层间剪切疲劳性能的试验研究。文献分别进行了复合式路面结构的层间斜向剪切疲劳试验和无正压力下的沥青路面层间剪切疲劳试验研究。文献进行了复合式梁弯曲疲劳试验，间接研究了层间疲劳性能。有关研究表明，在进行层间剪切疲劳验算时一般直接参照城市道路设计规范中的剪切结构强度系数以考虑交通荷载的疲劳作用，而这一系数与交通荷载累积作用次数的经验关系已长年未变，不能充分反映新形势下复杂多样的层间结合条件、沥青铺装材料及其结构组合、交通荷载等情况，更未反映环境因素的影响。因此，为了保证水泥混凝土板沥青铺装层的使用性能和寿命，有必要系统地开展刚柔复合式路面层间剪切疲劳性能的研究。

关于水泥混凝土板沥青铺装层间强度，普遍采用拉拔试验、无正压力的直剪试验、垂直斜剪试验等方式进行测试，而这些方式均未能正确反映黏聚力和摩阻角形成的层间抗剪强度状态。

基于此，本文利用自行研制可施加正压力的剪切试验仪，对沥青混凝土及其与水泥混凝土板复合式试件，开展不同水环境、正压力条件下沥青混凝土及其与水泥混凝土板层间的抗剪强度、剪切疲劳性能的试验，并在此基础上计算不同水环境和荷载条件下沥青铺装结构的剪切疲劳寿命，分析剪切疲劳破坏潜在层位，探讨水和超载对水泥混凝土板沥青铺装层间剪切疲劳寿命的影响规律，为层间剪切结构强度系数的确定提供试验和理论依据，以指导水泥混凝土板上沥青铺装层的设计与施工。

复合式试件制作及层间处理

根据高等级公路常用的双层沥青加铺复合式路面结构，选用沥青混凝土AC-20作为刚柔复合式试件的沥青铺装层。其中沥青和防水黏结层用油均为符合I-D要求的SBS改性沥青；集料为石灰岩。根据马歇尔试验，SBS改性沥青混合料AC-20的最佳油石比为4.2%。复合式试件层间采用粒径为9.5~13.2mm的同步碎石防水黏结层，其沥青用量为1.6kg·m-2，碎石用量为8kg·m-2。

首先制作成305mm×400mm×40mm的水泥混凝土板，养生24h后进行板表面处理。采用人工凿毛模拟现场混凝土板表面处理方式。凿毛间距为3.0cm，凿毛深度为1~5mm，用铺砂法测定凿毛间距的平均构造深度为0.45mm。

凿毛养生28d后，喷洒SBS改性沥青涂料，并按设计撒布量撒布单一粒径碎石。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的轮碾法，制作尺寸为305mm×400mm×90mm的复合车辙板，其中混凝土板厚40mm，沥青层厚50ｍｍ。将其切割成80mm×80mm×90mm的块状试件，其中车辙板边缘的20mm部分弃用，并对同一车辙板切成的2个相同试块的混凝土底面用水泥砂浆黏结，形成80mm×80mm×185mm左右对称的长条形试件，包含2个对称的剪切界面，然后在标准养生室养生7d。

另外按轮碾成型再切割的方法制作SBS改性沥青混凝土AC-20梁式试件，尺寸为80mm×80mm×200mm，用于材料的抗剪强度和剪切疲劳性能试验。

试验条件设定

层间剪切疲劳性能与其抗剪强度紧密相关，而层间抗剪强度可用摩尔-库仑剪切强度理论表述，即它由层间黏聚力和摩阻力σtAn(φ)共同提供。其中正压力σ来源于交通荷载的作用，考虑双层沥青铺装结构的传荷效应，选取0.5，0.7MPA分别作为直剪试验中的正压力，反映标准轴载和超压的影响。

SBS改性沥青及其混合料属于温度敏感性材料。研究表明，沥青混合料的疲劳破坏大多集中在常温条件下，因此，参照以往做法和《公路沥青路面设计规范》规定，选取15℃作为直剪试验温度。

由于混凝土板沥青铺装材料的孔隙结构和结构局部缺陷可能导致层间防水黏结层处于浸水状态，其在有水环境下的性能非常关键。因此，对无水干燥和有水2种水环境下的层间剪切性能进行试验对比。对于水的影响，试验时按照浸水马歇尔试验方法对试件进行水浴处理。

本文采用自行研制的可施加正压力的直接剪切试验装置配合材料试验系统环境箱和加载测试系统，针对SBS改性沥青混凝土及其与水泥块的复合式试件，分别在15℃、不同正压力及不同水环境条件下进行直接剪切疲劳试验。试验中采用应力控制模式，所施加的剪切应力值分别为对应条件下抗剪强度的40%、50%、60%、70%。荷载波形为半正矢波，其最小荷载控制为最大荷载的2%，以避免疲劳试验中在较长时间荷载作用下试件与压头脱离接触，影响试验结果。试验中加载频率为10Hz。

