西藏高寒地區(qū)瀝青路面防水防裂設(shè)計(jì)及疲勞壽命評(píng)價(jià)

辛順超1，付 偉，張逸圣3，尼瑪卓瑪4，王全磊1，陳 飛1，何 斌

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430052； 3.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102； 4.西藏自治區(qū)公路局，西藏 拉薩 850006)

0 引言

裂縫病害是瀝青路面最常見的病害之一，對(duì)于西藏地區(qū)瀝青路面，在強(qiáng)紫外線、大溫差、凍融循環(huán)等環(huán)境條件下裂縫類病害更為凸顯[1-2]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，西藏國(guó)道318老路某段裂縫密度達(dá)到36.4條/km，通縫密度達(dá)到17條/km，網(wǎng)狀裂縫密集。研究如何減緩裂縫產(chǎn)生，延長(zhǎng)疲勞開裂壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文依托國(guó)道318線林芝至拉薩公路改造工程，針對(duì)西藏高寒地區(qū)瀝青路面反射裂縫突出的問題進(jìn)行防裂路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞壽命評(píng)價(jià)。通過防水防裂路面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)分析、數(shù)值模擬等方式，得出適合于西藏高寒地區(qū)高等級(jí)防水防裂瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，為相關(guān)工程應(yīng)用提供理論支撐和技術(shù)參考。

1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防裂機(jī)理分析

1.1 路面結(jié)構(gòu)層方案

本文依托項(xiàng)目的防裂路面結(jié)構(gòu)為：20 cm水泥穩(wěn)定基層+透層油+熱瀝青粘層油+防裂基布+同步碎石封層+7 cmAC-25+6 cmAC-20+4 cmAC-13瀝青面層；由于防裂基布直接與半剛性基層和下面層接觸，為方便試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)方案暫不考慮中、上面層的影響，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案和對(duì)比方案見圖1，其中熱瀝青粘層油材料及最佳用量通過1.3節(jié)層間粘結(jié)方案研究確定，同步碎石封層所用瀝青為1.2 kg/m2的改性瀝青，碎石規(guī)格為9.5～13.2 mm，滿鋪率約為60%～80%。

圖1 防裂路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)方案Figure 1 Design scheme of structural layer of crack-proof pavement

1.2 防水防裂機(jī)理分析

采用規(guī)格為150 g/m2、拉伸強(qiáng)度>10 kN/m的聚丙烯防裂基布作為防裂結(jié)構(gòu)層的主要載體，將防裂基布作為防裂防水層鋪設(shè)在半剛性基層頂面。通過與瀝青相結(jié)合形成具有一定強(qiáng)度的不透水的應(yīng)力隔離層，當(dāng)基層開裂時(shí)，起到應(yīng)力分散作用，當(dāng)路面自上而下的表面裂縫擴(kuò)展到基布層時(shí)，由于防裂基布結(jié)構(gòu)層具有一定伸長(zhǎng)率、通過應(yīng)力分散作用，保證下部結(jié)構(gòu)不被拉裂，進(jìn)而達(dá)到防裂效果[3-6]。雨水下滲時(shí)，由于在瀝青包裹密實(shí)作用下，形成密封層，使其具有防水功能。

圖2 防水防裂機(jī)理示意圖Figure 2 Sketch map of waterproof and crack-proof mechanism

1.3 層間粘結(jié)方案研究

1.3.1剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)所用防裂基布采用UTM-100微機(jī)動(dòng)態(tài)伺服液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，通過剪切試驗(yàn)確定粘層油的品種，選擇90號(hào)-A級(jí)瀝青、SBS改性瀝青、乳化瀝青3種瀝青品種，分別以1.2、1.2、1.0 kg/m2的撒布量進(jìn)行試驗(yàn)。試件直徑為10 cm，試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min，除乳化瀝青外，瀝青溫度控制為140～150 ℃，剪切試驗(yàn)示意圖及測(cè)試過程見圖3，剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。

圖3 剪切試驗(yàn)示意圖及測(cè)試過程Figure 3 Schematic diagram and testing process of shear test

表1 剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table1 Testresultsofsheartests粘層油名稱編號(hào)溫度/℃撒布量/(kg·m-2)強(qiáng)度/MPa均值/MPa1-1251.20.6590號(hào)-A級(jí)瀝青1-2251.20.660.6471-3251.20.632-1251.20.67SBS改性瀝青2-2251.20.680.6872-3251.20.713-1251.00.47乳化瀝青3-2251.00.450.4733-3251.00.49

