土工布應力吸收層對瀝青路面性能影響試驗評價

張海偉,郝培文,張　強,王　春

(1.長安大學 公路學院,陜西 西安　710064;2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點試驗室,陜西 西安　710064)

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土工布應力吸收層對瀝青路面性能影響試驗評價

張海偉1,郝培文2,張強1,王春2

(1.長安大學 公路學院,陜西 西安710064;2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點試驗室,陜西 西安710064)

摘要:為分析鋪設土工布應力吸收層對瀝青路面性能的影響,保證土工布應力吸收層合理使用,文章采用雙層車轍板試件模擬實際路面結構形式,通過直剪試驗、車轍試驗、半圓彎拉試驗、三點彎曲疲勞試驗和加壓滲水等室內試驗,分析了鋪設土工布前后復合瀝青混合料的路用性能。研究表明:瀝青路面中設置土工布應力吸收層后比普通路面結構層間的黏結能力和抗車轍性能均有所降低,但合理選擇黏層油灑布量可最大限度地降低其不利影響;含土工布夾層試件低溫破壞需要較高的斷裂能,土工布應力吸收層對路面結構低溫抗裂性能增強作用顯著;疲勞回歸模型表明土工布應力吸收層可改善路面結構抗疲勞特性,有利于延長路面的使用壽命;同時土工布應力吸收層可有效阻止高壓路表水的下滲,大大減少了路面內部的水損害。

關鍵詞:土工布;復合瀝青混合料;路用性能;半圓彎拉試驗;加壓滲水試驗

為延緩反射裂縫發展,土工布應力吸收層廣泛應用于瀝青路面新建工程和舊路加鋪工程中,并取得了令人滿意的效果[1-2]。目前國內外針對土工布應力吸收層的研究主要集中在試驗評價方法、作用機理、防反效果影響因素以及鋪設層位選擇等方面[3-8]。而針對瀝青路面中鋪設土工布后,路面的其他性能是否受到影響及其影響程度涉及較少。為更好地認識土工布應力吸收層的作用,本文對鋪設土工布瀝青路面的使用性能進行全面評價。

本文以鋪設土工布應力吸收層的瀝青路面結構為依托,室內成型含土工布夾層的復合瀝青混合料試件,通過直剪試驗、車轍試驗、半圓彎拉試驗(semi-circular bending test,SCB)、三點彎曲疲勞試驗和加壓滲水等試驗方法,比較了有無土工布應力吸收層時雙層瀝青混合料結構的層間黏結性能、高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能、抗疲勞性能和防水性能,分析了鋪設土工布對瀝青路面使用性能的影響,為土工布應力吸收層后續研究和工程應用提供了依據。

1試驗材料與試件制備

1.1材料

復合結構上下層瀝青混合料的礦料均采用陜西產石灰巖,礦料級配分別按文獻[9]中AC-16型中值和AC-20型中值設計,瀝青均為殼牌A-70#瀝青,礦料、瀝青各項技術指標均符合規范要求。以4.5%作為目標空隙率,按馬歇爾法擊實成型試件可得上下層瀝青混合料最佳油石比分別為4.8%和4.3%,在最佳油石比下混合料馬歇爾試驗結果見表1所列。

表1　瀝青混合料馬歇爾試驗結果

實驗所用土工布為工程中常用的聚酯無紡長絲土工布,其性能參數如下:縱向抗拉強度為9.9 kN/m;單位面積質量為130 g/m2;厚度為1.35 mm;CBR頂破強度為1.5 kN/m;梯形撕裂強度為0.3 kN/m;耐熱性為230℃。

SBS改性瀝青的性能參數如下:25℃針入度為67.8(單位為0.1 mm);5℃延度為48.7 cm;軟化點為92.6℃;瀝青旋轉薄膜烘箱加熱老化后質量損失為0.4%、殘留針入度比為77.7%、5℃延度為28.5 cm。以上參數均達到規范要求。

乳化瀝青的性能參數如下:篩上剩余量為0.02%;微粒子電荷為+;恩格拉黏度E25為4;蒸發殘留物的質量分數為60.3%,25℃針入度為50(單位為0.1 mm),15℃延度大于100 cm。

