半剛性基層瀝青路面抗裂性能測試系統研發

劉志勝，楊 帆，劉力源，2

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.山西交通控股集團有限公司，太原 030002)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我們瀝青路面的主要結構形式，其較高的承載力是應用推廣的關鍵原因。然而，半剛性瀝青路面自身的缺陷-反射裂縫頻發，已成為限制瀝青路面性能提升的瓶頸[1-2]。為此，關于半剛性基層的材料研發、施工裝備提升、控制指標優化等系列研究在國內非常流行[3-7]。但是，國內并沒有成熟的路面抗裂性能評價標準試驗，導致其設計參數不能準確地反映材料與結構真實的路用性能，其材料在未達到使用壽命時就發生了開裂破壞，造成了嚴重的浪費。美國伊利諾伊州大學于20世紀90年代針對復合夾層類材料(高分子聚合物抗裂貼,簡稱“ISAC”)研發了“ISAC抵抗反射裂縫模擬試驗裝置”，可在環境溫度-1 ℃狀態下，對該材料在瀝青路面中的抗裂性能進行分析與評價[8]。美國德克薩斯州交通委員會研發了“Overlay Tester路面抗裂性能測試儀”，通過測算試件破壞時的循環次數來評價瀝青混合料的抗裂性能[9]。比利時國家道路研究中心，研發了“水泥混凝土面板加鋪層模擬試驗裝置”，可在環境溫度-5 ℃狀態下，通過對混凝土面板裂縫的張開和閉合的循環作用，對不同的抗裂夾層體系的抗裂性能進行評價。瑞士研究人員研發了“瀝青路面溫度拉裂模擬試驗裝置”。在環境溫度-10 ℃狀態下，對玻璃纖維織物+SBS粘層和格柵類材料[10]的抗裂性能進行了循環加載試驗。荷蘭研究人員研發了瀝青路面溫度拉裂模擬試驗裝置。在環境溫度0 ℃、20 ℃狀態下，對用于橋面應力吸收薄層(EAV改性瀝青粘層)的抗裂性能進行慢拉、疲勞、快拉和溫縮模擬試驗，可對該材料的抗裂性能進行評價。英國Cooper公司研發了一種“CRT-TOT德克薩斯路面抗裂性能測試儀”，用于模擬板塊聯接處或者裂隙附近的膨脹和收縮運動。綜上所述，國內在半剛性基層瀝青路面方面沒有專門的測試系統。

為通過室內試驗對瀝青路面抗裂性能進行模擬研究，以及對同類材料性能進行評價，亟需開發瀝青路面抗裂性能評價設備。本文深入分析抗裂材料試驗儀的工作機理，采用設計方法學對瀝青路面抗裂測試設備進行設計，建立瀝青路面抗裂測試設備的要求明細，并根據CAD輔助構建功能結構圖、整體構造，最后結合設備功能開發計算機輔助操作系統，方便試驗的操作，為半剛性基層瀝青路面的抗裂性研究提供技術支撐。

1 系統結構及原理

半剛性基層瀝青路面出現反射裂縫的原因主要為，瀝青混凝土面層在壽命期內反復承受的車輛荷載和溫度荷載[11-12]。在施工階段，半剛性基層主要承受溫濕度荷載應力而發生破壞，但在施工完成后，基層溫度變化梯度降低，并且瀝青混凝土具有一定的流變性能，溫度變化對基層的影響相對較小。在系統開發過程中，主要考慮初期的溫濕度荷載作用下的開裂破壞，以及后期在基層接縫位置處荷載作用下的開裂破壞。

1.1 施工初期

基層材料受溫濕度荷載作用主要包括3種：

1)基層濕度變化引起的干縮；

2)基層由于水化熱內部升溫與外部散熱導致的溫度梯度引起的翹曲；

3)晝夜溫差引起的橫向溫縮。

這3種溫濕度引起的結構變形主要包括橫向位移和縱向翹曲，而這種翹曲應力在基層開裂之前較為顯著，開裂之后由于基層板塊的縮小而明顯減小。因此，在模擬基層開裂對面層反射裂縫的研究中假設只有水平方向的位移對基層裂縫影響，故通過基層底部的橫向位移替代溫濕度環境引起的應力。如圖1所示。

