應(yīng)力吸收層處置半剛性基層反射裂縫力學(xué)性能分析

王金國，李文良，王海峰，黃 鑫

（1.寧夏交投工程建設(shè)管理有限公司，寧夏 銀川 750011；2.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006；3.寧夏公路管理中心，寧夏 銀川 750011；4.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750011）

水泥穩(wěn)定級配碎石基層以水泥作為膠結(jié)材料，其早期橫向裂縫系由初凝前后干燥失水引起的收縮應(yīng)變[1]和水化熱產(chǎn)生的熱應(yīng)變所引起的，之后的荷載疲勞應(yīng)力、溫度疲勞應(yīng)力、干濕收縮變形只是加劇了微裂縫的發(fā)展。多年施工實踐表明，水泥穩(wěn)定級配碎石基層完工后約30 d 局部路段會產(chǎn)生橫向裂縫[2]，其早期開裂和反射裂縫早已成為降低我國瀝青路面耐久性的關(guān)鍵瓶頸。近年來，路面設(shè)計多采用在半剛性基層和瀝青面層間設(shè)置熱改性瀝青碎石封層的措施，以起到防止水分滲入基層、改善層間黏結(jié)、減緩基層反射裂縫的作用，業(yè)界對碎石封層的研究成果多集中于防水、黏結(jié)和抗剪強度研究[3-4]，但碎石封層對于減緩基層反射裂縫的作用并未得到證實。應(yīng)力吸收層具備優(yōu)良的抗剪切破壞和彈性恢復(fù)能力，能夠有效延緩水泥混凝土路面加鋪瀝青層的反射裂縫，在國內(nèi)多個“白改黑”項目中得到應(yīng)用。孫雅珍等[5]應(yīng)用斷裂力學(xué)理論對裂縫疲勞擴展壽命的預(yù)測分析與復(fù)合梁三點彎曲疲勞試驗結(jié)果較為一致，認為以應(yīng)力吸收層替換同等厚度的加鋪層后，可以提高路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命。廖衛(wèi)東等[6-7]在室內(nèi)進行了溫度疲勞足尺試驗，結(jié)果表明，STRATA 應(yīng)力吸收層+瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)形式可以很好地消解水泥混凝土板塊接縫處的應(yīng)力集中，并且在實際應(yīng)用過程中也取得了良好效果。本文通過室內(nèi)低溫彎曲、四點彎曲疲勞和雙層車轍試驗以及3 種路面結(jié)構(gòu)（STRATA 應(yīng)力吸收層、碎石封層、不設(shè)功能層）的瀝青層底拉應(yīng)力和彎曲梯度變形計算分析，評價不同功能層對基層反射裂縫的處置性能，并在烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)沙漠段的鋪筑（試驗段）中成功應(yīng)用。

1 工程概況

我國高速公路大都采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，為延緩半剛性基層反射開裂，國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的瀝青層越來越厚。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段全線瀝青路面結(jié)構(gòu)為4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm ATB-25+36 cm 水泥穩(wěn)定碎石+18 cm 水泥穩(wěn)定碎石，為常用的“4+6+8”路面結(jié)構(gòu)，未采用加厚瀝青層的方法來延緩反射裂縫。

烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段約18 km 穿越騰格里沙漠腹地，沙漠段路基結(jié)構(gòu)為80 cm 礫類土+風(fēng)積沙路基，其他路段路基結(jié)構(gòu)為礫類土。與整體礫類土路基相比，沙漠段路基（80 cm 礫類土+風(fēng)積沙路基）回彈模量較低（表1），顯然在相同交通荷載下沙漠段路面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的豎向位移和瀝青層底拉應(yīng)變比非沙漠段更大。沙漠段晝夜溫差大、極端氣溫條件嚴酷（極端最高氣溫37.6 ℃，極端最低氣溫-29.2 ℃），處于沙漠段的半剛性基層更易開裂、更易引發(fā)反射裂縫，因此對烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段瀝青路面半剛性基層反射裂縫的防治尤為重要。