1.2試件制備

為模擬普通瀝青路面結構,采用“瀝青下層+黏層油+瀝青上層”的組合形式制備復合車轍板。為模擬鋪設土工布應力吸收層的瀝青路面結構,采用“瀝青下層+應力吸收層+瀝青上層”的組合形式制備復合車轍板。根據工程應用經驗,普通瀝青路面結構黏層油通常使用乳化瀝青,而土工布應力吸收層使用SBS改性瀝青浸漬土工布效果更好,在工程中應用也更為廣泛,所以參考組和試驗組所有黏層油分別為乳化瀝青和SBS改性瀝青。根據工程中路面層間乳化瀝青黏層油常用灑布量范圍,參考組中乳化瀝青灑布量設定為0.4 kg/m2,試驗組應力吸收層所用SBS改性瀝青灑布量為0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2。

結合現場施工工藝,試件成型過程如下:

(1)制作300 mm×300 mm×50 mm的AC-20瀝青混合料車轍板[10],模擬路面下層結構。

(2)試驗組在AC-20表面均勻涂抹SBS改性瀝青,并將裁剪好的土工布平整地鋪于試件表面,隨后使用輪碾儀對鋪設土工布的試件進行碾壓,使黏結劑充分滲入土工布形成應力吸收層;參考組在AC-20表面均勻灑布乳化瀝青,等其破乳后進行后續操作。

(3)將步驟(2)處理的試件置于300 mm×300 mm×100 mm的車轍模具中,拌和AC-16混合料裝入車轍試模,壓實至目標空隙率4.5%±0.5%,得到復合混合料車轍板。用于滲水試驗試件,上下層混合料均壓實至空隙率為7.5%±0.5%。

(4)復合車轍板可直接用于車轍試驗和加壓滲水試驗。對復合車轍板進行鉆芯得到高度和直徑均為100 mm的圓柱體試件用于直剪試驗。將圓柱體試件切割成厚度為50 mm(2層瀝青混合料厚度均為25 mm)的半圓柱體，作為SCB試驗試件。將復合車轍板切割成250 mm×50 mm×50 mm的棱柱體小梁試件,其中上下層瀝青混合料厚度均為25 mm,用于彎曲疲勞試驗。

2試驗與分析

2.1黏結性能

瀝青路面層間黏結性能直接關系到路面結構抵抗推移病害的能力[11],是路面結構性能的一項重要指標,本文采用直剪試驗方法測試復合混合料試件層間抗剪強度,以評定土工布應力吸收層對瀝青路面層間黏結性能的影響。直剪試驗原理如圖1所示,試驗過程依托MTS疲勞試驗機,上下瀝青層以1 mm/min的速率發生相對位移,自動記錄荷載隨加載時間的變化,試驗溫度設定為25℃。

各類型試件分別進行4次平行抗剪強度試驗,抗剪強度的計算公式為:

(1)

其中,τ為試件層間抗剪強度;F為試驗過程記錄的峰值荷載;D為試件直徑。

抗剪強度結果如圖2所示。

圖2　抗剪強度試驗結果

從圖2可知,試驗組試件所用SBS改性瀝青用量為0.3～1.2 kg/m2時,其抗剪強度值為參考組試件的56%～76%。可見與普通瀝青路面結構相比,設置土工布應力吸收層后上下瀝青層間黏結性能有一定程度的降低。分析其原因主要如下:① 試驗組中瀝青層間破壞主要是土工布與瀝青混合料間的黏結失效,而參考組瀝青層間破壞源于上下層混合料的黏結失效,土工布與瀝青混合料為不同屬性材料,土工布與混合料之間黏結力顯然小于混合料與混合料間黏結力;② 下層瀝青混合料具有一定的構造深度,參考組中鋪設上層混合料時會有部分細集料嵌入下層混合料,層間發生剪切破壞時,細集料的嵌鎖作用對抗剪強度有一定的貢獻,而試驗組中鋪設土工布后,其表面較為平展,降低了集料間嵌鎖作用的發揮,以致層間的剪切強度有所降低。

