淺談不同瀝青材料在不同防裂措施的防裂效果評價分析

黎海

摘要： 本實驗針對于研究不同瀝青材料在不同防裂措施下，各自的抗疲勞效果。研究采用氣動伺服諾丁漢瀝青材料試驗儀 NU- 14進行。采用的研究算法為有限單元法，通過計算得出瀝青混凝土面層一般荷載應力和溫度應力，最終分析反射裂縫的產生機理以及不同防裂措施下的作用機理。

關鍵詞： 反射裂縫 ; ?粘彈性;有限元法 ;

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A

在我國常見的高級瀝青混凝土路面的基層類型中，半剛性基層具有整體性和較強的抗彎拉能力，而且抗壓能力教強。然而，在實際使用過程中，這種路面容易出現反射裂縫的情況。在現場取材中可看到，路面產生的裂縫中，反射裂縫一般占比在50%左右，而反射裂縫會影響到路面結構的強度，在降水以及車輛重量的影響下，通常會導致路面變形、唧漿等現場發生。可以說，這種路面的反射裂縫是我國瀝青路面主要面臨的問題之一，也是亟待解決的問題。

近些年來，國內外專家學者對相關課題進行了深入研究。在我國，長沙交通學院鄭鍵龍研究組從力學的角度，通過斷裂力學和層狀體系理論來對反射裂縫產生的過程和機理進行研究并且取得了一定成績。此外，也有研究組通過鋪設試驗路段或者在室內修建模擬路段進行相關課題研究。雖然這些研究都取得了一定的成績，但是路面反射裂縫的情況仍然沒能得到有效改善。

通過對目前的研究進行歸納整理發現，現階段常見的改善反射裂縫的方法大致有以下幾種：一是，提升混合材料的抗裂強度。比如，在材料中添加聚酯纖維或者通過其他方式優化材料設計。二是，添加防裂夾層。常見的添加物有 SAMI層、玻璃纖維格柵和土工織物等，通過添加夾層的方式，起到防裂作用。三是，添加防裂結構層，常見的防裂結構層添加物是瀝青碎石。

1. 瀝青混凝土面層反射裂縫室內疲勞試驗研究

本文的研究儀器是氣動伺服諾丁漢瀝青材料試驗儀 NU- 14，由英國 COOPER公司生產。將切縫小梁在不同的防裂措施下進行疲勞試驗，以此來推算不同措施的防裂效果。

本文采用的試件大小為380 mm （長 ）× 65 mm （寬 ） ×50 mm（高 ）。將小梁沿長度方向分割成2塊，下部高度為 15 mm，中間留空以添加不同的防裂材料。本研究采用的添加材料有改進型 AC- 20I（新型瀝青混合料）、 SUP25和 SUP20，添加完防裂材料后，用改性乳化瀝青制成試件。將試件放置在15攝氏度的環境中靜置6小時，，應變控制方式為作用應變 150με、頻率 10 Hz，疲勞標準為勁度模量下降至初始勁度模量的 50%。

從試驗結果來看， SUP20的疲勞壽命最大，作用次數達13736次。 SUP20是一種瀝青膠砂含量較高的嵌擠骨架結構，因而，可以選用瀝青膠砂含量高、骨架結構結實的材料作為混合料。

從不同防治措施下切縫小梁疲勞試驗的不同結果來看，聚酯纖維瀝青混合料的防治效果最好，提高了94. 6% ， SAMI夾層防治效果次之，增加了 43. 3%，玻璃纖維格柵的效果排最后，增加了20. 6%，土工織物的效果幾乎沒有，僅增加了 0. 4% 。

2.水泥穩定碎石基層上瀝青混凝土面層反射裂縫有限元分析

通過對有反射裂縫的瀝青路面進行有限元分析，可以更加準確的了解反射裂縫產生的原因、過程以及解決措施。

2.1路面結構三維有限元分析

車輛的荷載情況會影響到面層底部應力，試驗中的材料面層厚度為17 cm， SAMI夾層厚 1 cm，瀝青碎石層厚度為 6 cm，基層、底基層總厚度為 56 cm，添加物為玻璃纖維格柵和土工織物均不計厚度，裂縫寬度為0. 5cm，將層間結合條件是全連續。底部最小節點間距是0.0625 cm，裂縫最小單元長度是0.125 cm。