表1 不同路基結(jié)構(gòu)回彈模量試驗結(jié)果

2 研究方法

STRATA 應(yīng)力吸收層瀝青和細集料含量都比較高，具有變形能力強、抗疲勞性能好的特性，可有效吸收和消散交通荷載及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變。本文在不增加瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度的前提下，通過室內(nèi)低溫彎曲試驗、四點彎曲疲勞試驗比較STRATA，ATB-25，AC-20 3 種瀝青混合料的低溫變形和抗疲勞性能，通過室內(nèi)車轍試驗比較同厚度改性AC-13+STRATA，AC-13，ATB-25 3 種路面結(jié)構(gòu)的抗高溫永久變形性能，通過BISAR 3.0 和LTPP（美國聯(lián)邦公路局Turner-Fairbank 公路研究中心LTPP 項目）的路面低溫預(yù)估模型進行計算，對比分析STRATA 應(yīng)力吸收層、碎石封層、不設(shè)功能層3種路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底拉應(yīng)力和彎曲梯度變形，評價比較不同功能層處置半剛性基層反射裂縫的力學(xué)性能。以上結(jié)果為烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)沙漠段應(yīng)力吸收層處置基層反射裂縫試驗段的鋪筑提供理論依據(jù)和試驗支撐。

3 結(jié)果與分析

3.1 STRATA 應(yīng)力吸收層試驗結(jié)果及分析

（1）STRATA 應(yīng)力吸收層用改性瀝青與SBS 改性瀝青主要性能試驗結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，與普通SBS 改性瀝青相比，STRATA 應(yīng)力吸收層使用的改性瀝青具有更高的旋轉(zhuǎn)黏度和低溫延度，特別是具有很大的老化延度和低溫時的延展性。

表2 STRATA 應(yīng)力吸收層用改性瀝青與SBS 改性瀝青主要性能試驗結(jié)果

（2）不同混合料低溫彎曲和四點彎曲疲勞試驗結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，STRATA 應(yīng)力吸收層混合料-12 ℃最大彎曲應(yīng)變、四點彎曲疲勞壽命遠大于改性AC-20、改性ATB-25 混合料，具有良好的低溫變形和抗疲勞性能，可以產(chǎn)生較大的拉伸變形，有效提高了裂縫位置處吸收和消散基層開裂所帶來應(yīng)力和應(yīng)變的能力。

表3 不同混合料低溫彎曲和四點彎曲疲勞試驗結(jié)果

（3）雖然STRATA 混合料不考慮抗車轍性能，但考慮到其厚度相對較大（2.5 cm），除應(yīng)具有良好的變形和抗疲勞能力外，還必須具有良好的抗車轍變形能力，因此本文通過雙層車轍試驗驗證其組合結(jié)構(gòu)層抗車轍變形能力。本文選擇3 種結(jié)構(gòu)進行試驗（表4），采用2 次輪碾法成型試件，結(jié)構(gòu)1 采用2.5 cm STRATA 替換結(jié)構(gòu)2 和結(jié)構(gòu)3 中相應(yīng)厚度和類別的瀝青混合料。

由表4 可知，結(jié)構(gòu)1（改性AC-13+STRATA）與結(jié)構(gòu)2（同厚度改性AC-13）的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果相近，且均遠高于結(jié)構(gòu)3（同厚度的ATB-25），表明改性AC-13+STRATA 路面結(jié)構(gòu)并沒有顯著降低整體抗車轍能力。由于試驗的路面結(jié)構(gòu)均在60 ℃進行，考慮到實際路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力吸收層所處位置在下面層之下，工作溫度略低于下面層基質(zhì)瀝青混合料且遠低于中、上面層改性瀝青混合料，因此可以認為，應(yīng)力STRATA 吸收層足以提供超過基質(zhì)瀝青混合料的抗車轍變形能力，將其設(shè)置于基層上不會降低路面整體抗高溫永久變形能力。

表4 不同結(jié)構(gòu)雙層車轍試驗結(jié)果

3.2 基層反射裂縫處置分析

水泥穩(wěn)定級配碎石基層早期已產(chǎn)生橫向裂縫，在車輛荷載、溫度應(yīng)力、水分變化作用下會產(chǎn)生2 種形式的變形。①彎拉型裂縫（圖1）：在行車荷載作用下，已開裂的水泥穩(wěn)定級配碎石基層裂縫處會產(chǎn)生較大豎向變形或變形差，在瀝青層底產(chǎn)生大的拉應(yīng)力（拉應(yīng)變）或剪應(yīng)力，當(dāng)基層所產(chǎn)生的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變超過瀝青面層所能承受的抗拉強度（最大允許拉應(yīng)變）或抗剪切強度時，瀝青層將被由下而上拉裂，產(chǎn)生橫向裂縫。②拉伸型裂縫（圖2）：冬季或在寒冷地區(qū)，水分變化、溫度變化使得已開裂的水泥穩(wěn)定級配碎石基層產(chǎn)生水平位移、裂縫變寬問題，對應(yīng)裂縫處層間結(jié)合良好的瀝青面層隨之產(chǎn)生了大的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，低溫下瀝青層只能承受小的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，基層所產(chǎn)生的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變超過瀝青面層所能承受的抗拉強度或最大允許拉應(yīng)變時，瀝青層將被由下而上拉裂，產(chǎn)生橫向裂縫。