试验结果及分析

抗剪强度试验

进行剪切疲劳试验前需先测定不同条件下的抗剪强度。可知：随着正压力的增加，材料抗剪强度和层间抗剪强度均增大；水浸蚀会削弱抗剪强度。同样条件下材料抗剪强度高于层间抗剪强度。这是由于沥青混凝土和层间防水黏结层采用同样的SBS改性沥青时，沥青混凝土中沥青与集料的黏结是在较高温度条件下充分拌和产生的，经过拌和、摊铺碾压，集料之间嵌挤咬合状态良好，有利于材料抗剪强度的形成。而层间防水黏结层———同步碎石，其沥青和碎石施工是先后进行的，沥青在碎石表面的分布不均匀，其后沥青混凝土施工时，先撒布的沥青与热沥青混凝土的黏结效果不如沥青混凝土自身的沥青黏结，同步碎石与沥青混凝土集料颗粒之间嵌挤咬合也弱于沥青混凝土自身，同时防水黏结层与水泥混凝土板表面构造之间的嵌挤咬合更差。这些因素均导致层间抗剪强度弱于沥青混凝土材料本身的抗剪强度。

剪切疲劳试验

可知：随着剪切应力比的增大，剪切疲劳寿命缩小，并且剪切应力比S和疲劳寿命Nf具有良好的双对数线性关系。

可以看出，沥青混凝土剪切疲劳指数B为5.30~6.07，层间剪切疲劳指数B为5.13~5.85，波动不大。而疲劳系数A差异性较大。浸水时A小于无水时A，0.5和0.7MPA时浸水时A与无水时A的比值分别为0.68和0.37；正压力大时A大，干燥和浸水时A在0.7与0.5MPA的比值分别为2.51和1.38。这意味着水的浸蚀会缩短剪切疲劳寿命，而单纯增加正压力有利于延长剪切疲劳寿命。

层间剪切疲劳寿命分析

上述试验结果说明剪切疲劳特性参数有别于材料自身拉伸或压缩等疲劳特性，它们不仅反映了材料特性与环境因素有关，还取决于外界荷载施加的正压力。而正压力的大小直接受到轮载、沥青铺装层结构模量及厚度的影响。另外，剪切疲劳寿命还与剪应力大小有关，后者取决于轮载大小及其水平力作用；因此，后文将根据剪切疲劳试验结果，结合常用的水泥混凝土板双层沥青铺装层结构三维有限元计算，主要对比分析水平力、超压荷载因素对层间剪切疲劳寿命的影响，其中包括有无浸水的对比。

并采用同样的层间剪切应力τ计算剪切疲劳寿命，分析不同因素对沥青铺装层间剪切疲劳寿命的影响。

层间剪切疲劳破坏位置

在水泥混凝土板沥青铺装结构实际使用中，层间剪切疲劳破坏存在发生在层间界面和其上铺沥青混凝土材料底部2种位置的可能性，具体位置与层间和上铺沥青混凝土材料抗剪切疲劳能力有关。因此，在分析时需分别计算层间和上铺沥青混凝土材料的剪切疲劳寿命。

根据三维有限元计算，在标准垂直荷载为0.7MPA、不同水平荷载作用下，不同沥青铺装结构组合时的水泥板与沥青铺装层间剪切应力为0.1130~0.1944MPA。取其平均值τ=0.154MPA，用于正压力为0.5MPA时的层间剪切疲劳寿命计算。由于交通荷载正压力增加，会伴随着层间剪切应力增加，故对于正压力为0.7MPA的情形，取层间剪切应力τ=0.216MPA。

可知，在同样条件下，沥青铺装层底剪切疲劳寿命大于混凝土板与沥青铺装层间剪切疲劳寿命，其比值在正压力0.5和0.7MPA时分别约为1.96、3.45和9.07、29.76，因此通常情形下层间剪切破坏沿着混凝土板表面发生。不同正压力情形下的差异性应与沥青混凝土材料内部、混凝土板沥青铺装层间的沥青黏结和集料嵌挤状况差异性有关。由于混凝土板表面难以形成类似于混合料集料堆积排列时形成的表面构造结构，层间界面上沥青对集料的包裹黏结作用、集料与混凝土板表面的嵌挤咬合作用均弱于沥青混凝土本身，并且沥青混凝土一般沿着相互交错嵌挤的集料之间剪切滑移，而混凝土板与沥青铺装层之间的滑移面明确单一，路径更为复杂，会消耗更多的能量，故交通重载超压时有利于延长沥青混凝土内部剪切疲劳寿命，不利于混凝土板与沥青铺装层间剪切疲劳寿命。必须指出的是此处仅对比研究沿着层间界面或沥青铺装层底水平剪切滑移的可能性，未考虑在超压作用下沥青铺装层本身更可能存在的在其厚度范围内斜向剪切疲劳破坏，此时一方面促使破坏的剪应力增大，另一方面剪切滑移带上法向压力减小，抵抗剪切破坏能力降低。