從圖2還可以看出,試驗組中隨著黏層油灑布量增加,抗剪強度呈現先增加后降低的變化趨勢,表明從黏結性能角度考慮時,應力吸收層黏結劑存在最佳灑布量。灑布量從0.3 kg/m2增加為0.6 kg/m2時,抗剪強度增加較快;灑布量在0.6～0.9 kg/m2時抗剪強度維持在較高水平,變化幅度較小;灑布量從0.9 kg/m2增加到1.2 kg/m2時,抗剪強度迅速下降。這是因為黏結劑較少時,瀝青難以完全浸潤土工布,僅能實現土工布與下層瀝青混合料良好黏結,而土工布與上層瀝青混合料間缺少黏結劑,所以試驗過程中觀察到在該狀況下試件的破壞面均出現在土工布與上層混合料之間。當黏層油足夠時,土工布與上下層瀝青混合料可實現充分黏結,抗剪強度達到較高水平。黏層油用量進一步增加,處于飽和狀態的土工布難以再吸收瀝青,多余的瀝青反而形成潤滑層,從而造成抗剪強度的降低。

2.2高溫抗車轍性能

為分析鋪設土工布應力吸收層對瀝青路面結構高溫抗車轍性能的影響,參照文獻[10]對試驗組(SBS改性瀝青用量為0.9 kg/m2)和參考組試件分別進行車轍實驗。考慮到土工布應力吸收層對路面結構中長期抗車轍性能的影響,本研究將車轍實驗延長到3 h,增加輪載作用次數,得到試件車轍深度隨輪載次數的變化趨勢如圖3所示,記錄試件在不同加載時間段內的動穩定度值,結果見表2所列。

從圖3可看出,在輪載作用初期,2組試件車轍深度均迅速增加,曲線幾乎重合,該階段2組試件變形均為壓密變形,抗車轍能力幾乎沒有差別。隨著輪載次數的增加,試件開始產生剪切變形,與第1階段相比,該階段內車轍深度增長速率已明顯降低,2組試件車轍深度開始產生較大差別,且試驗組試件車轍深度更大,表明鋪設土工布應力吸收層會降低路面結構的抗車轍能力。由表2的試驗結果可知,試驗組試件車轍深度在1、2、3 h末分別是參考組試件車轍深度的1.26、1.23、1.26倍,說明2組試件抗車轍性能相對值隨加載次數的變化幅度不大。對動穩定度指標進行分析可知,2組試件動穩定度值隨著輪載次數的增加均表現出增大的趨勢,說明試件車轍變形率越來越小,同時試驗組在3個時間段內試件的動穩定度值分別為參考組試件的76%、76%和83%,再次表明鋪設土工布應力吸收層會降低路面的抗車轍能力,且2組試件抗車轍能力相對值基本保持穩定。

圖3　不同類型路面結構車轍深度隨加載次數變化

組別車轍深度/mm1h2h3h動穩定度/(次·mm-1)第1h第2h第3h參考組1#2.1022.7943.2183841477257002#2.0952.7493.1464172520861153#2.2143.0263.462353945325373平均值2.1372.8563.275385148375729試驗組4#2.8333.6764.3172625316543755#2.5433.3373.9273316406548866#2.7123.5164.179285137504951平均值2.6963.5104.141293136604737

含土工布應力吸收層試件高溫抗車轍性能下降可能是因為土工布應力吸收層使試件內部層間黏結性能降低,改變了結構層間接觸條件,進而影響了結構的受力整體性,使得上層瀝青混合料中的剪應力大幅增加,導致混合料加速發生剪切破壞[12],車轍深度與參考組相比有所增加。

2.3低溫抗裂性能

瀝青路面在低溫狀態下,混合料內部會產生溫度應力,導致路面被拉裂。本研究通過SCB試驗說明土工布應力吸收層對瀝青路面低溫抗裂性能的作用,試驗過程中混合料和土工布夾層在低溫環境下共同承受拉應力,以模擬實際路面中各層材料共同承受溫度應力的狀態。其試驗示意圖如圖4所示,托輪間距離s=0.8D=8 cm,試驗在-10℃下進行,采用位移加載模式,速率[12]為1 mm/min,試驗過程中記錄荷載-撓度(P-u)變化情況。依據文獻[13-14],以斷裂能G為指標評價混合料低溫抗裂性能,計算公式如下:

(2)

