談應(yīng)力吸收材料在道路工程中的應(yīng)用

陳 凱 彭 瀑

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300457； 2.林同國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

談應(yīng)力吸收材料在道路工程中的應(yīng)用

陳 凱1彭 瀑2

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300457； 2.林同國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

在分析瀝青路面半剛性基層常見病害的基礎(chǔ)上，從應(yīng)力吸收材料對延緩反射裂縫的作用原理出發(fā)，針對道路工程中使用的土工合成材料、聚合物改性瀝青、改性瀝青混合料應(yīng)力吸收材料進行了深入評價和探討，指出在道路工程中應(yīng)根據(jù)具體情況選取合適的應(yīng)力吸收材料等。

反射裂縫，土工合成材料，聚合物改性瀝青，應(yīng)力吸收層

1 綜述

我國高速公路網(wǎng)規(guī)劃13.8萬km，2013年底通車?yán)锍桃呀?jīng)達到10.5萬km，還有3萬km～4萬km的在建項目，而且公路建設(shè)向“高效、耐久、綠色”方向發(fā)展。隨著交通量和軸載進一步增大，公路半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)諸多病害，其中反射裂縫較為常見，鉆心取樣結(jié)果表明裂縫中有超過50%為半剛性基層開裂而導(dǎo)致瀝青層開裂的反射裂縫(Reflectic Crack)[1]。

反射裂縫[2]是指已開裂的舊瀝青路面或水泥路面內(nèi)的裂縫在交通荷載和溫度荷載的反復(fù)作用下反射到新加鋪面層上形成的裂縫。反射裂縫的產(chǎn)生與半剛性基層材料的性質(zhì)有很大關(guān)系，由于半剛性基層材料屬于水硬性材料，強度和剛度隨著齡期的增長而不斷加強，該類材料對溫度和濕度變化的高敏感性，導(dǎo)致基層產(chǎn)生干縮和溫縮，而下臥層由于摩阻作用抑制其收縮，在該層內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力查過基層抗拉強度時則基層發(fā)生斷裂。

因此防治半剛性基層瀝青路面反射裂縫尤為迫切，本文主要針對應(yīng)力吸收層材料及防治措施進行探討。道路用應(yīng)力吸收材料根據(jù)材料及功能效果主要分為四大類：1)土工合成材料；2)聚合物改性瀝青；3)改性瀝青混合料；4)應(yīng)力吸收復(fù)合夾層。

2 應(yīng)力吸收材料

2.1 土工合成材料

土工合成材料主要有土工布和玻璃纖維土工格柵，兩者材料性能不同，表現(xiàn)出的工程特性和延緩反射裂縫效果也有所不同。

土工布具有許多工程特性：1)耐高溫性能；2)一定的抗拉強度；3)與瀝青吸附性良好；4)耐酸堿性等。道路用玻璃纖維土工格柵被證明是有效防止路面開裂[3]，具有優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能，具有以下主要特點：1)高拉伸模量、低伸長率、無長期蠕變；2)熱穩(wěn)定性和物理化學(xué)穩(wěn)定性好；3)與瀝青混合料相容性良好。玻璃纖維土工格柵的高抗變形能力主要因為玻纖抗拉強度達370 MPa，抗拉模量為106 GPa～118 GPa；斷裂延伸率小于4%。玻璃纖維主要成分為SiO2，熔點在1 000 ℃以上，保證了土工格柵在高溫攤鋪過程中的力學(xué)性能。在后期處理工藝中，均涂覆了特殊材料，保證其與瀝青混合料的高相容性。同時，施工工藝對保證土工格柵性能發(fā)揮也非常重要。

2.2 聚合物改性瀝青

目前用于道路應(yīng)力吸收層的聚合物改性瀝青一般為SBS改性瀝青以及膠粉改性瀝青。這層聚合物瀝青層能消散部分因反射裂縫引起的應(yīng)力集中，同時瀝青層良好的回彈能力和防水性對延緩反射裂縫的擴散起到一定作用。

聚合物改性瀝青的研發(fā)逐漸向“高彈性、高柔韌性、粘結(jié)性、不滲透”的特點發(fā)展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的高粘改性瀝青專門應(yīng)用于應(yīng)力吸收層，通過室內(nèi)試驗及試驗路鋪筑總結(jié)出高粘改性瀝青結(jié)合料中瀝青指標(biāo)與其疲勞性能的關(guān)系，采用多種指標(biāo)進行施工控制(15 ℃，20 ℃針入度、粘韌性及60 ℃粘度)，針對性的解決了面層與基層的粘結(jié)，保證了聚合物改性瀝青應(yīng)力吸收層的性能。

