瀝青路面抗裂材料性能對(duì)比試驗(yàn)研究

作者簡(jiǎn)介：

張紅春（1985—），碩士，工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

摘要：半剛性路面結(jié)構(gòu)由于其材料特性將不可避免地出現(xiàn)反射裂縫，而采用抗裂材料進(jìn)行反射裂縫防治是目前最行之有效的手段。為更好地評(píng)價(jià)抗裂材料性能，文章選取了市面上常用的抗裂貼、土工布和高性能應(yīng)力吸收膜三種抗裂材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要包括拉拔試驗(yàn)、扭剪試驗(yàn)、抗水損試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)以及綜合成本比選。結(jié)果表明：抗裂材料能夠有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度、抗水損性能以及疲勞壽命，高性能應(yīng)力吸收膜增強(qiáng)效果最強(qiáng)，抗裂貼次之，土工布最弱。綜合各方面成本比選，抗裂貼是性價(jià)比最高的抗裂材料，可大規(guī)模推廣使用。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;抗裂材料;試驗(yàn)研究

中國(guó)分類號(hào)：U416.03A090313

0 引言

半剛性路面結(jié)構(gòu)是我國(guó)高等級(jí)公路最常見(jiàn)的路面結(jié)構(gòu)，通常由半剛性基層與瀝青面層構(gòu)成。半剛性基層采用水泥穩(wěn)定類材料，可以使得路面結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的荷載承受能力，能夠有效抵抗行車荷載對(duì)瀝青路面的破壞，起到“強(qiáng)基薄面”的效果[1-2]。但半剛性基層由于材料特性容易產(chǎn)生干縮、溫縮裂縫，隨著病害逐漸加重將形成反射裂縫，極易影響到路面整體結(jié)構(gòu)的正常使用[3-5]。目前針對(duì)反射裂縫的處置手段仍是通過(guò)在基層與面層之間設(shè)置抗裂層防止反射裂縫擴(kuò)展，以此延長(zhǎng)路面的使用壽命。

現(xiàn)階段針對(duì)抗裂層的研究主要集中在反射裂縫形成機(jī)理、施工應(yīng)用等方面，對(duì)材料本身性能的研究較少。因此，本文選取了目前抗裂層應(yīng)用較多的三種材料，通過(guò)不同室內(nèi)性能試驗(yàn)對(duì)比研究材料優(yōu)劣，為后續(xù)抗裂材料的使用提供參考意見(jiàn)。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本文研究的三種抗裂材料分別為土工布、抗裂貼以及高性能應(yīng)力吸收膜。其中土工布產(chǎn)自山東德旭達(dá)土工材料有限公司，抗裂貼產(chǎn)自山東泰安山一新材料科技有限公司，高性能應(yīng)力吸收膜產(chǎn)自南京蘇伊爾工程材料有限公司。三種抗裂材料的主要物理性能指標(biāo)如下頁(yè)表1所示。

1.2 試件制備

本文通過(guò)制備“水泥混凝土+抗裂層+瀝青混合料”復(fù)合結(jié)構(gòu)試件模擬實(shí)際路面結(jié)構(gòu)，對(duì)抗裂材料進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)。復(fù)合試件制備過(guò)程為：先在5 cm厚的車轍試模中澆筑C40水泥混凝土，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，使其達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后進(jìn)行脫模。去除水泥混凝土試件表面浮漿、雜質(zhì)后及時(shí)撒布熱瀝青（瀝青撒布量為1.1～1.2 g/m2）并鋪設(shè)抗裂材料。鋪設(shè)完抗裂材料后迅速將試件放入10 cm厚的雙層車轍試模當(dāng)中并加入熱拌AC-13瀝青混合料碾壓成型，將試件脫模后即可得到復(fù)合試件。水泥混凝土板以及熱拌AC-13瀝青混合料的原材料及配合比等要求分別滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)規(guī)定。