圖1 溫濕度應力模型

1.2 運營期間

瀝青面層所受的應力主要來源包括兩種：

1)機動車荷載作用引起的剪應力，以及結構層底的拉應力；

2)環境溫度變化引起的溫縮作用。

隨著運營時間的增長，結構層內部的溫濕度環境基本穩定，加上瀝青材料的彈塑性特征，環境溫濕度應力相對于荷載應力極為微小。因此，荷載的豎向作用引起的荷載應力為主要控制因素。故在運營期間，假設只有豎向的位移對面層裂縫反射有影響。如圖2所示。

圖2 荷載應力模型

為保證瀝青面層反射裂縫的規律性，在基層接縫的兩側，設置豎向位移以模擬車輛荷載作用引起的剪切作用。同時，從施工期間模擬的基層開裂為起點，使得在試驗過程中考慮到基層開裂后的傳荷能力。

1.3 基于應變特征的設計參數

本文根據已有研究基礎，基于應變特征提出以橫向、縱向疲勞次數作為設計參數的測試系統。

2 測試系統設計

2.1 功能設計

根據測試系統的開發原理與模擬方法，建立其總功能黑箱如圖3所示。

圖3 總功能示意圖

并將總功能進行分解為如下的分功能：

1)試件部分：按照規定的方法成型試件，并安置到指定位置。

2)計算機部分：設置程序，對試件進行加載。

3)驅動部分：通過驅動能量控制信號，及時調節驅動力、頻率與位移的范圍。

4)記錄部分：借助計算機分別記錄不同加載模式的測試結果。控制荷載模式下：選取最終荷載幅度值、疲勞次數；控制位移模式下：選取最終荷載值、疲勞次數。

集成4項分功能，構建測試系統的功能結構，如圖4所示。

圖4 總功能結構圖

2.2 結構設計原理

2.2.1 模擬基層開裂構造設計

要實現上述施工初期基層的開裂模擬，需要一個水平方向的荷載，其結構原理如圖5所示。

圖5 水平位移引起基層開裂示意圖

借助水平活動端模擬溫濕度作用下基層產生的應力，水平力往復的作用，系統主要控制量關鍵技術為：

1)固定端、活動端對基層的固定構造：在對基層底部進行水平位移過程中，由于基層底部受摩擦力而表層不受力，導致力學失衡而發生翹曲，這與實際受力狀態不服。因此，必須在頂部增加固定設施。

2)固定端、活動端的預留接縫寬度：為了使的基層開裂位置更加有規律性，進而確保瀝青層開裂位置不偏差太遠，在活動端和固定段中間設置接縫，接縫的寬度對基層開裂時機有重要的影響。

3)活動端的位移大小范圍：活動端的位移大小，由路面服役環境確定，其活動位移值對于由于溫濕度疲勞引起的開裂時機有明顯的影響。

4)活動端的位移頻率、荷載范圍：活動端的位移頻率和荷載大小，根據工程環境確定，位移頻率和荷載大小對于基層開裂時機與裂縫擴展都有重要的影響。

5)基層開裂識別方法：裂縫識別根據活動端受力為依據，當活動端拉力有下降趨勢時，其起點定義為基層開裂，當拉力接近最大拉力N%時，認為基層裂縫貫通。

2.2.2 模擬面層開裂構造設計

要實現上述運營期間，瀝青面層的開裂模擬，需要一個豎直方向的荷載，其結構原理如圖6所示。

圖6 豎向位移引起面層開裂示意圖

借助豎向活動端模擬荷載作用下瀝青面層產生的應力，豎向力往復的作用，使得面層最終在基層裂縫附近開裂。系統主要控制量關鍵技術為：

1)活動端的位移大小范圍：活動端的位移大小，由路面的交通條件確定，其活動位移值對于由于荷載疲勞引起的開裂時機，以及裂縫擴展有明顯的影響。

2)活動端的位移頻率、荷載范圍：活動端的位移頻率和荷載大小，根據交通條件確定，位移頻率和荷載大小對于基層開裂時機與裂縫擴展都有重要的影響。

3)面層開裂識別方法：裂縫識別根據活動端受力為依據，當活動端豎向壓力有下降趨勢時，其起點定義為瀝青層開裂；當豎向壓力為最大值的Y%時，認為瀝青層裂縫貫通。

2.3 結構整體構造設計

抗裂測試系統所有任務按優先次序可以分為必需要求、次級要求和附加要求三大類。其中，必需要求為產品的主要功能，這是必須滿足的要求；次級要求反映了產品的次級功能，可以適當進行取舍；附加要求反映了產品的輔助功能，在條件允許的情況下應盡量滿足的要求[13-14]。要實現上述要求，需具備以下構件：

