耿立濤， 楊新龍， 徐惠芬， 王顯赫

（1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.山東建筑大學(xué) 山東省道路與交通工程高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101）

反射裂縫病害是半剛性基層瀝青路面的一種常見(jiàn)且具有巨大潛在破壞性的病害，在影響路面美觀(guān)和行車(chē)舒適性的同時(shí)，還為水侵入路面結(jié)構(gòu)提供了通道，從而誘發(fā)路面結(jié)構(gòu)的早期破壞［1－2］.國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)反射裂縫提出了多種防治措施，如半剛性基層預(yù)切縫、加厚瀝青面層、設(shè)置土工織物隔離層、設(shè)置級(jí)配碎石過(guò)渡層等等［3－7］.這些防治措施各有優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn).例如，半剛性基層預(yù)切縫和加厚瀝青面層雖能延緩反射裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，但無(wú)法阻止反射裂縫產(chǎn)生；設(shè)置級(jí)配碎石過(guò)渡層防治反射裂縫效果良好，但可能受設(shè)計(jì)標(biāo)高的限制；設(shè)置土工織物對(duì)基層質(zhì)量和施工控制質(zhì)量敏感等等.應(yīng)力吸收層是近年出現(xiàn)的用于防治半剛性基層瀝青路面反射裂縫的一種新型技術(shù)手段，它是一種具有高彈性、高變形能力的軟夾層，通常設(shè)置在半剛性基層和瀝青面層之間，可分為混合料型和撒布型兩種，因兼具使用性和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，在工程應(yīng)用中取得了較好的效果［8－9］.但由于應(yīng)用年限較短，國(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能測(cè)試及設(shè)計(jì)方法，混合料型應(yīng)力吸收層多參照瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，撒布型應(yīng)力吸收層則多依照工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取設(shè)計(jì)參數(shù)［10］.

本文開(kāi)展撒布型應(yīng)力吸收層技術(shù)性能試驗(yàn)方法的研究，通過(guò)分析其使用功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的抗反射裂縫性能、抗剪性能和抗拉性能的試驗(yàn)方法，并分別以橡膠瀝青應(yīng)力吸收層和SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層對(duì)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)分析.結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法可操作性強(qiáng)、試驗(yàn)結(jié)果合理且規(guī)律性明顯，從而為撒布型應(yīng)力吸收層的技術(shù)評(píng)價(jià)、瀝青類(lèi)型的選擇以及設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供了一種途徑.

1 撒布型應(yīng)力吸收層

撒布型應(yīng)力吸收層是為防治反射裂縫而設(shè)計(jì)的鋪筑于半剛性基層與瀝青面層（或舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層）之間的一種特殊的碎石封層，通常以聚合物改性瀝青材料作為黏結(jié)劑，其上撒鋪單一粒徑碎石并經(jīng)碾壓而成［11］.撒布型應(yīng)力吸收層充分利用了改性瀝青的高彈性、高變形能力，以及石料可消解應(yīng)力集中但不傳遞拉應(yīng)力的特性，因而具備防治反射裂縫的能力.此外，撒布型應(yīng)力吸收層采用的單一粒徑碎石還為瀝青層提供了較大的摩阻力，瀝青經(jīng)碎石擠壓后可形成一層較厚的防水層，為路面結(jié)構(gòu)提供了封水能力.

撒布型應(yīng)力吸收層除應(yīng)具備防治反射裂縫的基本功能外，由于在行車(chē)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生剪切應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力，應(yīng)力吸收層與半剛性基層和瀝青面層間還應(yīng)保證足夠的黏結(jié)性，不至于因其抗剪強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度不足而引起面層與基層的水平滑移或豎向脫離.

2 撒布型應(yīng)力吸收層技術(shù)性能的試驗(yàn)方法研究

設(shè)計(jì)合理的技術(shù)性能試驗(yàn)方法應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)試指標(biāo)與使用功能相對(duì)應(yīng)、方法簡(jiǎn)單且可操作性強(qiáng)、測(cè)試結(jié)果規(guī)律性明顯等要求.為此，本文在分析撒布型應(yīng)力吸收層使用功能的基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)方法，并選擇以實(shí)際工程中常用的應(yīng)力吸收層對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn).采用9.5～13.2mm的單一粒徑石料，以80%滿(mǎn)鋪率作為石料的標(biāo)準(zhǔn)撒鋪量，分別以SBS改性瀝青和橡膠瀝青作為黏結(jié)劑，在1.5，1.8，2.1，2.4kg／m2的瀝青灑布量下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析試驗(yàn)方法的適用性.