長安大學(xué)陳拴發(fā)教授一直致力于應(yīng)力吸收層瀝青結(jié)合料改性方案和應(yīng)力吸收層材料特性的研究，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)工程試驗與經(jīng)驗，提出了適用于國內(nèi)瀝青路面的SAMPAVE應(yīng)力吸收層改性瀝青。其應(yīng)力吸收層聚合物改性瀝青先后在山東濟聊高速公路、青銀高速公路山西段、青蘭高速公路延安段等道路中進行了實體工程，歸納出主要瀝青指標(biāo)的控制范圍，為今后應(yīng)力吸收層聚合物改性瀝青的加工生產(chǎn)具有重要意義。針對生產(chǎn)高性能的聚合物改性瀝青，高中軍等人研發(fā)了一種SINOTPS的高粘瀝青改性劑，僅在室內(nèi)試驗中對比了SINOTPS高粘瀝青與應(yīng)力吸收層瀝青材料的主要技術(shù)指標(biāo)，具有一定價值，但在路用性能及實體工程中的效果還需要進一步探究。目前國內(nèi)逐漸重視膠粉改性瀝青的應(yīng)用，改性效果良好的膠粉瀝青仍具有較好的防反射裂縫的效果，同時廢舊輪胎的回收利用也體現(xiàn)了路面工程的環(huán)保意識。其實早期針對膠粉瀝青應(yīng)力吸收層有一定結(jié)論：1)膠粉瀝青應(yīng)力吸收層可以阻止和延緩反射裂縫；2)膠粉瀝青應(yīng)力吸收層可以防治柔性面層上的疲勞裂縫；3)厚度在0.6 cm～1.0 cm的膠粉瀝青應(yīng)力吸收層效果較突出；4)低勁度的膠粉瀝青應(yīng)力吸收層較佳，在21 ℃～24 ℃時，勁度要達到45 MPa～52 MPa。

2.3 瀝青混合料

針對預(yù)防和延緩反射裂縫的改性瀝青混合料是一種特殊的瀝青混合料，瀝青含量高達9%左右，形成富瀝青砂粒式瀝青混合料，設(shè)置在半剛性(或剛性)基層與瀝青面層之間。早在19世紀(jì)末，美國科氏(Koch)公司就研發(fā)了STRATA應(yīng)力吸收層技術(shù)，其技術(shù)特性表現(xiàn)在：1)優(yōu)良的抗裂縫繼續(xù)擴展能力；由于該瀝青混合料的高彈性聚合物改性瀝青和優(yōu)良的級配組成，使得該吸收層密實、粘結(jié)性強，自愈能力強；2)結(jié)構(gòu)密實，有利于避免路面或路基的水損害；3)層間粘結(jié)性強，有效的保證瀝青面層與基層形成一個整體；4)抗疲勞性能強，一定的模量表現(xiàn)出良好的變形特性和疲勞耐久性；5)施工技術(shù)相對簡單、成熟，質(zhì)量易于控制，可利用普通瀝青混合料的施工設(shè)備；6)便于后期路面養(yǎng)護和再生利用，具有可持續(xù)發(fā)展的特點。

應(yīng)力吸收層技術(shù)分為Strata系統(tǒng)和Simm系統(tǒng)。

Strata系統(tǒng)專為水泥混凝土加鋪瀝青層使用。如圖1所示Strata系統(tǒng)作用原理及破壞情況與普通罩面的對比，前者有效的將裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象有效的轉(zhuǎn)移，使得裂縫無法繼續(xù)擴散，應(yīng)力得到消散，從而延長了路面的使用壽命。

Simm系統(tǒng)專為半剛性基層鋪筑瀝青層設(shè)計。其與Strata系統(tǒng)所用材料及機理相似，不同之處僅表現(xiàn)在瀝青層的厚度。Strata系統(tǒng)瀝青罩面層最小厚度為6.5 cm，一般為8 cm～12 cm；而Simm系統(tǒng)瀝青罩面層最小厚度為13 cm，一般為15 cm～18 cm。

