西藏地區(qū)防反射裂縫瀝青路面疲勞損傷與動態(tài)蠕變特性研究

辛順超，尼瑪卓瑪，熊 鷹，付 偉，陳 飛，王全磊，何 斌

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 2.西藏自治區(qū)公路局， 拉薩 850006；3.重慶機場建設(shè)集團， 重慶 401120； 4.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 武漢 430056)

西藏位于青藏高原的西南部，該地區(qū)道路沿線環(huán)境具有海拔高、溫差大、輻射強的特點[1]。該區(qū)域半剛性基層瀝青路面在不同溫度交替作用下容易發(fā)生開裂，瀝青面層在低溫下，瀝青容易脆硬，且體積會發(fā)生一定收縮，而瀝青混凝土的勁度模量較高、應(yīng)力松弛性能和變形能力欠佳[2]。在大溫差作用下易產(chǎn)生溫縮或干縮效應(yīng)，使半剛性基層發(fā)生開裂并擴展至面層；超長日照和強紫外輻射加劇了瀝青的老化，使其黏性降低，變得干澀，降低了瀝青混合料的抗裂性能，最終導致路面裂縫率升高[3]。

為此，本文針對西藏高海拔地區(qū)防反射裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)及性能展開研究，并通過增加防裂基布，采用彎拉、劈裂、四點彎曲等試驗研究材料疲勞損傷和動態(tài)蠕變特性，以評價路面防裂性能和使用壽命。

1 工程概況

國道318線林芝至拉薩公路改造工程是西藏公路網(wǎng)主骨架和西部大開發(fā)省際公路連接線的重要組成部分，其中墨竹工卡至拉薩段，起于墨竹工卡(K4554+800)東部，經(jīng)章多鄉(xiāng)、塔杰鄉(xiāng)、達孜縣、蔡公堂鄉(xiāng)，在納金大橋處設(shè)納金互通，向西延至拉薩城關(guān)區(qū)香嘠村(K4621+511.708)，全長66.58 km。

項目區(qū)范圍屬于高原溫帶半干旱季風氣候的寒冷地區(qū)，年溫差小，日溫差大。年平均溫度7.5 ℃，最冷月平均溫度-2.3 ℃，最熱月平均溫度為15.4 ℃，極端最低溫度為-16.5 ℃，極端最高溫度為29.4 ℃，年日照數(shù)3 000 h以上，年日照率為68%。項目區(qū)域內(nèi)，日照時間長、系數(shù)大，海拔和溫差對瀝青路面性能變異影響較大[1]。

海拔高、溫差大的地區(qū)，氣壓變化較大容易導致瀝青混合料的物理力學性能發(fā)生變化，溫差較大或者溫度梯度較大時則會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[1]。溫差過大，基層產(chǎn)生的溫縮裂縫可反射至面層[4]。溫度的降低使得路面極限拉應(yīng)變不斷減小，瀝青混合料發(fā)生收縮變形并產(chǎn)生收縮應(yīng)力，應(yīng)力超過材料可承受范圍后，就會導致瀝青面層開裂。

2 原材料性能與結(jié)構(gòu)方案

2.1 瀝青

根據(jù)工程具體情況，選用中石化塔河90號A級道路石油瀝青進行試驗。其基本性能見表1。

表1 瀝青性能指標

2.2 集料

集料是瀝青混合料的重要組成，選用干燥潔凈、堅硬耐磨且無雜質(zhì)的石灰?guī)r集料進行試驗。試驗結(jié)果見表2，采用密度為2.551 g/cm3的石灰?guī)r礦粉作為填料。

2.3 防裂基布

聚丙烯土工合成材料與瀝青相容性較好，其與瀝青相互結(jié)合形成具有一定強度的應(yīng)力吸收層作為防裂結(jié)構(gòu)層[5-6]。本試驗所用防裂基布物理力學性能見表3。

表2 集料性能指標

表3 防裂基布物理力學性能指標

2.4 基本結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)層預(yù)設(shè)方案，擬定2種試驗結(jié)構(gòu)方案：1) A方案：AC-13+防裂基布+粘層油+AC-20；2) B方案：AC-13+粘層油+AC-20。2種試驗方案如圖1所示。設(shè)置不鋪設(shè)聚丙烯防水防裂基布方案作為技術(shù)對比，其中AC-13和AC-20瀝青混料的最佳油石比分別為4.8%和4.2%，采用MTS疲勞壽命試驗對比評價鋪設(shè)基布后的有益效果。