2.1 抗反射裂縫性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗反射裂縫能力是撒布型應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的因素.由于應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫效果還與半剛性基層和瀝青面層相關(guān)，因此抗反射裂縫性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用“半剛性基層＋應(yīng)力吸收層＋瀝青混合料”形式的復(fù)合試件較為合適.另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是以何種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合試件中應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫能力.由于反射裂縫的擴(kuò)展形式與四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的梁式試件受力狀態(tài)相符，因此可以利用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)測(cè)定復(fù)合試件的疲勞壽命，以此作為應(yīng)力吸收層抗反射裂縫能力的評(píng)價(jià)指標(biāo).本文設(shè)計(jì)了圖1所示的復(fù)合梁式試件，其上層為AC－25瀝青混合料（模擬瀝青路面的下面層），厚30mm；中間層為應(yīng)力吸收層，厚10mm，下層為預(yù)切縫的水泥穩(wěn)定碎石（縫寬2mm，模擬開(kāi)裂的半剛性基層），厚10mm；復(fù)合梁式試件的整體尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm.首先預(yù)制了500mm×500mm×40mm尺寸的水泥穩(wěn)定碎石，其上按設(shè)計(jì)的瀝青灑布量和石料撒鋪量鋪設(shè)應(yīng)力吸收層；成型后置于大型輪碾成型試模內(nèi)，其上撒鋪設(shè)計(jì)厚度為75mm的AC－25瀝青混合料并壓實(shí)，經(jīng)切割后獲得設(shè)計(jì)尺寸的復(fù)合梁式試件.對(duì)復(fù)合梁式試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度取為15℃，施加頻率為10Hz的半正弦荷載，應(yīng)變控制水平為800×10－6，以復(fù)合梁式試件的勁度模量降低至初始模量的50%所對(duì)應(yīng)的荷載作用次數(shù)表征其疲勞壽命.

圖1 應(yīng)力吸收層復(fù)合梁式試件Fig.1 Sketch of composite beam specimen with stress absorbing layer

圖2為兩類(lèi)應(yīng)力吸收層復(fù)合梁式試件疲勞壽命的測(cè)試結(jié)果.由圖2可見(jiàn)，兩類(lèi)應(yīng)力吸收層復(fù)合梁式試件的疲勞壽命均隨著瀝青灑布量的提高而增加，原因在于瀝青灑布量增加時(shí)應(yīng)力吸收層中瀝青膜厚度增加，而較厚的瀝青膜具備更強(qiáng)的吸收應(yīng)力能力，故導(dǎo)致試件的疲勞壽命增加.此外，相同的瀝青灑布量下，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層復(fù)合梁式試件的疲勞壽命優(yōu)于SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層復(fù)合梁式試件，這是因?yàn)橄鹉z瀝青中的橡膠顆粒具有較高的回彈變形和應(yīng)力吸收能力.圖2的試驗(yàn)結(jié)果符合對(duì)應(yīng)力吸收層及瀝青材料特點(diǎn)的常規(guī)認(rèn)識(shí)，規(guī)律性強(qiáng)且對(duì)瀝青灑布量變化敏感，表明所設(shè)計(jì)的抗反射裂縫性能試驗(yàn)方法合理.

圖2 復(fù)合梁式試件疲勞壽命的測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of fatigue life for composite beam specimen

2.2 抗剪性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

車(chē)輛加（減）速時(shí)會(huì)引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部較大的剪切應(yīng)力，若應(yīng)力吸收層與瀝青面層或基層的黏結(jié)力不足，將可能導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生水平推移，因此應(yīng)力吸收層應(yīng)具有足夠的抗剪強(qiáng)度.一些研究中采用斜剪試驗(yàn)或直剪試驗(yàn)來(lái)研究材料的抗剪性能［12］.由于撒布型應(yīng)力吸收層是一種薄層結(jié)構(gòu)，需與上下層結(jié)合考慮，以斜剪試驗(yàn)測(cè)試其抗剪強(qiáng)度不易獲得理想的剪切面，而直剪試驗(yàn)雖然更容易實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程，但忽略了不對(duì)稱(chēng)荷載引起的偏心彎矩的影響.鑒于此，本文對(duì)應(yīng)力吸收層直剪試驗(yàn)的測(cè)試裝置進(jìn)行了改進(jìn)，考慮最不利因素，以光滑的鋼板模擬半剛性基層材料，在瀝青混合料和鋼板之間設(shè)置兩層應(yīng)力吸收層（見(jiàn)圖3），利用測(cè)試裝置的對(duì)稱(chēng)性來(lái)抵消剪切荷載偏心彎矩的影響，以此對(duì)應(yīng)力吸收層進(jìn)行剪切試驗(yàn).試驗(yàn)溫度取為20℃，加載速率取為10mm／min，并利用式（1）計(jì)算應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度：

式中：τ為抗剪強(qiáng)度，kPa；Fmax為試驗(yàn)測(cè)定的最大荷載，kN；S為單側(cè)應(yīng)力吸收層的面積，m2.