1)固定承載臺-1：提供測試所需的平臺；

2)水平活動夾具-2：承載試件，提供水平位移的空間，控制裂縫寬度；

3)豎向活動夾具-3：承載試件，提供豎向位移的空間；

4)試件基層-4：為模擬基層裂縫傳荷能力提供條件；

5)試件面層-5：抗裂設備的主要研究對象；

6)水平驅動-6：為水平活動夾具提供動力，控制水平運動的頻率、幅度、強度；

7)豎向驅動-7：為豎向活動夾具提供動力，控制豎向運動的頻率、幅度、強度；

8)定位夾具-8：固定試件，確保在水平、豎向位移過程中不發生翹曲，脫空等；

9)溫控裝置-9：包括加熱管、壓縮機、冷凝器、節流元件、蒸發器以及溫度調節器。

還包括相關的電動機、導軌等，整體構造結構如圖7所示。

圖7 整體構造結構簡圖

抗裂測試系統的工作原理是：試件基層的一半固定到水平活動夾具上，另一半固定到豎向活動夾具上，夾層與面層材料鋪到基層上，由定位夾具使其固定到各自的位置。液壓泵使其中基層的一半做豎向位移，而另一半保持靜止，力學特點分析，這就是面層在間隙處受到剪切作用，位移傳感器測試結構的剪切變形量。通過液壓泵的重復作用，使面層重復的受到剪切作用，從剪切破壞次數，位移量來評價面層材料的抗剪切性能。承載臺、拉伸裝置及夾具如圖8、圖9所示。

圖8 承載臺及拉伸裝置三維視圖

圖9 試件夾具三維視圖

2.4 細部構造設計

抗裂測試系統的水平拉拔開裂、豎向剪切開裂，都屬于材料的疲勞破壞，在模擬疲勞的過程就需要一個往復的構件，其主要包括：電動缸、傳動軸、傳動軸支座、導軌等，具體構造如圖10、圖11所示。

圖10 水平驅動細部構造結構平面圖

圖11 豎向驅動細部構造結構圖

1)水平電動缸-9：水平活動夾具提供動力，控制水平力大小、頻率、幅度。

2)傳動軸-10：傳遞電動缸的荷載，確保動力由于角度、磨損等造成的精度降低時順利傳遞荷載。

3)傳動軸支座-11：固定傳動軸的方位。

4)導軌-12：水平活動夾具提供固定的水平位移方向。

5)豎向電動缸-13：豎向活動夾具提供動力，控制水平力大小、頻率、幅度。

6)傳動軸支座-14：固定豎向電動缸的方位。

3 測試系統控制模式設計

目前疲勞試驗控制模式主要有控制應力加載和控制應變加載兩種模式。選用不同加載控制模式對疲勞實驗結果影響很大，選用合適的加載控制模式對瀝青路面疲勞方程的建立至關重要。故采用有限軟件分析不同加載模式下瀝青層底應力及應變的敏感程度，確定抗裂測試系統加載模式。

3.1 計算參數

為了驗證兩種加載控制模式各自的適用條件，采用ABAQUS對國內典型的半剛性基層路面結構進行響應計算，假設瀝青層與半剛性基層之間為光滑接觸的最不利滑動狀態，分別計算瀝青層不同厚度的層底的拉應力和拉應變隨材料模量衰變的變化率，并最終確定不同厚度瀝青面層最合理的疲勞試驗加載控制模式。

荷載采標準軸載BZZ-100，當量圓半徑R= 10.65 cm，胎壓為0.7 MPa。按瀝青層模量10%衰減進行瀝青層層底彎拉應力和應變計算。應力應變變化率計算公式如下所示：

式中，Δσ和Δε為彎拉應力、彎拉應變的變化率(%)；

σ8000和ε8000為面層初始勁度模量8 000 MPa時對應的彎拉應力和彎拉應變；

σi和εi為模量衰減過程中對應的彎拉應力和彎拉應變。

3.2 不同面層厚度層底應力和應變變化率

不同路面結構厚度及模量下層底應力變化率和應變變化率計算結果如表1所示。

表1 層底應力變化率和應變變化率計算結果

由表1可知：

1)當瀝青面層厚度<15 cm時，在瀝青層模量衰減過程中應力變化率要明顯大于應變變化率。此時瀝青層不是路面結構主要承重層，瀝青層層底應變受主要取決于基層承重層，受本身模量衰減影響較小，因此在疲勞過程中應變變化較小。