1.3 試驗(yàn)方法

將復(fù)合試件進(jìn)行鉆芯取樣后，分別進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)以評(píng)價(jià)抗裂材料的粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪切性能。參考凍融劈裂試驗(yàn)環(huán)境條件處理芯樣后，進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)以評(píng)價(jià)抗裂材料的抗水損害性能。將復(fù)合試件切割成小梁試件（長(zhǎng)、寬、高分別為15 cm、7 cm、8 cm），其中上層瀝青混合料層厚5 cm，下層水泥混凝土厚3 cm，并依據(jù)試驗(yàn)要求，在中線處預(yù)先切割2 mm寬、深度為3 cm的切割裂縫，按照Overlay Tester（獨(dú)立式瀝青罩面層測(cè)試系統(tǒng)）操作要求進(jìn)行試驗(yàn)，以疲勞破壞次數(shù)評(píng)價(jià)抗裂材料的抗疲勞性能。所有試驗(yàn)操作滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的相關(guān)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)

本文通過(guò)粘層油粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)儀對(duì)復(fù)合試件芯樣進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)，以此評(píng)價(jià)不同抗裂材料的粘結(jié)強(qiáng)度和抗剪切性能，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1和圖2的數(shù)據(jù)可以得出，與未添加抗裂材料的復(fù)合試件相比，添加抗裂材料的復(fù)合試件無(wú)論是抗拉強(qiáng)度還是抗剪強(qiáng)度都大幅度增加，這說(shuō)明抗裂材料的添加對(duì)復(fù)合試件整體結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)以及抗扭剪性能有較大提升。三種添加抗裂材料的復(fù)合試件抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果保持一致的規(guī)律，高性能應(yīng)力吸收膜的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別為1.5 [HTSS]MPa和4.2 [HTSS]MPa;抗裂貼的強(qiáng)度較為接近高性能應(yīng)力吸收膜，分別是其抗拉強(qiáng)度的91%和抗剪強(qiáng)度的92%;土工膜的強(qiáng)度最小，其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度僅分別為高性能應(yīng)力吸收膜的63%和82%。試驗(yàn)結(jié)果表明，高性能應(yīng)力吸收膜的層間粘結(jié)性和抗剪切性能最好，抗裂貼次之，土工布最小。造成這一結(jié)果主要是由抗裂材料自身材料特性所決定的：土工布是一種透水性土工合成材料，主要是由合成纖維針刺和編制而成，材料本身不含瀝青涂層;而高性能應(yīng)力吸收膜和抗裂貼均含有熱涂層瀝青，熱涂層瀝青在受到上層混合料碾壓時(shí)可進(jìn)一步提升整體結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性，進(jìn)而增加試件的整體強(qiáng)度。

2.2 抗水損試驗(yàn)

為更好地模擬實(shí)際水損壞條件對(duì)抗裂材料的影響，本文借鑒凍融劈裂試驗(yàn)的環(huán)境模擬方法，將復(fù)合試件放入-18 ℃的恒溫冰箱保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒溫水槽中保溫24 h，接著在20 ℃的恒溫水槽中浸放2 h，最后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)，通過(guò)凍融后抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度比值評(píng)價(jià)抗裂材料的抗水損性能。具體結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)凍融后的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均出現(xiàn)較大程度的衰減。未添加抗裂材料的復(fù)合試件經(jīng)凍融后，其抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度均下降了66%左右，其強(qiáng)度值低于其他添加抗裂材料的復(fù)合試件強(qiáng)度，這說(shuō)明抗裂材料的添加使得復(fù)合試件在水損害條件下仍能具備一定的工作強(qiáng)度。就三種添加抗裂材料的復(fù)合試件而言，高性能應(yīng)力吸收膜強(qiáng)度衰減最小，其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別降低了40%和25%;其次是抗裂貼的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別下降45%和34%;強(qiáng)度衰減幅度最大的是土工布，其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別下降了68%和43%。這說(shuō)明高性能應(yīng)力吸收膜的抗水損性能最好，其次是抗裂貼，土工布最差。

2.3 疲勞試驗(yàn)

