基于斷裂能的瀝青路面應(yīng)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(xué)，土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.廣西壯族自治區(qū)公路管理局，廣西南寧530028)

半剛性基層由于溫縮與干縮效應(yīng)容易產(chǎn)生收縮裂縫，在重載作用下還容易出現(xiàn)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(shè)應(yīng)力吸收層是最常用的技術(shù)措施之一［1-3］。國內(nèi)外的相關(guān)研究表明，聚酯玻纖布、玻纖格柵、FHGS高強(qiáng)玻纖格柵等形式的連續(xù)型應(yīng)力吸收層，對材料質(zhì)量要求較高，施工質(zhì)量很難控制，路面銑刨回收再利用也比較困難，因此在黏結(jié)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(qiáng)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(jìn)行對比，從斷裂能和裂縫動態(tài)發(fā)展快慢角度評價各種應(yīng)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(xué)概念發(fā)展而來的一種反映材料抗裂能力和抗沖擊能力力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)國際材料和結(jié)構(gòu)實驗室聯(lián)合會(RILEM)定義，斷裂能是單位面積裂縫擴(kuò)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(kuò)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(guān)系曲線圖，曲線下［7］(圖 1)。在距水泥混凝土板預(yù)裂縫頂端1，3，5 cm位置黏貼應(yīng)變片(圖2)，同時測定加載過程中應(yīng)力與應(yīng)變變化情況，應(yīng)變突變點處所經(jīng)歷的時間即為裂縫發(fā)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(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of specimen structure

1.2 試件的成型

試件結(jié)構(gòu)如圖3，下部為4 cm的水泥混凝土板，中間預(yù)留切口3 cm，模擬底部帶裂縫基層，中間1 cm應(yīng)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(qiáng)度等級為C30，達(dá)到齡期以后將水泥混凝土板切割，中間應(yīng)預(yù)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(yīng)力吸收層成型

①將水泥混凝土塊放入試模，預(yù)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(guī)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(xiàn)纖維裸露現(xiàn)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(nèi)，模擬現(xiàn)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(yīng)變片。

1.3 試驗過程

將試件裂縫處對準(zhǔn)加載點中部(圖2)，跨距250 mm，將支點對準(zhǔn)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(yīng)變片接線頭用數(shù)據(jù)線與應(yīng)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(bǔ)償，試驗前打開測試軟件，控制應(yīng)變對應(yīng)數(shù)據(jù)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(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 三點彎曲試驗結(jié)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(jié)論:

1)在5種封層材料中彎曲力最大是鋪設(shè)C封層以后的瀝青混合料，其次為鋪設(shè)E封層的瀝青混合料，再其次為鋪設(shè)D封層的瀝青混合料，然后是鋪設(shè)B封層的瀝青混合料，最小的是鋪設(shè)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(gòu)成的復(fù)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(fù)合斷裂能增加了92.8%，A封層中加入纖維以后復(fù)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(fù)能力，因此D封層比A封層復(fù)合斷裂能增加14.6%，E封層比B封層復(fù)合斷裂能增加4.6%。乳化瀝青稀漿封層由于水泥的加入，復(fù)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(yīng)變測試結(jié)果

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

圖5 A，B，C，D，E封層不同位置處應(yīng)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(shè)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(fā)展到3 cm時的規(guī)律與發(fā)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(jīng)歷的時間稍有延長，證明在裂縫發(fā)展的中期鋪設(shè)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(qiáng)一些，對應(yīng)力的吸收和應(yīng)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(fù)能力有很大的關(guān)系。裂縫發(fā)展到5 cm，在鋪設(shè)B封層瀝青混合料中比鋪設(shè)D封層瀝青混合料中發(fā)展緩慢一些，時間長了70.5 s。故纖維在阻止裂縫的發(fā)展上有很大的貢獻(xiàn)。圖14表示出鋪設(shè)各種封層材料后裂縫在瀝青混合料中從1 cm發(fā)展到5 cm時所經(jīng)歷的時間。總體來說在封層瀝青中加入纖維以后的裂縫發(fā)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(xiàn)得尤為明顯。而裂縫一旦出現(xiàn)在鋪設(shè)C封層的瀝青混合料中，其擴(kuò)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(fā)展到5 cm經(jīng)歷時間Fig.6 Experience time of cracks developed from 1 cm to 5 cm in each seal coat material

3 結(jié)論

1)在幾種封層材料中彎曲力最大是鋪設(shè)乳化瀝青稀漿封層(C封層)以后的瀝青混合料，其次為鋪設(shè)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(shè)橡膠瀝青碎石封層(D封層)的瀝青混合料，然后是鋪設(shè)纖維增強(qiáng)乳化瀝青碎石封層(B封層)的瀝青混合料，最小的是鋪設(shè)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(fù)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(fù)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(fù)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(qiáng)乳化瀝青碎石封層(B封層)的瀝青混合料復(fù)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(fā)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(xiàn)在乳化瀝青稀漿封層(C封層)中，其擴(kuò)散速度比其他幾種封層快，抗裂效果不明顯。

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