由表1可知，復(fù)合試件的剪切強(qiáng)度滿足SBS改性瀝青(0.687 MPa)>90號(hào)-A級(jí)瀝青(0.647 MPa)>乳化瀝青(0.473 MPa)。從滲透性和流動(dòng)性角度，乳化瀝青最佳；從儲(chǔ)存穩(wěn)定性、加工工藝、經(jīng)濟(jì)效益角度，90號(hào)-A級(jí)瀝青最佳。由于SBS改性瀝青與90號(hào)-A級(jí)瀝青的剪切強(qiáng)度較為接近，二者相差僅為0.04 MPa左右，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，最終確定采用90號(hào)-A級(jí)瀝青作為防裂基布粘層油。

1.3.2拉拔試驗(yàn)

根據(jù)1.3.1節(jié)得出的結(jié)論，采用90號(hào)-A級(jí)瀝青作為熱瀝青粘層油，分別按照熱瀝青粘層油撒布量為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 kg/m2進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，以拉拔強(qiáng)度指標(biāo)確定熱瀝青粘層油最佳撒布量范圍。試件成型后，按照10 cm×10 cm規(guī)格切割成方塊，再用直徑為5 cm的套筒鉆芯機(jī)將面層和防裂基布完全切斷，打磨粘貼面后用環(huán)氧樹脂粘貼拉拔頭，放入恒溫箱中保溫。拉拔試驗(yàn)示意圖及破壞形態(tài)見圖4，拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4 拉拔試驗(yàn)示意圖及測(cè)試破壞形態(tài)Figure 4 Drawing test schematic diagram and test failure mode

表2 拉拔試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table2 Testresultsofdrawingtests試驗(yàn)方案試驗(yàn)溫度/℃最大力/N拉拔強(qiáng)度/MPa未鋪基布0.80.91.0鋪基布粘層油撒布量/(kg·m-2)1.11.21.31.425526.150.26825319.590.16325349.530.17825382.920.19525412.120.21025472.530.24125446.210.22725376.730.192

由表2可知，在25 ℃時(shí)，未鋪防裂基布方案的拉拔強(qiáng)度為0.268 MPa，鋪設(shè)防裂基布后，隨著粘層油撒布量的增加，復(fù)合試件的拉拔強(qiáng)度呈先增大后減少的變化規(guī)律，由于防裂基布吸油性較好，瀝青撒布量較少時(shí)，難以保證結(jié)構(gòu)層之間的有效粘結(jié)，當(dāng)瀝青撒布過多時(shí)，富余的瀝青容易形成薄弱面，進(jìn)而導(dǎo)致拉拔強(qiáng)度下降。撒布量為1.2 kg/m2時(shí)，試件拉拔強(qiáng)度最大。為保證結(jié)構(gòu)層粘結(jié)強(qiáng)度，避免材料浪費(fèi)，防裂基布的熱瀝青粘層油最佳撒布量宜控制在1.1～1.3 kg/m2范圍內(nèi)。

2 防水防裂性能評(píng)價(jià)

2.1 防水性評(píng)價(jià)

采用《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)程》中的滲水儀(此處屬非常規(guī)試驗(yàn))測(cè)試防裂基布的防水特性。按40 cm×40 cm×5 cm的常規(guī)車轍試模成型6塊半剛性試驗(yàn)板，其中5塊試驗(yàn)板表面，先撒布0.8 L/m2的透層油，24 h后撒布1.2 kg/m2左右90號(hào)-A級(jí)瀝青然后鋪設(shè)防裂基布，另外5塊試驗(yàn)板僅撒布0.8 L/m2的透層油，并按照式(1)計(jì)算滲水系數(shù)，滲透系數(shù)測(cè)試計(jì)算結(jié)果見表3。

(1)

式中:Cw為滲水系數(shù)，mL/min；V1、V2分別為第一次、第二次讀數(shù)時(shí)的水量，mL；t1、t2分別為對(duì)應(yīng)讀數(shù)時(shí)的時(shí)間，min。

由表3測(cè)試結(jié)果可知，未鋪設(shè)防裂基布時(shí)，試件的滲水系數(shù)大約為260 mL/min，鋪設(shè)防裂基布后，由于聚丙烯土工材料吸收瀝青后形成層狀防水結(jié)構(gòu)層，因此測(cè)試過程中水面基本不動(dòng)，說明其幾乎不透水，具有較好的防水效果。