圖1 對比研究結(jié)構(gòu)方案

3 彎拉與劈裂強度試驗

根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程的劈裂試驗方法和小梁彎曲試驗方法，測試計算得出A方案、B方案的劈裂強度、彎拉強度，結(jié)果見表4。

由表4可知，15 ℃時，A方案的劈裂強度為3.66 MPa，B方案的劈裂強度為3.51 MPa，布設(shè)防裂基布后使劈裂強度提高約4.27%；25 ℃時，提高了9.35%，說明在溫度相對較高時，由于瀝青混合料相對柔軟，防裂基布發(fā)揮更為顯著的效果。從抗彎拉強度可知，15 ℃時，A方案的拉伸強度為1.36 MPa，B方案的拉伸強度為1.14 MPa，布設(shè)防裂基布后使拉伸強度提高約19.30%；25 ℃時拉伸強度提高約30.48%，提高幅度超過15 ℃約11.18%，表明溫度較高時，防裂基布的力學性能發(fā)揮更為明顯。

表4 彎拉與劈裂強度試驗結(jié)果

4 疲勞損傷試驗

為分析2種方案的疲勞損傷性能，采用間接拉伸和四點彎曲試驗為基礎(chǔ)，以試件破壞斷裂作為標準進行應(yīng)力疲勞試驗，測試計算試件疲勞損傷量進行對比評價[7-8]。采用損傷變化率分析不同作用次數(shù)下的損傷狀態(tài)[9]。

疲勞損傷變化率按照式(1)進行計算：

(1)

式中：ki為i處損傷變化率；n為荷載次數(shù)；Di為i處損傷量；Di+n為i+n處的損傷量。

4.1 間接拉伸試驗確定混合料疲勞失效

間接拉伸試驗的疲勞損傷變化量與變化率分別如圖2、圖3所示，疲勞損傷破壞測試結(jié)果對比見表5。

圖2 間接拉伸試驗損傷變量曲線

圖3 間接拉伸試驗損傷變化率曲線

由圖2和圖3可知，在試驗前期，試件發(fā)生彈性變形，荷載作用使內(nèi)部細微缺陷逐漸發(fā)展形成裂縫、變形等損傷形式，損傷變化量快速增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定上升狀態(tài)，試件內(nèi)部能量相對平衡，損傷量發(fā)展平穩(wěn)，試驗中后期，損傷迅速發(fā)展擴張，損傷量急劇增大，最終導致試件破壞失效。在整個試驗過程中，A方案損傷量均小于B方案，說明增加防裂基布后，提高了試件的耐疲勞性能，而損傷變化率相對較小，材料穩(wěn)定性更強。

從表5試驗結(jié)果可知，A方案的初始勁度模量約為213.33 MPa，B方案的初始勁度模量為138.6 MPa，增加防裂基布后，試驗試件的勁度模量增加了74.73 MPa，提高了53.92%。A方案的破壞勁度模量為68.57 MPa，B方案的破壞勁度模量為58.42 MPa，提高幅度為17.8%。從疲勞損傷度看，A方案為68.5%，B方案為58.2%，二者發(fā)生破壞時，A方案的殘余勁度模量高于B方案大約10%。由此說明，增加防裂基布，能夠有效提高試件勁度模量，增強材料抗疲勞開裂性能，緩解反射裂縫的發(fā)生。

表5 間接拉伸疲勞損傷試驗破壞勁度模量

4.2 四點彎曲疲勞損傷試驗

如圖4所示，采用的尺寸為38.1 mm×38.1 mm×381 mm的試件，加載頻率為5 Hz～10 Hz，溫度為20 ℃，根據(jù)應(yīng)變控制原理，測試試件勁度模量變化直至破壞的作用次數(shù)[9-10]。四點彎曲試驗變化量和變化率曲線如圖5、圖6所示，四點彎曲疲勞損傷破壞測試結(jié)果見表6。

由圖5和圖6可知，A方案和B方案的變化趨勢基本相同，隨著作用次數(shù)的增加，0～5 000次之間，損傷量迅速增加；5 000～25 000次期間，損傷量趨于穩(wěn)定增長狀態(tài)；28 000次左右時，損傷量急劇上升。但是，相同作用次數(shù)下，A方案的損傷量與損傷變化率明顯小于B方案，由此，增加防裂基布有利于彎曲抗疲勞損傷能力。