根據試驗計算結果可以看出，在無夾層時，路面底部的剪應力和拉應力處于較高水平，最大數值均在裂縫上方較窄位置。因而，沒有防裂夾層的路面，在車輛荷載的作用下，面層底部與基層相接處會產生裂縫。在有防裂夾層的路面，各應力數值均減少到材料抗壓強度以內，且瀝青碎石層和 SAMI層應力減少為最多，分別減小72.5%和67.8%。

2.2不同防裂措施下的防裂效果評價

（1）防裂措施自身的強度來看。玻璃纖維格柵和土工織物內應力較大，應變較小，這兩種材料在防裂過程中，是通過自身高強度的抗拉模量來抵消裂縫尖端應力，且玻璃纖維格柵的防裂效果較好。但是這兩種材料會降低結構整體性，在一定程度上影響了防裂效果。所以，在用到這兩種材料時需要鋪設平整，才能達到較好的粘性。

（2） SAMI層的防裂作用，是通過自身低模量、大變形的能力特點，來分散裂縫兩側的應力，防裂效果好于土工織物。該材料在使用時要注意面層底部面積受拉對面層的影響。

（3）瀝青碎石層在發揮防裂效果時，主要時通過吸收面層的底部應力，且這種材料孔隙率較大，裂縫發展較慢，在一定程度上延緩了裂縫的發展。

（4）可以看出，在幾種防治措施中，聚酯纖維瀝青混合料的效果最好。這種材料能夠增加各種材料之間的加筋效果，提高材料抗裂性能，也能在一定程度上維持結構完整性，提高防裂能力。

2.3溫度變化對路面粘彈性的分析。

（1）降溫速度越慢，防裂效果越明顯。可以看出，添加有防裂材料的層面，在應力和應變上都教小，各種材料的防裂效果關系為：SAMI>玻璃纖維格柵>土工織物。

（2）不同降溫速率下，SAMI的變化數值最小，防裂效果最穩定，SAMI的變形能力影響著其防裂效果的發揮。

（3）玻璃纖維格柵和土工織物的內應力都是隨著溫度降低速率的減小而增大的，所以持續性的降溫對該種材料具有破壞作用。兩種材料的強度和層間聯結強度對其防裂效果產生影響。

3.結語

通過對不同防裂材料在不同情況下的防裂效果研究，可以得出以下幾個結論：

（1）就同一種類的瀝青混合材料而言，最大公稱粒徑越小，其防裂效果越明顯，能力越強。

（2）在選用防裂材料時，應選擇瀝青膠砂含量高、骨架結構結實的材料。

（3）玻璃纖維格柵和土工織物的防裂效果發揮機制相似，但是玻璃纖維格柵效果較為明顯，兩種材料模量越高防裂效果越好，在實際操作中，要注重玻璃纖維格柵的平整性，而且要在裂縫兩側1m范圍內鋪設，才能發揮最好的防裂效果。

（4）SAMI材料模量較其他材料低，厚度較大，通過抵消裂縫處應變力發揮防裂作用。在實際使用中，要注重其抗變形能力可能會受到溫度影響，要提高其抗變形能力。

（5）瀝青碎石混合材料，因為其孔隙率較大，對裂縫的發展具有一定延緩作用，因而具有明顯的防裂縫效果。

（6）在實驗涉及到的防裂材料中，聚酯纖維瀝青混合料效果最好，疲勞壽命最高。該種材料具有加筋作用，能夠提高層面的抗拉能力，讓層面本身具有較好的防裂能力，是一種比較有效的防裂縫材料。

（7）在研判防裂材料防裂縫能力時，可以通過累計應力和應變滯后環面積來體現材料防裂能力。

參考文獻

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