復合式應力吸收層的性能和動態(tài)響應研究

楊三強，李鵬飛，劉璐，曹紫龍

（1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著中國交通建設的不斷發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)采用單一技術解決反射裂縫問題的作用效果具有一定局限性［1］，針對這種情況，近幾年國內(nèi)外研究人員開始同時采用多種抗裂技術手段［2］，逐漸向復合式應力吸收層方向發(fā)展，以應對更復雜的道路狀況。歐洲研究人員對一種雙層強化抗裂系統(tǒng)進行疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)該技術是提高路面壽命的有效選擇［3］。徐亞林等［4］設計的土工布和瀝青碎石封層構成的復合式應力吸收層以及薛永超等［5］設計的環(huán)氧瀝青-玻纖格柵應力吸收層性能均優(yōu)于普通應力吸收層。綜上所述，中國對復合式應力吸收層有一定的研究基礎，但針對玻璃格柵和橡膠改性瀝青碎石封層構成的復合式應力吸收層并未涉及，加之目前大多研究是針對不同材料進行的室內(nèi)或軟件模擬試驗，無法準確反映道路內(nèi)部的實際情況，容易忽視道路中應力吸收層的結構變形行為，從而導致該功能層提前失效，縮短道路使用壽命。

針對以上熱點問題，本文提出一種玻璃格柵-橡膠改性瀝青構成的復合式應力吸收層。為了保證應力吸收層的合理應用，同時加強對其結構和變形行為研究，本研究通過制作包含SBS 應力吸收層、玻璃格柵應力吸收層與復合式應力吸收層的試驗試件，同時借助UTM-25 和雙面環(huán)刀切割鋸等手段，對試件進行切割并開展層間剪切、層間拉拔、低溫彎曲和四點彎曲疲勞試驗。除此之外，本研究通過鋪設SBS 改性瀝青應力吸收層和復合式應力吸收層試驗段，基于布設應變傳感器的方法，采集了不同車速下兩種應力吸收層的應變數(shù)據(jù)，分析并總結了（標準軸載下）車速對動態(tài)響應影響的變化規(guī)律。研究結果不但對減少半剛性路面的反射裂縫有實際意義，同時也為中國新型道路基礎設施建設提供重要參考。

1 原材料指標和試件制作

1.1 原材料指標

本研究選擇SBS 應力吸收層、玻璃格柵應力吸收層與復合式應力吸收層進行性能對比。試驗采用的改性瀝青具體指標如表1所示，集料的技術指標見表2，玻璃格柵應力吸收層與復合式應力吸收層采用相同的玻璃格柵，其橫向縱向斷裂強度均為50 kN/m，伸長率小于10%，單位面積質(zhì)量為440 g/m2，網(wǎng)眼尺寸為20 mm。

表1 瀝青技術指標

表2 集料技術指標

1.2 成型試件

本研究成型試件采用30 cm×40 cm×20 cm 試模，計劃制作3 種復合層試件，下層均為5%的水泥穩(wěn)定碎石，上層均為AC-25 瀝青混合料。中間層以復合式應力吸收層為例，在層間處理后的水穩(wěn)層上部鋪設一層玻璃格柵和橡膠改性瀝青，瀝青灑布量為2.5 kg/m2，再鋪設一層9.5 ～13.2 mm 的單一粒徑玄武巖碎石，鋪撒量為13.5 kg/m2；SBS 應力吸收層的改性瀝青灑布量和碎石撒布量與復合式應力吸收層一致；玻璃格柵應力吸收層直接在層間處理后的水穩(wěn)層上鋪設一層玻璃格柵，最后鋪設上層的瀝青混合料并用輪碾設備壓實，養(yǎng)護完畢后，進行鉆取和切割，表3 為3 種不同試件對應的簡稱。

表3 3 種試件結構和簡稱

2 應力吸收層性能分析

應力吸收層作為基層和面層之間的抗裂功能層，其必須具備良好的層間黏結性能、低溫抗裂性能和疲勞性能。本研究計劃進行層間拉拔試驗、層間剪切試驗、低溫彎曲試驗和疲勞性能試驗。

2.1 層間黏結性能分析

道路層間的黏結性能直接影響路面結構的使用性能［6］。本研究通過層間拉拔試驗測得試件層間拉拔強度，由此來反映相應的層間黏結性能，試件規(guī)格為：直徑10 cm，高度20 cm，溫度為25 ℃，拉拔速率為10 mm/min，試驗開始前需用環(huán)氧樹脂膠將試件兩端與壓頭黏結牢固，同時將試件放置在環(huán)境箱中4 h 以上。試驗結果如圖1 所示。