2)當瀝青面層厚度大于15 cm時，應變變化率明顯大于應力變化率。此時瀝青層為路面結構中主要承重層，隨材料的逐漸衰變，應變越來越大，但由于面層較厚，應力變化不大。

抗裂測試系統主要針對半剛性基層瀝青路面材料，試驗儀試件采用的瀝青層層厚一般小于15 cm，荷載重復作用使面層應力增長較快，以致最后迅速增大而出現路面破裂，這一過程比較符合應變控制模式，因此試驗儀采用應變控制模式，即采用水平和豎向位移作為控制量進行試驗。

3.3 加載方式及參數確定

3.3.1 水平加載參數

半剛性基層材料的線膨脹系數受集料、配合比、外加劑、齡期、測定環境、冷熱循環等因素的影響較大，不同路段的線膨脹系數各不相同，通過調查不同集料類型水泥穩定碎石的線膨脹系數，來確定水平拉伸位移。具體調查結果如表2所示。

表2 不同集料類型膠凝材料膨脹系數

由表2可知：

1)不同集料類型的水泥穩定碎石的線膨脹系數分布在4.76×10-6/℃和12.1×10-6/℃之間，參照《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40-2011)規定水泥混凝土板的間距為4～6 m，以ΔT=15 ℃、混凝土面板長度4.5 m為例進行計算，水泥穩定碎石板塊的溫縮變形幅度介于0.321 3～0.816 75 mm之間，因此試驗儀水平位移0～2 mm的設置范圍完全滿足使用要求。

2)在試驗過程中推薦橫向拉伸最大位移設置為0.635 mm，在環境溫度25 ℃條件下，恒定的開口距離，其水平位移與裂縫間距為4.5 m的普通水泥混凝土路面經過15 ℃的溫度變化后的位移量相當。

3.3.2 豎向剪切參數

為簡化計算，系統調查了河南省內半剛性基層瀝青路面的彎沉值，具體如表3所示。

表3 河南省高速公路彎沉值調查結果

由表3可知，半剛性基層路面的彎沉值均在4～10(0.01 mm)之間，且主要集中于7(0.01 mm)附近。因此，試驗儀的豎向剪切變形范圍控制在0～1 mm之間完全滿足正常使用要求。

3.3.3 試驗儀其他參數確定

試驗儀內部設置有溫控裝置，溫控范圍為0～60 ℃，正常試驗條件下一般設置為25 ℃，試驗儀的加載周期10 s一個周期，荷載形式采用循環的正弦三角形位移波紋，且最大位移恒定不變。

4 計算機輔助操作

根據儀器的工作原理、檢驗指標，開發與儀器匹配的計算機輔助操作系統。

4.1 工作流程設計

計算機輔助操作系統主要由溫控系統、橫向拉伸系統及豎向剪切系統三大系統組成，可以通過控制程序選擇位移變化三角波形的周期和振幅，試驗時間、循環次數、應力、位移、溫度等數據都會被自動存儲，數據采集的最小時間間隔為0.1 s。其工作流程和控制流程如圖12～13所示。

圖12 軟件工作流程圖

圖13 控制系統流程圖

4.2 操作界面設計

如圖14所示，計算機輔助操作系統打開后，顯示主界面，主要有新建、打開、保存、溫度設置、橫向拉伸設置、豎向剪切設置、溫控開始、試驗開啟、暫停等功能按鈕以及顯示界面文本輸入框。

5 試驗結果與分析

為驗證測試系統的試驗效果，對3種不同結構組合的瀝青路面進行抗裂性能測試。3種路面結構組合如表4所示。

表4 不同類型路面面層結構

分別進行單獨橫向應變、縱向應變和復合應變3種工況測試，試驗結果如表5所示。

表5 抗裂測試系統試驗結果 次

結果表明，橫縱向應變作用復合耦合時(溫度應力和荷載應力耦合作用)，3種結構的路面抗裂性能均顯著低于單獨橫向或縱向應變條件下的抗裂性能，測試系統可有效模擬道路路面材料在實際運營過程中的力學狀態。

6 結束語

基于半剛性基層瀝青路面開裂機理，采用設計方法學對半剛性基層瀝青路面抗裂測試系統了進行設計，建立了測試系統的要求明細，并構建了功能結構圖、整體構造，基于層底應力敏感性分析確定了測試的控制模式及參數范圍，依據儀器的工作原理、檢驗指標，進行了溫控系統、橫向拉伸系統、豎向剪切系統設計，開發與儀器匹配的計算機輔助分析軟件并進行測試。