道路抗裂貼防治反射裂縫性能研究

鄭茂參, 杜鴻儒, 李文凱

(1.貴州省交通建設咨詢監(jiān)理有限公司， 貴州 貴陽 550002； 2.中建市政工程有限公司， 北京 100089；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

瀝青路面具有平整、耐磨、行車舒適和維修養(yǎng)護方便等優(yōu)點，已成為高等級公路最常見的路面類型。在眾多瀝青路面結構組合當中，半剛性和剛性基層瀝青路面具有變形小、承載能力強、整體性良好等優(yōu)勢，因此在修筑高等級瀝青路面時常采用這2種結構類型。然而，半剛性和剛性基層瀝青路面易產(chǎn)生反射裂縫，在交通荷載和溫度荷載的反復作用下，基層產(chǎn)生的溫度型或荷載型裂縫易擴展到面層。路面雨水易沿著裂縫進入基層和底基層，進而產(chǎn)生坑槽、脫空、沉陷等病害，嚴重影響了路面使用壽命。盡管基層裂縫的產(chǎn)生不可避免，但可以在面層與基層之間設置防裂層，以延緩瀝青面層中反射裂縫的擴展，延長路面的使用壽命[1-9]。

綜上所述，鋪設防裂層能在一定程度上延緩基層裂縫向瀝青面層擴展的速度，延長路面的使用壽命。但目前的研究多集中在防裂層的使用效果評價方面，缺少防裂效果與防裂層本身性能的相關性研究，裂縫來源尚不明確。因此，本文選擇抗裂貼作為防裂夾層進行室內(nèi)試驗研究，制作瀝青混凝土-抗裂貼-水泥混凝土的組合試件，通過滾動荷載疲勞試驗和張拉試驗，分別模擬了瀝青面層在行車荷載和溫度荷載作用下反射裂縫的發(fā)展規(guī)律，分析了抗裂貼防治這2類反射裂縫的效果，并且提出了抗裂貼的施工工藝要點，為抗裂貼的工程應用提供參考。

1 抗裂貼的技術指標

選用泰安路銘工程材料有限公司生產(chǎn)的4種型號抗裂貼，將其分別編號為YN20、YN30、WT20和WT30型。其中，YN型和WT型的區(qū)別在于表面增強層材料的不同，20、30的區(qū)別在于涂覆層厚度差異。依據(jù)規(guī)范《瀝青加鋪層用聚合物改性瀝青抗裂貼》(JT/T 971—2015)對4種抗裂貼進行性能測試，測試結果如表1所示。

2 實驗方案

通過制備瀝青混凝土-抗裂貼-水泥混凝土復合型試件進行試驗測試。根據(jù)反射裂縫形成、擴展的機理[10- 15]，在行車荷載作用下，反射裂縫主要由行車荷載產(chǎn)生的剪切作用所引起；而在溫度荷載作用下，反射裂縫主要由溫度荷載產(chǎn)生的張拉作用所引起。因此，采用全自動車轍儀進行行車荷載疲勞試驗，模擬抗裂貼抵抗行車荷載作用所引起的剪切作用，采用OT測試系統(tǒng)模擬抗裂貼抵抗溫度荷載作用引起的張拉作用。

表1 抗裂貼的技術指標防裂貼編號厚度/mm單位面積質(zhì)量/(g·m-2)拉伸強度(N/50 mm)斷裂伸長率/%橫向縱向橫向縱向YN202.12 12032.932.76.66.3YN303.32 63433.433.95.86.2WT202.22 08338.338.96.06.5WT303.22 54138.539.65.96.2要求≥2.0≥2 000≥28≥28≤20%≤20%

2.1 試件制備

首先，采用30 cm×30 cm×5 cm的試模澆筑水泥混凝土板，在標準條件下養(yǎng)護28 d，使其達到規(guī)定強度。隨后將制備好的水泥板置于30 cm×30 cm×10 cm的試模中，用毛刷除去表面灰塵，其上撒布熱瀝青，瀝青用量為0.8～1.2 g/m2，隨后鋪設道路抗裂貼，利用平鏟將抗裂貼壓平。鋪設好抗裂貼后，迅速裝入熱拌AC-20瀝青混合料，將試模置于車轍板成形儀上進行上層瀝青混合料成型，試件總厚度為10 cm。其中，瀝青為90#基質(zhì)瀝青，粗集料為玄武巖材質(zhì)，細集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥混凝土砂為河沙，瀝青混合料中最佳油石比為4.4%。