对于混凝土板与沥青铺装层间破坏面，在常温和正压力为0.5MPA作用条件下，无水干燥和浸水时的层间剪切疲劳寿命分别为925.7×106，137.7×106次，浸水导致其寿命降低了85.1%；而当超压时，无水干燥的层间剪切疲劳寿命为207.3×106次，与正压力0.5MPA时的疲劳寿命相比降低了77.6%，这说明浸水对层间剪切疲劳寿命的影响比超压的更为显著。在超压作用下若进一步考虑浸水影响，层间剪切疲劳寿命降低极为显著，达到了95.6%；反之，若加强防水措施和严格控制轴载压力，层间剪切疲劳寿命可延长约22倍。

水平力

对于水泥混凝土板上双层沥青铺装结构，通过三维有限元分析，计算出标准垂直荷载0.7MPA、不同水平荷载作用下的水泥板与沥青铺装层间剪切应力和正压力，然后根据正压力分别为0.5，0.7MPA时层间剪切疲劳寿命计算结果进行插值，得到不同水平力系数和水环境条件时的层间剪切疲劳寿命。对于后文不同超压系数的影响分析，也采取同样方式计算层间剪切疲劳寿命。

可知，一旦有水平力作用，层间剪切疲劳寿命急剧下降，并随水平力系数的增加而逐渐减小。水平力系数由0增加到0.1和0.5时，无水干燥时层间剪切疲劳寿命分别缩短45.5%、92.6%，浸水时层间剪切疲劳寿命分别缩短45.4%、92.5%。此时层间剪切疲劳寿命的缩小比例取决于剪切疲劳指数B，因不同正压力和水环境时的B值相差不大，故在水平力系数增大幅度相同时，层间剪切疲劳寿命缩短比值几乎一致。同时，浸水时层间剪切疲劳寿命约为干燥时的17%，随着水平力系数的增加，仅有略微的增长。这是因为条件相同时，疲劳寿命长短主要取决于疲劳系数A，不受水平力的影响，故浸水与干燥时疲劳寿命比值几乎不变。

超　压

可知，一旦有超压时，层间剪切疲劳寿命急剧下降，并随着超压系数的增加而逐渐减小。如超压20%和80%，无水干燥时层间剪切疲劳寿命分别缩短55.0%、91.0%，浸水时层间剪切疲劳寿命分别缩短46.5%、86.2%。此时疲劳寿命的缩小比例取决于剪切疲劳指数B，因B的绝对值大于1，故超压作用力越大，层间剪切疲劳寿命降低越明显。同时，浸水时的层间剪切疲劳寿命约为无水干燥时的20%，并且随着超压系数的增加而增大。这是因为条件相同时，疲劳寿命长短主要取决于疲劳系数A，但也受到剪切应力水平的影响。剪切应力水平与剪切应力和抗剪强度有关，随着超压系数的增加，剪切应力水平值有所增加，因浸水和无水干燥时疲劳指数B的差异性，它们的疲劳寿命比值有所增加，如标准轮压和超压80%时其比值分别为17.2%和26.3%。

必须指出，上述分析中层间剪切疲劳寿命高达1×109次以上，这除了室内剪切疲劳试验结构模型、加载方式和环境条件等与实际情况存在偏差之外，关键在于交通荷载水平力经过双层沥青铺装层后传递至混凝土板表面的水平剪切应力很小。这意味着通常情况下混凝土板与双层沥青铺装层间不会发生剪切疲劳破坏，除非层间防水功能失效而浸水以及超载。

结语

(1)沥青混凝土和层间界面的剪切疲劳寿命均与剪切应力水平具有良好的双对数线性关系，不同水环境和正压力条件下其剪切疲劳指数B为5~6，而疲劳系数A差异性较大，浸水或正压力小时A较小。剪切疲劳特性参数A和B不仅反映了材料特性与环境因素有关，还取决于剪切面上承受的正压力和剪应力，即与交通荷载和沥青铺装结构有关。

(2)对于试验中水泥板表面凿毛处理、SBS改性沥青同步碎石防水黏结层、SBS改性沥青混凝土AC-20加铺层情形，由于混凝土板与沥青铺装层间结合状态偏弱，层间抗剪强度低于沥青铺装材料的抗剪强度；水浸蚀会削弱材料及层间抗剪强度。同样条件下，沥青铺装层底剪切疲劳寿命长于混凝土板与沥青铺装层间剪切疲劳寿命，层间剪切破坏会沿着混凝土板表面发生。

(3)浸水会导致层间剪切疲劳寿命降低85%以上；水平力和超压作用也会缩短层间剪切疲劳寿命45%以上，水平力和超压越大，层间剪切疲劳寿命越短；浸水比交通荷载的影响更为显著。

(4)本文研究成果有助于科学认识刚柔复合式路面结构层间剪切疲劳特性和剪切疲劳破坏机理，指导复合式路面结构设计与施工。但层间剪切试验仅考虑了AC-20SBS改性沥青混凝土加铺材料、水泥板表面凿毛处理方式和同步碎石防水黏结层的刚柔复合式结构形式，后续工作中有必要开展其他沥青加铺结构形式的层间剪切强度与疲劳特性试验研究，以进一步验证和丰富相关研究成果。