其中,W為儀器加載功,即荷載-撓度(P-u)曲線下方的面積;A為斷裂區域的面積,可近似為試件厚度與試件半徑的乘積。

圖4　SCB試驗示意圖

試驗組和參考組典型P-u曲線如圖5所示,每組分別進行3次平行試驗,計算得到的斷裂能結果見表3所列。

圖5　復合混合料SCB試驗荷載-位移典型曲線

由圖5可知,參考組和試驗組低溫斷裂破壞形式有所不同。參考組表現出脆性破壞特征,荷載加載至峰值前,隨位移近似呈線性變化,達到峰值時,試件突然斷裂,裂縫瞬時貫穿試件,并伴有一定的聲響。試驗組低溫斷裂破壞分為2個階段。第1階段中荷載上升時與參考組相似,在荷載達到峰值后雖然也會迅速降低,但維持在較高水平,這是因為試驗組中土工布夾層具有較高的斷裂延伸率,能夠吸收大量的能量,試件在產生裂縫后,裂縫尖端能量得以釋放,裂縫并沒有貫穿整個試件;試驗組試件低溫破壞進入第2個階段后,主要由土工布夾層承擔荷載,加載環持續施加荷載,裂縫不斷擴展,最終貫穿整個試件。

從表3可以看出,試驗組峰值荷載略大于參考組,這是因為土工布夾層承擔了一部分拉應力。參考組試件為脆性破壞,其Gf與Gt差別較小,而試驗組為兩階段破壞模式,Gf與Gt有較大差別。試驗組Gf、Gt比參考組分別提高了25%、68%,表明含土工布夾層結構低溫破壞時需要消耗較多的斷裂能,尤其是以完全破壞狀態下斷裂能為評價標準時,土工布對路面低溫抗裂性能提升作用更為明顯。

表3　復合瀝青混合料低溫斷裂能

注:Wf為荷載加載到峰值時儀器所做功；Wt為試件完全破壞時儀器所做功;Gf為峰值荷載對應斷裂能；Gt為試件完全破壞時對應斷裂能。

2.4抗疲勞性能

瀝青混合料的疲勞性能關系到路面結構的使用年限,目前關于疲勞試驗的方法有很多,并無統一規定,主要可分為應力控制模式和應變控制模式[15]。本研究利用MTS疲勞試驗機,采用控制應力的中點加載試驗來評價土工布應力吸收層對復合結構疲勞性能影響,試驗溫度為15℃,分別在4種應力水平(0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ)下施加頻率為10 Hz連續式正弦波荷載，σ為參考組和試驗組極限破壞應力平均值,由彎曲試驗得到。

在控制應力加載模式下,瀝青混合料的疲勞特性表征公式[16]如下:

(3)

對(3)式兩邊取對數可得:

lg Nf=lg k-n lg σ0

(4)

其中,Nf為疲勞壽命;σ0為施加應力值;k、n為由材料特性決定的回歸系數。

在雙對數坐標系中對試件的疲勞次數和應力水平進行回歸分析,結果如圖6所示。由圖6可知,參考組與試驗組試件疲勞模型的相關系數分別為0.956與0.975,表明該模型擬合度很好,可用于表征復合混合料試件的疲勞特性。由圖6可以看出,在相同級別的應力作用下,試驗組試件的疲勞壽命大于參考組試件,在0.2σ～0.5σ的應力水平范圍內,試驗組疲勞壽命可達到參考組的2～3倍,表明鋪設土工布后可顯著延長路面的使用壽命。通過比較疲勞曲線的斜率可知,參考組的n值大于試驗組的,說明參考組疲勞壽命對應力的變化更為敏感,隨著應力增加其疲勞壽命降低速率更快,可見土工布還可改善復合混合料對荷載的敏感性。所以瀝青路面中鋪設土工布應力吸收層后抗疲勞性能得到了顯著提升。

圖6　2種復合瀝青混合料雙對數疲勞擬合曲線

2.5密水性能

為研究土工布應力吸收層對瀝青路面密水性能的作用,進行加壓滲水試驗,模擬路表水受車輛行駛過程產生的高壓作用進入路面內部的過程。所用儀器為本課題組研制的材料滲透儀[17],由密封板、進氣口、帶加壓筒的壓板、夾緊螺栓及底座等組成。為了確保水向下滲,帶加壓筒的壓板上下段都帶有O形密封圈,并且需用螺栓將加壓板完全夾緊。使用氣筒以每2 s 1次的速率通過進氣口向加壓筒內充氣5 min,使加壓筒內水(初始水位控制在加壓筒高度3/4處)在壓力作用下滲入雙層車轍板內部。

