基于斷裂能的瀝青路面應力吸收層抗裂性能試驗研究

劉燕燕，凌天清，黃中文

(1.重慶交通大學，土木建筑學院，重慶400074;2.廣西壯族自治區公路管理局，廣西南寧530028)

半剛性基層由于溫縮與干縮效應容易產生收縮裂縫，在重載作用下還容易出現斷裂和壓碎，這些裂縫往往會反射到薄層瀝青路面上形成反射裂縫，反射裂縫的形成會加速瀝青路面破壞。目前解決反射裂縫方法有很多，其中鋪設應力吸收層是最常用的技術措施之一［1-3］。國內外的相關研究表明，聚酯玻纖布、玻纖格柵、FHGS高強玻纖格柵等形式的連續型應力吸收層，對材料質量要求較高，施工質量很難控制，路面銑刨回收再利用也比較困難，因此在黏結料中加入一些短玻璃纖維成為新的研究方向［4-6］。筆者將纖維加入SBR改性乳化瀝青與橡膠瀝青中形成的纖維增強乳化瀝青碎石封層(簡稱B封層)與纖維橡膠瀝青碎石封層(簡稱E封層)，將其與普通的SBR改性乳化瀝青碎石封層(簡稱A封層)、橡膠瀝青碎石封層(簡稱D封層)、乳化瀝青稀漿封層(簡稱C封層)進行對比，從斷裂能和裂縫動態發展快慢角度評價各種應力吸收層的抗裂性能。

1 試驗方案

1.1 試驗原理

斷裂能是基于斷裂力學概念發展而來的一種反映材料抗裂能力和抗沖擊能力力學性能指標。根據國際材料和結構實驗室聯合會(RILEM)定義，斷裂能是單位面積裂縫擴展單位長度所做的功，即斷裂單位面積上所吸收的外力功，外力在試件上所做的功全部被擴展的裂縫所消耗。采用三點彎曲試驗測定帶切口梁試件荷載與撓度的關系曲線圖，曲線下［7］(圖 1)。在距水泥混凝土板預裂縫頂端1，3，5 cm位置黏貼應變片(圖2)，同時測定加載過程中應力與應變變化情況，應變突變點處所經歷的時間即為裂縫發展到該位置處所用時間。

的面積即為斷裂能W0

圖1 斷裂能計算示意Fig.1 Schematic diagram of fracture energy calculation

圖2 試件結構示意Fig.2 Schematic diagram of specimen structure

1.2 試件的成型

試件結構如圖3，下部為4 cm的水泥混凝土板，中間預留切口3 cm，模擬底部帶裂縫基層，中間1 cm應力吸收層，上部為5 cm的AC-13瀝青混合料。

圖3 試件加載示意Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

試件成型步驟如下:

1)墊層水泥混凝土板成型:墊層試模尺寸300 cm×300 cm×40 cm，配制強度等級為C30，達到齡期以后將水泥混凝土板切割，中間應預留3 cm左右寬的裂縫，為保證水泥混凝土板中間的裂縫寬度，成型時在端部壓入一塊寬度3 cm的木板。

2)應力吸收層成型

①將水泥混凝土塊放入試模，預裂縫處用膠布封貼，以防封層材料析漏。

②澆注封層材料。其配合比如表1。

表1 封層材料的配合比Table 1 The mix proportion of each seal material

不加纖維的封層材料鋪筑方法與常規封層施工方法相同，如果瀝青中加入纖維，其步驟如下:將底層瀝青涂抹在水泥混凝土板上，瀝青用量為整個封層瀝青用量的50%，按照既定的纖維長度與纖維用量，將纖維撒布在底層瀝青上，盡量使纖維分布方向為二維亂向分布，然后加入剩下的50%瀝青。瀝青涂抹一定要均勻，盡量將纖維覆蓋，不要出現纖維裸露現象。

③撒布封層碎石，粒徑5～10 cm，表面覆蓋率為70%，人工用橡膠錘錘擊，將碎石嵌入封層內，模擬現場施工的膠輪碾壓工序。

3)按AC-13瀝青混凝土的要求，拌和、攤鋪瀝青混合料，將瀝青混凝土碾壓成型。

4)將試件切割成100 cm×100 cm×300 cm試件。在距水泥混凝土板裂縫高1，3，5 cm處貼上應變片。

1.3 試驗過程

將試件裂縫處對準加載點中部(圖2)，跨距250 mm，將支點對準試件邊緣25 cm，保證試驗跨中距離，試驗加載速度選擇為2 mm/min［8］。將應變片接線頭用數據線與應變儀采集器相連，同時將一個備用試件也與采集器連接作為溫度補償，試驗前打開測試軟件，控制應變對應數據通道漂移值在±5 με，然后開始加載，全過程由電腦自動采集讀數。