表3 滲水試驗(yàn)結(jié)果Table3 Testresultsofseepagetest方案名稱編號(hào)滲水系數(shù)/(mL·min-1)均值/(mL·min-1)備注1-1260.61-2255.8未鋪防裂基布1-3260.1260.64/1-4264.51-5262.22-1/2-2/鋪設(shè)防裂基布2-3//水面基本不動(dòng)2-4/2-5/

2.2 模擬高寒地區(qū)凍融循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)將制備的試件預(yù)鋸5 mm基層裂縫，如圖5所示，圖5(a)防裂方案鋪設(shè)防裂基布，但預(yù)鋸縫時(shí)保證防裂基布完整。根據(jù)西藏林拉公路路域范圍極端最低氣溫約為-19.7 ℃，因此將試件在-20 ℃條件下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每次循環(huán)飽水冷凍4 h，25 ℃解凍4 h，飽水冷凍主要是模擬極端惡劣情況，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖5 模擬凍融開裂試驗(yàn)圖示Figure 5 Diagram of simulated freeze-thaw cracking test

表4 模擬凍融開裂測(cè)試結(jié)果Table4 Testresultsofsimulatedfreeze-thawcrackingtest方案名稱編號(hào)凍融10次凍融20次凍融40次1-1未開裂未開裂未開裂鋪防裂基布1-2未開裂未開裂裂1.0mm1-3未開裂未開裂未開裂2-1未開裂裂0.8mm裂4.7mm未鋪防裂基布2-2未開裂裂1.1mm裂6.5mm2-3未開裂裂0.6mm裂5.1mm

由表4可知，凍融循環(huán)10次時(shí)，未鋪防裂基布和鋪防裂基布兩種方案面層均未開裂，凍融20次時(shí)，鋪設(shè)防裂基布的方案未開裂，未鋪防裂基布的方案產(chǎn)生長(zhǎng)度約為1 mm的裂紋，凍融循環(huán)40次時(shí)，鋪防裂基布的方案中，有兩個(gè)測(cè)試試件未開裂，其中一個(gè)開裂1 mm，而未鋪設(shè)防裂基布的方案已經(jīng)開裂約5 mm。按最不利情況，開裂1 mm時(shí)，鋪防裂基布方案需要40次凍融循環(huán)，未鋪防裂基布方案僅能承受20次凍融循環(huán)。由此得出，鋪設(shè)防裂基布后，其凍融開裂壽命約為未鋪防裂基布的2倍。

2.3 MTS疲勞壽命試驗(yàn)

采用兩塊規(guī)格為100 mm×100 mm×40 mm低強(qiáng)度素混凝土塊模擬半剛性基層，100 mm×100 mm×20 mm的瀝青混凝土模擬面層結(jié)構(gòu)，兩塊素混凝土試塊間隔5 mm，模擬半剛性基層裂縫。面層與基層之間按照設(shè)計(jì)方案鋪設(shè)防裂基布(對(duì)比方案不鋪基布)。在面層底面，采用膠水粘貼應(yīng)變片并與DH3820解調(diào)儀正確連接[7-8]。溫度控制為(10±1) ℃，加載頻率為2 Hz。面層發(fā)生初始開裂、開裂1/2、完全開裂對(duì)應(yīng)的疲勞作用次數(shù)見圖7，不同作用次數(shù)下的微應(yīng)變關(guān)系曲線見圖8。

從圖7可知，相同開裂程度時(shí)，鋪設(shè)防裂基布后的試件承受作用次數(shù)明顯提高。未鋪設(shè)防裂基布的初始開裂作用次數(shù)為1 550次，鋪防裂基布后的初始開裂作用次數(shù)為7 120次，后者是前者的4.59倍。當(dāng)面層開裂1/2(即10 mm)時(shí)，未鋪基布作用次數(shù)為3 100次，鋪基布后為8 850次，大約提高了185.5%。在試件完全開裂(即20 mm)時(shí)，未鋪基布疲勞作用次數(shù)為5 340次，鋪基布后為14100次。從圖8可知，2種方案的面層層底微應(yīng)變均隨作用次數(shù)的增加而增加，但相同作用次數(shù)下，鋪設(shè)防裂基布的微應(yīng)變明顯小于未鋪方案。鋪設(shè)防裂基布在面層和基層之間起到應(yīng)力分散和應(yīng)力吸收作用，當(dāng)變形較大時(shí)，基布承擔(dān)一定彎拉應(yīng)力，有效延緩了反射裂縫的擴(kuò)展，提高了路面疲勞壽命。