2.2 加載方式

2.2.1行車荷載型疲勞試驗

如圖1所示，將制備好的復合試件沿著試件縱向切割為300 mm×70 mm×100 mm的小梁，并在小梁試件的水泥混凝土板中央，沿寬度方向預切割寬度為3、6、9 mm，深度為50 mm的裂縫，用于模擬基層開裂。將成型的小梁試件安置于車轍儀中，按照圖1所示，在切縫的兩邊分別安置20 mm厚的橡膠墊塊和鋼墊塊，使試件在車轍儀滾輪的作用下，與切縫的上端產(chǎn)生剪切型荷載作用，用于模擬行車荷載作用所引起的疲勞效應。實驗溫度為20 ℃，滾輪采用0.7 MPa標準橡膠輪，行走距離為230 mm，往返碾壓速度為42次/min，當瀝青混凝土面層出現(xiàn)貫穿裂縫時停止試驗，統(tǒng)計加載次數(shù)。每組進行3個平行試件，用不加鋪抗裂貼的試件作為對比組，加載過程如圖2所示。

圖1 行車荷載型疲勞試驗加載方式(單位： mm)

圖2 行車荷載型疲勞試驗

2.2.2溫度荷載型疲勞試驗

如圖3所示，將試件切割為150 mm×70 mm×80 mm的小梁，使上層瀝青層厚度為50 mm，下層水泥層厚度為30 mm，并根據(jù)試驗要求，在水泥層中線處預切割深度為30 mm，裂縫寬分別為2、4、6 mm的試件各3塊，用于模擬基層的開裂。試驗采用美國德克薩斯州交通研究所開發(fā)的Overlay Tester(OT)張拉測試系統(tǒng)進行，將切割好的試件粘結在特制鋼質(zhì)基座上，與2塊剛基座之間的裂縫寬度相適應，一端固定于儀器,一端連接加載系統(tǒng)，施加最大位移為0.635 mm的周期性三角波型荷載，單次試驗周期為10 s?？紤]溫度型開裂大多發(fā)生在我國北方地區(qū)，因此選取以北京為代表的華北地區(qū)一年中月最低氣溫作為試驗溫度的參考值，試驗溫度為-15 ℃，當面層出現(xiàn)貫穿裂縫時停止加載，記錄加載的周期數(shù)。每組進行3個平行試件，用不加鋪抗裂貼的試件作為對比組，加載過程如圖4所示。

圖3 溫度荷載型疲勞試驗加載方式(單位： mm)

圖4 溫度荷載型疲勞試驗

3 實驗結果分析

3.1 行車荷載型疲勞

圖5為行車荷載型疲勞試驗結果，由圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相較于未加鋪抗裂貼的復合型試件，在相同預切縫寬度下，加鋪抗裂貼試件出現(xiàn)貫穿裂縫時的行車荷載作用次數(shù)有所增加，增加幅度在7.0%～28.7%之間，表明抗裂貼對荷載型反射裂縫具有一定防治效果。同時，隨著預切縫寬度增加，加鋪相同抗裂貼試件出現(xiàn)貫穿裂縫的行車荷載作用次數(shù)減少，說明預切縫寬度增加對抗裂貼處治荷載型基層反射裂縫具有不利影響。

圖5 行車荷載型疲勞試驗結果

結合抗裂貼的性能指標進行對比分析可知，對于同一類型抗裂貼(YN或者WT)，當厚度和單位面積質(zhì)量變化時，試件出現(xiàn)面層貫穿裂縫時的行車荷載作用次數(shù)相差很小，說明抗裂貼的厚度和單位面積質(zhì)量變化對荷載型反射裂縫幾乎沒有影響。當抗裂貼的單位面積質(zhì)量、厚度和斷裂長率相同，而拉伸強度不同時，抗裂貼的拉伸強度越大，出現(xiàn)荷載型反射裂縫時的行車荷載作用次數(shù)越多，說明拉伸強度大的抗裂貼具有更好的荷載型反射裂縫防治效果。