采用Overlay Tester試驗(yàn)臺(tái)對(duì)復(fù)合試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。Overlay Tester試驗(yàn)臺(tái)分為固定板和可移動(dòng)板兩部分，在兩塊板之間預(yù)設(shè)2 mm的間隙模擬初始反射裂縫，復(fù)合試件水泥混凝土部分也預(yù)先切割2 mm的裂縫，將試件對(duì)準(zhǔn)兩塊板的裂縫間隙后用環(huán)氧樹脂粘貼在試驗(yàn)臺(tái)上。設(shè)定試驗(yàn)環(huán)境溫度為-15 ℃，試驗(yàn)開啟后可移動(dòng)板按周期性應(yīng)力進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)模擬基層的開裂，記錄面層出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)的次數(shù)作為評(píng)價(jià)抗裂材料抗疲勞性能的依據(jù)。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在預(yù)留裂縫寬度2 mm的條件下，添加抗裂材料的復(fù)合試件的疲勞破壞次數(shù)遠(yuǎn)大于未添加抗裂材料的復(fù)合試件，這說(shuō)明添加抗裂材料能夠有效提升結(jié)構(gòu)抗反射裂縫能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的顯著提升。就三種添加抗裂材料的復(fù)合試件而言，不同抗裂材料的疲勞破壞次數(shù)由大到小的順序?yàn)楦咝阅軕?yīng)力吸收膜、抗裂貼、土工布。這主要是因?yàn)楦咝阅軕?yīng)力吸收膜和抗裂貼具備良好的柔韌性和延展性，材料本身具備較高的抗拉強(qiáng)度可有效消緩裂縫處出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而延緩裂縫進(jìn)一步往面層擴(kuò)展的趨勢(shì);而土工布則由于本身材料的抗拉強(qiáng)度不足，對(duì)延緩反射裂縫的效果不佳。

3 綜合成本比選

目前市面上土工布的采購(gòu)價(jià)格為2～3元/m2，抗裂貼為9元/m2，高性能應(yīng)力吸收膜為13元/m2。從經(jīng)濟(jì)成本角度分析，土工布的單價(jià)較低，是最為合適的抗裂材料，但在實(shí)際施工應(yīng)用中，土工布材料厚度較小，在施工過(guò)程中不易被拉進(jìn)滿鋪，導(dǎo)致其施工性能不佳，進(jìn)而影響到實(shí)際應(yīng)用效果。就性能表現(xiàn)而言，采用高性能應(yīng)力吸收膜能使結(jié)構(gòu)具備良好的強(qiáng)度性能以及較好的疲勞壽命，但其經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于大面積施工應(yīng)用。綜合經(jīng)濟(jì)成本、施工性能及性能表現(xiàn)來(lái)看，抗裂貼是兼具各方面優(yōu)勢(shì)、性價(jià)比最高的抗裂材料，可大面積推廣使用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）與未加鋪抗裂材料的復(fù)合試件相比，采用抗裂材料能夠有效提高復(fù)合試件的力學(xué)強(qiáng)度性能、抗水損性能及疲勞壽命。

（2）通過(guò)對(duì)三種添加抗裂材料的復(fù)合試件進(jìn)行性能試驗(yàn)分析，高性能應(yīng)力吸收膜對(duì)復(fù)合試件的力學(xué)強(qiáng)度、抗水損性能以及[JP+1]疲勞壽命增強(qiáng)效果最強(qiáng)，其次是抗裂貼，土工布改善效果最弱。

（3）綜合經(jīng)濟(jì)成本、施工性能以及試驗(yàn)性能來(lái)看，抗裂貼是性價(jià)比最高的抗裂材料，可大規(guī)模推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李汝凱.重載條件下復(fù)合式路面防反技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

[2]李 靖.西寧至互助公路擴(kuò)能改造工程關(guān)鍵性技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

[3]吳茂軍.高速公路改擴(kuò)建路面檢測(cè)評(píng)價(jià)及裂縫處置技術(shù)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020，47（6）：94-96.

[4]夏 凱，蘭布爾.高速公路改擴(kuò)建施工既有路面病害處治施工技術(shù)[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2019，15（6）：62-65.

[5]鄭茂參，杜鴻儒，李文凱.道路抗裂貼防治反射裂縫性能研究[J].湖南交通科技，2021，47（1）：8-11.

3729501908268