圖3 應(yīng)力吸收層剪切試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Sketch of shear test facility for stress absorbing layer

剪切試驗(yàn)完成后，破壞面出現(xiàn)在兩側(cè)的應(yīng)力吸收層中，與預(yù)期相符.圖4給出了兩類(lèi)應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.可以看出，兩類(lèi)應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度均隨著瀝青灑布量的增加而先增大后減小.原因在于當(dāng)瀝青灑布量較小時(shí)應(yīng)力吸收層黏結(jié)瀝青量不足，而瀝青灑布量較大時(shí)多余的瀝青會(huì)在半剛性基層與瀝青面層之間形成軟弱夾層，這樣均會(huì)削弱材料的抗剪強(qiáng)度，只有在瀝青灑布量合適時(shí)應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度才能達(dá)到最大值.此外，由圖4還可看出，相同瀝青灑布量下，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層比SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層具有更高的抗剪強(qiáng)度，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法可以區(qū)分出瀝青類(lèi)型對(duì)應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度的影響.

圖4 應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of shear strength of stress absorbing layer

2.3 抗拉性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

行車(chē)荷載在引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪切應(yīng)力的同時(shí)，還將在結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生豎向拉應(yīng)力，因此應(yīng)力吸收層還應(yīng)具有足夠的抗拉強(qiáng)度.本文最初設(shè)計(jì)以應(yīng)力吸收層復(fù)合試件（結(jié)構(gòu)形式與圖1相同，試件尺寸變?yōu)?3.5mm×63.5mm×50.0mm）進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，其中復(fù)合試件上下表面分別用環(huán)氧樹(shù)脂與鋼壓頭黏接固定，然后在20，40℃條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)20℃時(shí)在環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)端產(chǎn)生了斷裂，在40℃條件下斷裂面出現(xiàn)在軟化的瀝青混合料層內(nèi)部（見(jiàn)圖5，6），故需對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)整.

圖5 抗拉試驗(yàn)中復(fù)合試件的環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)端斷裂Fig.5 Fracture of epoxy resin on the side of composite specimen during tensile test

圖6 抗拉試驗(yàn)中復(fù)合試件內(nèi)瀝青混合料層斷裂Fig.6 Fracture of asphalt mixture in composite specimen during tensile test

遵循剪切試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，仍以鋼板替代半剛性基層，將剪切試驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)90°即可進(jìn)行拉拔試驗(yàn).在20℃條件下，以10mm／min的拉伸速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得了兩類(lèi)應(yīng)力吸收層的抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，應(yīng)力吸收層的抗拉強(qiáng)度對(duì)瀝青類(lèi)型和瀝青灑布量具有敏感性，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層和SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層的峰值抗拉強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的瀝青灑布量均不相同，這與工程經(jīng)驗(yàn)相符，也體現(xiàn)了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法的適用性.

圖7 應(yīng)力吸收層抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of tensile strength of stress absorbing layer

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由上述的測(cè)試結(jié)果可知，在石料粒徑及其撒鋪量已確定的條件下，撒布型應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫能力、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受瀝青類(lèi)型和瀝青灑布量的影響顯著：隨著瀝青灑布量的增加，應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫能力增強(qiáng)，而抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度先增大后減小，且抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的瀝青灑布量相近；相同的瀝青灑布量下，瀝青類(lèi)型對(duì)應(yīng)力吸收層的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具有較大影響；進(jìn)行應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的瀝青類(lèi)型和瀝青灑布量尤為重要.通過(guò)上述試驗(yàn)，可以獲得撒布型應(yīng)力吸收層各項(xiàng)技術(shù)性能的變化規(guī)律.

4 結(jié)論

在分析撒布型應(yīng)力吸收層使用功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的抗反射裂縫性能、抗剪性能和抗拉性能的試驗(yàn)方法，并以?xún)煞N常用的撒布型應(yīng)力吸收層對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了檢驗(yàn).結(jié)果表明設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法可操作性強(qiáng)、試驗(yàn)結(jié)果合理且規(guī)律性明顯，從而為撒布型應(yīng)力吸收層的評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)參數(shù)確定提供了一種途徑.

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