3.2 溫度荷載型疲勞

圖6為溫度荷載型疲勞試驗結果，由圖中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同裂縫寬度下，相較于未加鋪抗裂貼的復合型試件，加鋪4種抗裂貼試件溫度荷載作用周期次數(shù)均增加了1倍以上，這表明抗裂貼對防治溫度引起的反射裂縫具有明顯效果。當加鋪的抗裂貼相同時，隨著裂縫寬度增加，溫度荷載作用周期次數(shù)基本不變，說明溫度型反射裂縫對于預切縫寬度并不敏感。

圖6 溫度荷載型疲勞試驗結果

對比圖6中YN20和YN30組數(shù)據(jù)可知，在相同裂縫寬度下，2種組合試件疲勞作用次數(shù)相差很小，表明二者在防治基層反射裂縫上效果相同。結合性能指標分析發(fā)現(xiàn)，二者的拉伸強度和斷裂伸長率相差很小，而YN30型的厚度和質(zhì)量均比YN20大，說明在一定條件下，抗裂貼的厚度和單位面積質(zhì)量對防治溫度型基層反射裂縫的效果影響不明顯。究其原因是YN20型抗裂貼涂覆層的厚度已經(jīng)能夠滿足粘結和施工性能要求，所以繼續(xù)增加涂覆層厚度并不能有效增加抗裂貼防治溫度型反射裂縫的效果。同樣，對比分析WT20和WT30型的數(shù)據(jù)可知，結果和上述結論一致。

再次對比圖6中YN組和WT組數(shù)據(jù)可知，當裂縫寬度相同時，WT20組試件比YN20試件疲勞荷載作用次數(shù)高了約15%。結合抗裂貼的性能指標進行分析發(fā)現(xiàn)，二者的厚度、單位面積質(zhì)量和斷裂伸張率幾乎相同，而WT20型的拉伸強度比YN20型大16%左右(橫向和縱向)，說明在抗裂貼的眾多性能指標當中，拉伸強度對于防止荷載型基層反射裂縫起關鍵作用。同理，對比分析YN30和WT30組數(shù)據(jù)可以得到相同的結論。這可能是因為拉伸強度越大，在行車荷載作用下，抗裂貼延緩裂縫往兩邊擴展的能力越強。

綜合試驗結果可知，抗裂貼對于荷載型疲勞裂縫和溫度型疲勞裂縫的防治均有一定效果，但對于溫度型疲勞裂縫的效果影響更加明顯，說明抗裂貼主要是用于防治溫度型反射裂縫，但也有部分防治荷載型反射裂縫的效果。這是因為在行車荷載作用下，反射裂縫主要是剪切型裂縫，而抗裂貼的功能是層間抗拉，因此對荷載型反射裂縫作用不明顯。增加抗裂貼的厚度、質(zhì)量，對于瀝青路面基層反射裂縫的防治效果沒有提升作用。而抗裂貼的拉伸強度與基層反射裂縫的防治效果成正比，抗裂貼的拉伸強度越高，防治基層反射裂縫的效果越好。因此，選用路用防治反射裂縫用抗裂貼時，應當在滿足規(guī)范要求的單位面積質(zhì)量、厚度和斷裂伸長率的情況下，選用拉伸強度較高的抗裂貼。

4 結論

采用4種抗裂貼制作了瀝青混凝土面層-抗裂貼-水泥混凝土基層組合試件，設計行車荷載型疲勞試驗和溫度疲勞荷載試驗，分析了裂縫寬度、抗裂貼類型和性能指標對抗裂貼防治基層反射裂縫效果的影響，并對抗裂貼的施工要點進行了說明，結論如下：

1)抗裂貼對于荷載型基層反射裂縫的防治具有一定效果，加鋪4種抗裂貼中的任意1種后，組合試件出現(xiàn)貫穿裂縫的行車荷載次數(shù)均增加，比未加鋪試件增加了7.0%～28.7%；抗裂貼拉伸強度越大，其防治荷載型基層反射裂縫的效果越好。

2)抗裂貼可大幅度延緩溫度型基層反射裂縫向面層擴展，且其效果比荷載型明顯，加鋪后的試件溫度荷載作用周期增加了1倍以上；抗裂貼防治溫度型基層反射裂縫的效果與其拉伸強度密切相關，拉伸強度越高，效果越好。

3)根據(jù)行車荷載型疲勞試驗和溫度疲勞荷載試驗的試驗結果，推薦在滿足規(guī)范所要求的單位面積質(zhì)量、厚度和斷裂伸張率等指標條件下，使用拉伸強度高的抗裂貼。