2 試驗結果與分析

2.1 三點彎曲試驗結果

三點彎曲試驗測試A，B，C，D，E等5種封層材料撓度與彎曲力曲線如圖4。

圖4 A，B，C，D，E 封層撓度-彎曲力曲線Fig.4 Curve of deflection and stress of A，B，C，D，E coat

從圖4可以得出 A，B，C，D，E等5種封層材料最大彎曲力，最大撓度以及計算出彎曲斷裂能如表2。

表2 各封層材料最大彎曲力、最大撓度及斷裂能值Table 2 The maximum bending force，the maximum deflection and bending fracture of each seal material

從圖4中可得到以下結論:

1)在5種封層材料中彎曲力最大是鋪設C封層以后的瀝青混合料，其次為鋪設E封層的瀝青混合料，再其次為鋪設D封層的瀝青混合料，然后是鋪設B封層的瀝青混合料，最小的是鋪設A封層的瀝青混合料。就其原因是C封層中加入了水泥，水泥水化以后使封層具有了半剛性材料的一些特性，故彎曲力有所提高;橡膠瀝青的粘度比破乳以后乳化瀝青大，因此對外力的抵抗力有所增加;而在橡膠瀝青中加入適量的纖維，纖維與橡膠瀝青構成的復合材料體，也一定程度上提高了彎曲力。

2)D封層中加入纖維以后復合斷裂能增加了92.8%，A封層中加入纖維以后復合斷裂能增加了110%，而由于橡膠瀝青與改性乳化瀝青相比具有較大的彈性和彈性恢復能力，因此D封層比A封層復合斷裂能增加14.6%，E封層比B封層復合斷裂能增加4.6%。乳化瀝青稀漿封層由于水泥的加入，復合斷裂能比不加纖維的A封層和D封層都要大，但是比加入纖維以后的B封層和E封層要小。因此封層材料中纖維的加入對斷裂能有很大的提高。

2.2 應變測試結果

鋪設A，B，C，D，E這5種封層材料后瀝青混合料不同位置處應變與時間關系如圖5。

圖5 A，B，C，D，E封層不同位置處應變-時間曲線Fig.5 Curves of strain and time at different locations of A，B，C，D，E seal coat

在鋪設不同封層材料情況下，裂縫在瀝青混合料中開展到1 cm時，時間由長到短依次是:E封層＞C封層＞B封層＞D封層＞A封層，其中B封層比A封層增加了31.3%，E封層比D封層增加了39.2%。裂縫發展到3 cm時的規律與發展到1 cm時的基本相似，但是在D封層中比在C封層所用時間經歷的時間稍有延長，證明在裂縫發展的中期鋪設橡膠瀝青封層的瀝青混合料抵抗裂縫的能力比其他材料要強一些，對應力的吸收和應力的分散作用效果明顯，這和橡膠瀝青自身較高的彈性和彈性恢復能力有很大的關系。裂縫發展到5 cm，在鋪設B封層瀝青混合料中比鋪設D封層瀝青混合料中發展緩慢一些，時間長了70.5 s。故纖維在阻止裂縫的發展上有很大的貢獻。圖14表示出鋪設各種封層材料后裂縫在瀝青混合料中從1 cm發展到5 cm時所經歷的時間。總體來說在封層瀝青中加入纖維以后的裂縫發展速度比不加纖維的情況要慢得多，這種時間的延遲在SBR改性乳化瀝青里面體現得尤為明顯。而裂縫一旦出現在鋪設C封層的瀝青混合料中，其擴散速度就會很快，阻裂效果不明顯。

圖6 各封層材料裂縫從1 cm發展到5 cm經歷時間Fig.6 Experience time of cracks developed from 1 cm to 5 cm in each seal coat material

3 結論

1)在幾種封層材料中彎曲力最大是鋪設乳化瀝青稀漿封層(C封層)以后的瀝青混合料，其次為鋪設纖維橡膠瀝青碎石封層(E封層)的瀝青混合料，再其次為鋪設橡膠瀝青碎石封層(D封層)的瀝青混合料，然后是鋪設纖維增強乳化瀝青碎石封層(B封層)的瀝青混合料，最小的是鋪設SBR改性乳化瀝青碎石封層(A封層)的瀝青混合料。

2)橡膠瀝青碎石封層(D封層)中加入纖維以后復合斷裂能增加了92.8%，SBR改性乳化瀝青碎石封層(A封層)中加入纖維以后復合斷裂能增加了110%，使用橡膠瀝青的橡膠瀝青碎石封層(D封層)比使用SBR改性乳化瀝青碎石封層(A封層)的復合斷裂能增加14.6%，鋪筑纖維橡膠瀝青碎石封層(E封層)比纖維增強乳化瀝青碎石封層(B封層)的瀝青混合料復合斷裂能增加4.6%。

3)總體來說在封層材料中加入纖維以后裂縫在混合料中的發展速度比不加纖維的情況要慢得多，封層中使用橡膠瀝青比SBR改性乳化瀝青阻裂效果明顯。裂縫一旦出現在乳化瀝青稀漿封層(C封層)中，其擴散速度比其他幾種封層快，抗裂效果不明顯。

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