圖7 疲勞作用裂縫發(fā)展柱狀圖Figure 7 Column diagram of fatigue crack development

圖8 不同作用次數(shù)的微應(yīng)變變化曲線Figure 8 Microstrain curves under different loading times

2.4 MMLS3加速加載試驗(yàn)

加速加載試驗(yàn)采用1 200 mm×300 mm×60 mm的AC-25瀝青混凝土面層+1 400 mm×800 mm×130 mm的半剛性基礎(chǔ)，并分別設(shè)置兩組鋪設(shè)基布方案和未鋪基布方案，基層預(yù)鋸5 mm裂縫，MMLS3模擬設(shè)備加載頻率為7 200次/h，荷載為2.7 MPa[9]。加載10萬次、60萬次的微應(yīng)變波形見圖9，荷載作用與微應(yīng)變關(guān)系見圖10，微應(yīng)變差見圖11。

圖9 不同加載次數(shù)下的微應(yīng)變波形圖Figure 9 Microstrain waveform under different loading times

圖10 荷載作用次數(shù)與微應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 10 Curve of relationship between loading times and micro-strain

圖11 鋪基布和不鋪基布方案的微應(yīng)變差Figure 11 Micro strain difference between laying anti-cracking base cloth and non-laying anti-cracking base cloth

由圖9、圖10可知，加載10萬、60萬次，微應(yīng)變波形波動(dòng)范圍約為5 με，隨著加載次數(shù)的增加，未鋪設(shè)防裂基布，在0至10萬次時(shí)，微應(yīng)變值迅速增加，隨后增速逐漸放緩，最后趨于相對(duì)平穩(wěn)，2個(gè)試件曲線變化規(guī)律基本一致，由于試驗(yàn)誤差原因，未鋪防裂基布的3號(hào)和4號(hào)之間的微應(yīng)變值存在一定差異，但最終加載60萬次時(shí)的微應(yīng)變均大于400 με，其最大值為450 με，而鋪設(shè)防裂基布的方案，隨著加載次數(shù)的增加，其微應(yīng)變?cè)鏊佥^為平緩，1號(hào)試件和2號(hào)試件相差較小，加載60萬次時(shí)的微應(yīng)變約為50 με，最大值為55 με，微應(yīng)變最大值僅為不鋪設(shè)防裂基布的12.22%，應(yīng)變下降了7.18倍。由于試驗(yàn)加載過程中，預(yù)鋸裂縫端頭位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋪設(shè)防裂基布后，防裂基布吸收瀝青后形成的具有一定柔韌性、延展性和力學(xué)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)層，通過層間過渡和應(yīng)力分散效應(yīng)，使得傳遞給瀝青結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力減少，進(jìn)而延緩了反射裂縫的發(fā)展，降低了結(jié)構(gòu)層微應(yīng)變，有效提高了瀝青路面的疲勞開裂壽命。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 模型設(shè)計(jì)

采用ABAQUS有限元軟件中的薄膜單元模擬防裂基布，并通過拉伸模量模擬鋪基布前后的溫度荷載效應(yīng)[10]。根據(jù)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)方案溫度效應(yīng)分析，按表5所示參數(shù)建立有限元模型見圖12。

表5 有限元模型材料參數(shù)Table5 Materialparametersoffiniteelementmodel結(jié)構(gòu)層厚度/mm泊松比動(dòng)態(tài)模量/MPa阻尼系數(shù)面層1700.2560000.90基布50.402000/基層2000.20120000.85底基層2000.2060000.85路基20000.35400.40

圖12 有限元全局和裂縫網(wǎng)格單元Figure 12 Finite element global and crack mesh element

3.2 溫度作用分析

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際環(huán)境，以參考溫度為8 ℃，分析±15 ℃溫度應(yīng)力作用下的瀝青面層層底應(yīng)力。結(jié)構(gòu)變形云圖見圖13，應(yīng)力變化曲線見圖14。

圖13 溫度場(chǎng)應(yīng)力下的變形云圖Figure 13 Deformation cloud chart in the temperature stress