圖1 彎拉型裂縫

圖2 拉伸型裂縫

在半剛性基層上設(shè)置功能層處置反射裂縫的主要方法有透層、下封層、應(yīng)力吸收層等，這些方法旨在通過提高功能層的抗疲勞性能減緩反射裂縫。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段路面設(shè)計文件中，在水泥穩(wěn)定級配碎石基層上設(shè)置了熱瀝青碎石封層，本文以STRATA 應(yīng)力吸收層代替熱瀝青碎石封層，對比分析其對基層反射裂縫的處置能力。

（1）彎拉型基層反射裂縫處置分析。為分析不同功能層在路面結(jié)構(gòu)中減緩基層彎拉型反射裂縫的作用，采用BISAR 3.0 計算瀝青層底拉應(yīng)力，路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表5 所示。計算模型分為3 種路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)4 在基層上設(shè)置了應(yīng)力吸收層，結(jié)構(gòu)5 在基層上設(shè)置了碎石封層，結(jié)構(gòu)6 則不設(shè)置功能層。需要注意的是：瀝青層底拉應(yīng)力對功能層彈性模量十分敏感，STRATA 應(yīng)力吸收層材料20 ℃彈性模量采用試驗數(shù)據(jù)（1 200 MPa）；同步碎石封層厚度薄，且已與瀝青層相互融合為一體，與STRATA 應(yīng)力吸收層相比，梯度變形能力較弱，嚴格來說只能作為過渡層和隔離層，所以彈性模量延梯度方向取用1 500 MPa。

表5 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

雙圓荷載軸向不同結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力計算結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，基層上設(shè)置了碎石封層的結(jié)構(gòu)5 的瀝青層底拉應(yīng)力低于無功能層的結(jié)構(gòu)6，而基層上設(shè)置了應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)4 的瀝青層底拉應(yīng)力遠低于結(jié)構(gòu)5 和結(jié)構(gòu)6，顯然應(yīng)力吸收層對于降低路面結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力具有非常好的效果。

圖3 雙圓荷載軸向不同結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力

（2）拉伸型基層反射裂縫處置分析。半剛性基層材料高溫（40～15 ℃）時平均溫縮系數(shù)為12×10-6～18×10-6με/℃；低溫時（15～-20 ℃）時平均收縮系數(shù)為1×10-6～9×10-6με/℃[8]。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段基層水泥穩(wěn)定級配碎石水泥劑量為4.5%（P·F 32.5 粉煤灰硅酸鹽水泥），在干燥狀態(tài)下，水泥穩(wěn)定級配碎石材料的溫縮系數(shù)比含水狀態(tài)下的數(shù)值小一些，烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段冬季日最低氣溫約-21 ℃，日最高氣溫約-5 ℃，水泥穩(wěn)定級配碎石基層材料的溫縮系數(shù)取3×10-6με/℃。

本文使用LTPP 的路面低溫預(yù)估模型[9]計算基層頂面溫度：

式中：Tpav為路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部低溫，℃；Tair為氣溫低溫，℃；Lat為中衛(wèi)地區(qū)緯度，中衛(wèi)地區(qū)取37.51°；H 為路面向下深度，mm；為預(yù)測期空氣低溫標準差，℃；Z 為標準正態(tài)分布參數(shù)，Z=2.055 時可靠度為98%。

拉伸型裂縫變形系由基層溫度應(yīng)力變化所致，根據(jù)基層頂面日溫度差，取用水泥穩(wěn)定級配碎石基層材料的溫縮系數(shù)，使用J.F.Hills 的路面溫度應(yīng)力計算公式[10]計算基層頂面處的溫度應(yīng)力：

式中：σ（Tf）為溫度從T0降至Tf時的累積溫度應(yīng)力，MPa；α（T）為隨溫度T 而變化的溫度收縮系數(shù)；E（T）為溫度為T 時的勁度模量，MPa；T0，Tf分別為初始溫度和最終溫度，℃；ΔT 為對變溫過程進行離散時的溫度間隔，℃。