圖4 四點彎曲疲勞損傷試驗示意

圖5 四點彎曲疲勞試驗損傷變量曲線

圖6 四點彎拉疲勞試驗損傷變化率曲線

方案編號E0/MPaEn/MPaD=1-En/E0A方案A-16 567.911 913.940.709A-26 644.131 892.520.715A-36 819.791 814.630.734A-46 491.361 959.230.698A-56 659.191 765.490.735A-66 765.941 909.660.718B方案B-15 455.921 770.450.675B-25 312.281 803.560.660B-35 637.611 784.140.684B-45 429.831 753.280.677B-55 071.131 616.370.681B-65 124.511 716.350.665

由表6可知，A方案的四點彎曲初始勁度模量為6 658.05 MPa，B方案為5 338.55 MPa，提高幅度為24.72%，破壞勁度模量分別為1 875.91 MPa和 1 740.69 MPa，增加防裂基布的方案破壞勁度模量高出135.22 MPa，約7.77%。A方案和B方案的損傷量D分別為71.8%和67.4%，進一步說明增加防裂基布后，試件具有更強的抗疲勞損傷性能。

5 動態(tài)蠕變試驗

5.1 蠕變?nèi)崃?/h3>

采用NU14動態(tài)蠕變加載試驗系統(tǒng)分別對15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃條件下的試件進行加載試驗，加載頻率為0.5 Hz，預(yù)壓荷載為0.01 MPa，預(yù)壓時間為90 s，荷載應(yīng)力峰值取0.3 MPa，加載時間為 7 200 s[10-12]。A方案和B方案的蠕變?nèi)崃吭囼灲Y(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 A方案的蠕變?nèi)崃孔兓€

圖8 B方案的蠕變?nèi)崃孔兓€

由圖7、圖8可知，A方案和B方案的蠕變?nèi)崃孔兓厔莼疽恢拢嗤奢d時間下，隨著溫度的升高，試件的蠕變?nèi)崃恐饾u增大。在相同荷載作用時間和相同溫度條件下，A方案的蠕變?nèi)崃啃∮贐方案。由于蠕變?nèi)崃坑糜诒碚鲉挝缓奢d下的變形特性，因此，設(shè)置防裂基布后，更利于降低混合料的蠕變?nèi)崃?，減少試件的變形量。

5.2 蠕變移位因子

根據(jù)粘彈性材料溫度-時間等效換算原理，在參考溫度為25 ℃時分別分析了15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃溫度下的移位因子[13-15]。不同溫度下A方案和B方案蠕變?nèi)崃颗c時間關(guān)系如圖9、圖10所示，參考溫度為25 ℃時的蠕變移位因子見表7。

圖9 A方案的蠕變?nèi)崃颗c時間關(guān)系

圖10 B方案的蠕變?nèi)崃颗c時間關(guān)系

項目名稱不同試驗溫度(℃)下的移位因子15253545A方案-0.33401.1372.663B方案-0.51500.6561.557

由圖9、圖10可知，隨著溫度升高，混合料的蠕變?nèi)崃繉?shù)值越大。根據(jù)時間-溫度等效原理得出參考溫度為25 ℃時的移位因子見表7，相同時間和溫度下，A方案的移位因子大于B方案，說明其適用的溫度范圍更大。

6 結(jié)束語

通過采用彎拉與劈裂試驗、疲勞損傷試驗對藏區(qū)路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷特性與動態(tài)蠕變進行研究，獲得以下認識：

1) 增設(shè)防裂基布后，瀝青路面結(jié)構(gòu)的15 ℃、25 ℃劈裂強度分別提高了4.27%、9.35%，彎拉強度分別提高了19.30%和30.48%，防裂基布的加筋作用提高了路面結(jié)構(gòu)的強度特性。

2) 增設(shè)防裂基布后，結(jié)構(gòu)的間接拉伸勁度模量提高了53.92%，四點彎曲勁度模量提高了24.72%，降低了疲勞損傷量，提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

3) A方案25 ℃基準的動態(tài)蠕變移位因子范圍為1.042，B方案為2.967；增加防裂基布后，A方案蠕變特性更佳，適用溫度范圍更廣。

4) 防裂基布在西藏地區(qū)防反射裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)層中，通過與瀝青結(jié)合形成應(yīng)力吸收分散層，利用自身的柔韌性和力學強度，增強了蠕變性和抗疲勞損傷性能，且防反射裂縫瀝青路面的疲勞壽命更長，在海拔高、溫差大的地區(qū)具有更強的適應(yīng)性及良好的推廣應(yīng)用價值。