這種改性瀝青應(yīng)力吸收層將基層裂縫處的應(yīng)力集中分散到較大的面積上，大大延緩基層反射裂縫的擴展，在防治基層反射裂縫、保護基層不受水的侵蝕、提高瀝青路面整體質(zhì)量和使用壽命方面，具有其他材料和結(jié)構(gòu)所無法比擬的優(yōu)點。

2.4 應(yīng)力吸收復(fù)合夾層

應(yīng)力吸收復(fù)合夾層(ISAC)是一種多重夾層式結(jié)構(gòu)，一般有三層分別為低強度的土工織物、粘彈性膜以及高強土工織物，三者相互協(xié)作共同抵御反射裂縫的產(chǎn)生，如圖2所示。

底層低強度土工織物通過粘層油與基層連接，當(dāng)基層材料發(fā)生干縮或溫縮裂縫時，裂縫會逐漸擴大，此時低強度的土工織物也會產(chǎn)生較大拉伸變形。而夾層的粘彈性膜具有分散基層應(yīng)力和防水隔離的功能，使得裂縫擴散所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸消散。傳遞到上層的應(yīng)力因高強土工織物的特性而不產(chǎn)生形變，并降低上面層受基層中荷載、溫度導(dǎo)致的變形和應(yīng)力的影響，有效的延緩路面基層的反射裂縫。

應(yīng)力吸收夾層的效果與其設(shè)計參數(shù)如厚度、模量、鋪設(shè)位置等關(guān)系密切。相關(guān)研究說明，在偏荷載作用下設(shè)置復(fù)合夾層后，底層剪應(yīng)力發(fā)生了明顯改變，與未設(shè)置復(fù)合夾層相比剪應(yīng)力減少了近70%；在溫度荷載作用下，鋪設(shè)復(fù)合夾層后底部拉應(yīng)力減小了72%，充分表明符合夾層減緩面層底部的應(yīng)力集中情況。

研究進一步表明適當(dāng)增加復(fù)合夾層的厚度，底面層底部拉應(yīng)力減小、剪應(yīng)力減??；同時其隨著符合夾層的模量減小呈減小趨勢。因此可以認(rèn)為，適當(dāng)厚度且模量較小的符合夾層材料，更具有防治延緩反射裂縫擴展的效果。

3 結(jié)語

反射裂縫嚴(yán)重影響路面性能和耐久性，導(dǎo)致路面防水性降低、引起路基過大壓應(yīng)力、增大路面應(yīng)力和變形及磨耗層沿裂縫的破壞。本文闡述了道路中常用的延緩反射裂縫的技術(shù)措施：土工合成材料、聚合物改性瀝青、改性瀝青混合料、應(yīng)力吸收復(fù)合夾層。各措施具有優(yōu)良的技術(shù)性能，但從工程造價、經(jīng)濟效益及防治反射裂縫的效果不盡相同，需要針對工程的具體情況擇優(yōu)選取。

[1] 鄭健龍，周志剛，張起森．高速公路瀝青路面設(shè)計理論與方法[M]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 廖 丹.半剛性基層瀝青路面反射裂縫防治技術(shù)研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2009.

[3] 閆紅民．玻纖格柵在新建瀝青路面反射裂縫防治中的應(yīng)用[J]．中國市政工程，2003(6)：7-9.

[4] 周 燕.SAMPAVE材料性能及其關(guān)鍵評價指標(biāo)研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

On application of stress-absorbed materials in road projects

CHEN Kai1PENG Pu2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignResearchInstitute,Tianjin300457,China;>2.TYLINInternationalEngineeringConsultancy(China)Co.,Ltd,Chongqing401121,China)

Based on the analysis of the common diseases on the semi-rigid base of asphalt roadbed, the paper firstly introduces the working principle for the stress-absorbed materials on the reflection cracks, has the deep evaluation and exploration for the stress-absorbed materials including the geosynthetic materials, the polymer modified asphalt, and the modified asphalt mixtures in the road projects, and points out the suitable stress-absorbed materials can be adopted in the road projects according to the projects.

reflection crack, geosynthetic material, polymer modified asphalt, stress absorbing layer

1009-6825(2014)11-0160-02

2014-02-08

陳 凱(1987- )，男，碩士，助理工程師; 彭 瀑(1986- )，男，碩士，助理工程師

U416.217

A