試驗過程中發現，參考組中在上下層混合料四周均有水滲出,而試驗組中水僅從上層混合料周圍滲出,同時試驗結束后對車轍板底部檢查可看出,參考組底部出現水珠,而試驗組底部保持干燥。以上試驗現象說明在壓力作用下,水可以通過混合料自身的連通空隙從上層混合料進入下層混合料,但設置土工布夾層后,土工布浸透瀝青后在2層混合料間形成了一個密水層,水難以繼續向下滲透。

另外,對于普通瀝青路面結構,裂縫產生后不僅會破壞路面的整體性,更為嚴重的是打開了路表水進入路面內部的通道。一旦路表水沿裂縫進入路面基層,在荷載的綜合作用下會對基層材料產生沖刷損害,造成基層材料不斷松散,進而對面層失去支撐作用,加速了整個路面結構的破壞。但對于加鋪土工布應力吸收層的路面結構,當應力吸收層的防反作用失效,路表出現反射裂縫,也難以形成水進入路面內部的貫穿通道。這是因為浸漬瀝青的土工布斷裂延伸率很大,其防反作用失效時雖然會有較大變形,但并不會發生撕裂破壞[18],仍具有良好密水性,路表水依然會被阻隔在土工布夾層之上,難以對路面下層結構產生沖刷。所以土工布應力吸收層無論處于工作狀態還是失效狀態，均對瀝青路面的密水性具有積極意義,能有效減少路面內部水損害。

3結束語

含土工布夾層瀝青路面結構比普通瀝青路面結構層間黏結性能有所降低,這是由于土工布應力吸收層材料屬性與瀝青混合料材料屬性不同所引起的,而黏層油的灑布量會顯著影響黏結性能,所以合理選擇黏層油灑布量對土工布應力吸收層的應用至關重要。同時層間黏結性能降低,對路面結構的整體性會產生不利影響,在輪載作用下,上層混合料中剪應力增加,造成車轍深度增加。土工布應力吸收層加筋作用和應力吸收作用的發揮有助于提升路面結構的低溫抗裂性能和抗疲勞性能,進而延長路面的使用壽命,同時應力吸收層因飽含瀝青的密水特性,也使得路面內部水損害大大降低。

綜合來看,土工布應力吸收層在發揮防反射裂縫功能的同時,對瀝青路面其他性能改善作用明顯,但對于抗車轍性能要求較高的新建或加鋪結構中應慎重使用。

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(責任編輯閆杏麗)

Experimental evaluation of the influence of geotextile stress absorbing interlayer on asphalt pavement performance

ZHANG Hai-wei1,HAO Pei-wen2,ZHANG Qiang1,WANG Chun2

(1.School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,China;2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Abstract:In order to analyze the influence of geotextile stress absorbing interlayer on the performance of asphalt pavement and ensure the rational use of geotextile,a two-layer test piece which represents the pavement structure was prepared in laboratory.Then the performance of specimens with and without geotextile was investigated and compared through direct shear test,wheel-tracking test,semi-circular bending test,three-point bending fatigue test and high pressure water permeability test.The results indicate that the adherence between asphalt layers and the rutting resistance of the double layers structure are reduced when the geotextile stress absorbing interlayer is laid.However,the above disadvantages can be weakened when the dosage of tack coat is reasonable.The low-temperature cracking resistance of the structure is improved significantly and the result of the regression model of fatigue shows that the fatigue resistance of the structure is also improved,thus prolonging the service life of the pavement.Moreover,the water on the surface is hard to enter the pavement even though under high pressure induced by running vehicles due to the function of geotextile interlayer,which greatly reduces the water damage.

Key words:geotextile;composite asphalt mixture;pavement performance;semi-circular bending test;high pressure water permeability test

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2015-10-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51478046)；長安大學優秀博士學位論文培育資助項目(310821150015)

作者簡介：張海偉(1989-),男,河南湯陰人,長安大學博士生;郝培文(1967-),男,內蒙古和林人,博士,長安大學教授,博士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.016

中圖分類號:U416.217

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0508-06