圖14 瀝青層層底應(yīng)力變化曲線Figure 14 Stress variation curve of asphalt layer bottom

由圖13和圖14可知，溫度降低，結(jié)構(gòu)層收縮凹陷，裂縫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，但由于防裂基布分散了一部分應(yīng)力，隨著防裂基布拉伸模量的增加，最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均逐漸降低。根據(jù)材料性能，以防裂基布的拉伸模量為2 000 MPa進(jìn)行評(píng)價(jià)，未鋪防裂基布的最大拉應(yīng)力為2.24 MPa，最大剪應(yīng)力為0.35 MPa。鋪設(shè)防裂基布后，最大拉應(yīng)力為1.23 MPa，降低了45.09%，最大剪應(yīng)力為0.15 MPa，降低了57.14%，由此可知，防裂基布對(duì)控制和分散溫度應(yīng)力作用效果明顯。

3.3 荷載作用分析

采用DLOAD子程序模擬BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載的移動(dòng)荷載，預(yù)設(shè)胎壓為0.7 MPa，應(yīng)力擴(kuò)散作用效果云圖見圖15，瀝青路面層底拉應(yīng)變與距裂縫的距離關(guān)系曲線見圖16和圖17。

(1)鋪設(shè)基布

(2)未鋪基布圖15 荷載作用下應(yīng)力擴(kuò)散云圖Figure 15 Stress diffusion nephogram under load

圖16 不同方案的應(yīng)變-距離關(guān)系Figure 16 Strain-distance relationship of different schemes

圖17 不同位置的應(yīng)變-距離關(guān)系Figure 17 Strain-distance relationship of different locations

從圖15～圖17可知鋪設(shè)防裂基布后的方案，應(yīng)力集中較弱，防裂基布起到擴(kuò)散作用。不鋪基布方案的最大拉應(yīng)變?yōu)?2.11 με，老化后的基布次之，為45.14 με，鋪防裂基布方案為37.32 με，鋪設(shè)防裂基布后使層底應(yīng)變降低了28.38%。當(dāng)基布鋪設(shè)在中下面層之間時(shí)，其最大拉應(yīng)變?yōu)?3.11 με，大于鋪設(shè)于基層頂面方案的37.32 με，距離裂縫越遠(yuǎn)，應(yīng)變?cè)叫?，開裂影響越小。因此，防裂基布對(duì)應(yīng)力分散，延緩裂縫發(fā)展，確保受力均勻是有效的。

4 實(shí)體工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)防裂基布的實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)林拉公路拉薩段長(zhǎng)42.8 km的路面進(jìn)行裂縫全面排查，排查結(jié)果見表6。

表6 裂縫調(diào)查結(jié)果分析表Table6 Analysistableoffractureinvestigationresults是否鋪布里程/km裂縫/條通縫/條裂縫密度/(條·km-1)通縫密度/(條·km-1)是10.31331.260.29否32.5118223.630.68

由表6可知，鋪設(shè)基布后，路面裂縫密度為1.26條/km(未鋪設(shè)基布為3.63條/km)，降低了65.29%;鋪基布的通縫密度為0.29條/km(未鋪設(shè)基布為0.68條/km),降低了57.35%。鋪設(shè)防裂基布對(duì)減少反射裂縫有明顯效果。

5 結(jié)論

通過對(duì)西藏高寒地區(qū)瀝青路面進(jìn)行防裂設(shè)計(jì)、疲勞壽命評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬，主要得出以下結(jié)論：

a.優(yōu)先選擇90號(hào)A級(jí)瀝青作為防裂基布粘層油，最佳撒布量為1.1～1.3 kg/m2鋪設(shè)的防裂基布與瀝青相互融合形成較好防水效果的結(jié)構(gòu)層。

b.MTS疲勞試驗(yàn)加載至路面完全開裂時(shí)，鋪設(shè)基布的次數(shù)是未鋪基布的2.64倍，MMLS3試驗(yàn)加載至60萬次時(shí)，層底微應(yīng)變僅為不鋪基布方案的12.22%，防裂效果明顯。

c.有限元結(jié)果顯示，鋪設(shè)防裂基布使層底應(yīng)變降低28.38%，鋪設(shè)在基層頂面優(yōu)于中下面層之間。

d.鋪設(shè)防裂基布的實(shí)體工程，路面裂縫率降低了65.29%，該措施對(duì)西藏高寒地區(qū)瀝青路面反射裂縫防治效果明顯，有助于延長(zhǎng)路面使用壽命。