功能層對于半剛性基層裂縫處所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變的緩解作用，關(guān)鍵在于將基層所產(chǎn)生的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變被吸收和分散在較大的面積范圍（圖4）。因此，在基層因溫度變化使得裂縫變寬時，彎曲梯度方向的功能層變形Δs 的大小直接反映了其對基層所產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變的吸收和消散能力。STRATA 應(yīng)力吸收層在-12 ℃的彎曲應(yīng)變試驗結(jié)果為11 132 με；碎石封層厚度只有1 cm，與瀝青層已相互融合為一體，石-石接觸結(jié)構(gòu)與STRATA 應(yīng)力吸收層相比，梯度變形能力較弱，取用ATB-25 最大彎曲應(yīng)變1 327 με（-12 ℃）的2 倍，計算不同結(jié)構(gòu)彎曲梯度方向基層溫度裂縫收縮加寬時功能層梯度變形（Δs=ydΦ）。不同結(jié)構(gòu)基層溫度收縮裂縫加寬時功能層梯度變形結(jié)果如表6 所示。由表6 可知，結(jié)構(gòu)4（在基層上設(shè)置了應(yīng)力吸收層）在基層裂縫加寬時，其功能層彎曲梯度變形遠大于結(jié)構(gòu)5 和結(jié)構(gòu)6，其變形值是結(jié)構(gòu)5（在基層上設(shè)置了碎石封層）的6 倍多，顯然在基層上設(shè)置應(yīng)力吸收層對于處置基層拉伸型反射裂縫效果良好。

圖4 梁底拉伸變形Δs

表6 不同結(jié)構(gòu)基層溫度收縮裂縫加寬時功能層梯度變形

4 工程應(yīng)用實例

基于理論分析和試驗結(jié)果的支撐，2021 年6 月27 日，工程人員在烏瑪高速中衛(wèi)至青銅峽方向K161+125—K161+625 段基層頂面應(yīng)用STRATA 應(yīng)力吸收層鋪筑了試驗段（圖5），驗證其處置反射裂縫性能。

圖5 STRATA 應(yīng)力吸收層鋪筑效果

STRATA 應(yīng)力吸收層混合料為細粒式瀝青混凝土，油石比為10.0%。判斷其油石比是否適宜，長久以來沒有好的辦法。通過鋪筑試驗段發(fā)現(xiàn)，油石比過大會導(dǎo)致碾壓過程中出現(xiàn)內(nèi)部空氣不能有效排出和受熱膨脹現(xiàn)象，進而在碾壓過程中出現(xiàn)一些氣泡的問題。針對該問題，在施工過程中采取了刺破氣泡釋放的措施。經(jīng)過研究分析，油石比適宜的STRATA應(yīng)力吸收層混合料經(jīng)碾壓后每隔幾米須出現(xiàn)30 cm左右的油斑，如果不出現(xiàn)油斑則表明用油量偏低。因此，以碾壓出現(xiàn)油斑且不出現(xiàn)大量氣泡被試驗段證明為判斷STRATA 應(yīng)力吸收層混合料油石比是否適宜的標準，這也指導(dǎo)了STRATA 應(yīng)力吸收層試驗段鋪筑取得了良好效果。

該試驗段于鋪筑后已經(jīng)歷一寒一暑的車輛荷載作用，至今未在路面表面觀測到基層反射裂縫，但路面應(yīng)用效果還需長期觀測。

5 結(jié)論

（1）與使用同一膠結(jié)料的改性AC-20、改性ATB-25 相比，STRATA 應(yīng)力吸收層混合料具有遠遠超出對比混合料的變形能力和抗疲勞性能，同時不會降低路面結(jié)構(gòu)層整體抗車轍性能。

（2）對不同結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力和彎曲梯度方向的計算分析表明，基層上設(shè)置了STRATA 應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)具有更低的瀝青層底拉應(yīng)力和更大的變形能力，可有效處置彎拉型和拉伸型反射裂縫。

（3）與當(dāng)前普遍使用的碎石封層功能層相比，STRATA 應(yīng)力吸收層混合料變形能力強、抗疲勞性能好，可有效吸收和消散交通荷載及環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變，具備良好的處置基層反射裂縫性能。

（4）基于理論分析和試驗結(jié)果的支撐，工程人員在烏瑪高速中衛(wèi)至青銅峽方向K161+125—K161+625段基層頂面使用STRATA 應(yīng)力吸收層鋪筑了試驗段，經(jīng)過1 a 的車輛荷載作用，效果良好。