圖1 3 種試件的拉拔強度

由圖1 可知：3 種試件的拉拔強度由高到低依次是A 型、B 型、C 型，A 型 試 件 拉 拔 強 度 最 大，為0.46 MPa，其中A 型是B 型的1.24 倍、C 型的2.19 倍，這是由于3 種應力吸收層的拉拔強度均取決于集料與瀝青間的黏結力，而本研究采用橡膠改性瀝青的黏度遠大于SBS 改性瀝青，同時由于C 型試件直接鋪設玻璃格柵，從而導致A 型層間黏結性能最好，C 型黏結性能最差。

2.2 層間剪切性能分析

車輛在制動或上下坡時會對道路層間產(chǎn)生較大剪應力，當產(chǎn)生剪應力大于層間容許剪應力，會導致道路層間分離［7］，從而加速道路破壞，本試驗為了測得不同剪切角度下的層間容許剪應力，即層間抗剪強度，采用1.2 節(jié)制的試件進行試驗，規(guī)格為5 cm×5 cm×5 cm 立方體，通過SYE 壓力機配合剪切夾具進行試驗，設置5 種剪切角，加載速率為10 mm/min，試驗均在25 ℃下進行。試件破壞時的荷載為N，此時應力吸收層剪切界面的正應力和剪應力按下式計算：

式中：σ為垂直于黏結面的正應力（MPa）；τ為垂直于黏結面的剪應力，即抗剪強度（MPa）；N為剪切破壞荷載（kN）；A為黏結面積（m2）；α為剪切角度（°）。

3 種試件不同剪切角度下的剪切試驗結果如表4所示。

表4 3 種試件不同剪切角度下的剪切試驗結果

由表4 可知：隨著剪切角度的增加，3 種試件的破壞荷載均逐漸減小，這是因為道路層間剪切破壞是剪應力大于層間容許剪應力導致的，隨著剪切角度的增大，剪應力占破壞荷載的有效比例逐漸增大，從而使破壞荷載逐漸減小。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)剪切位移和剪應力均隨剪切角增大而減小，表明道路坡度越大，對應的層間抗剪強度越小，越容易發(fā)生剪切破壞。3 種應力吸收層對比，發(fā)現(xiàn)A 型試件在5 種剪切角度下的破壞荷載、剪切位移、正應力和剪應力最大，表明其抗剪性能優(yōu)異，該應力吸收層更適合在陡坡、制動以及轉(zhuǎn)彎等剪應力較大路段應用。

根據(jù)抗剪強度思想，得到式（3）：

式中：τf為黏結面抗剪強度（kPa）；σ為剪切面上的法向應力（kPa）；φ為黏結面的內(nèi)摩擦角（°）；c為瀝青混合料的黏聚力（kPa）。

根據(jù)A 型試件各剪切角度下剪應力和正應力的相關性，可以求得A 型試件的抗剪強度曲線：τf=0.228σ+0.58（圖2），依據(jù)式（3）得到復合式應力吸收層的黏結力為0.58 MPa，內(nèi)摩擦角為12.84°。由于橡膠改性瀝青和玻璃格柵的共同作用，復合式應力吸收層的抗剪切性能最佳，分析可知其中的橡膠改性瀝青提供黏結力，玻璃格柵和碎石同時作用提供內(nèi)摩擦角。

圖2 各剪切角度下剪應力和正應力的相關性（A 型）

2.3 低溫彎曲性能分析

反射裂縫大都是由于基層材料干縮和溫縮形成的［8］，這從側面可以反映出材料的低溫性能與抗裂性能密切相關。本研究借助UTM-25 試驗機，參照瀝青和瀝青混合料T0715—2011 規(guī)范準備試驗，試驗溫度選擇-10 ℃、-5 ℃和0 ℃，利用1.2 節(jié)制作的復合梁試件進行試驗，試驗結果如表5 所示。

表5 3 種試件不同溫度下的最大彎拉應變

由表5 可知：3 種試件的最大彎拉應變均隨溫度下降而減小，每種溫度下的最大彎拉應變均為A＞B＞C，表明A 型試件具有良好的低溫收縮能力。隨著試驗溫度的降低，試件內(nèi)部的溫度應力逐漸增大，當其積累到一定程度時，可能會對試件內(nèi)部產(chǎn)生一定的損傷，從而使得試件的彎拉強度降低，這可能是3 種試件在-5 ℃對應的彎拉強度最大的原因。與其他兩種試件對比，A 型試件的彎拉強度最大，其-10 ℃最大彎拉應變?yōu)? 936 με，該結果滿足規(guī)范要求（＞3 000 με），表明復合式應力吸收層的低溫適用范圍更廣。

2.4 疲勞性能分析

為了評價幾種應力吸收層的疲勞性能，本研究借助UTM-25 試驗機，參照瀝青和瀝青混合料T0715—2011 規(guī)范進行試驗，利用1.2 節(jié)制作的復合梁試件進行試驗，試驗溫度選擇10 ℃，波形選用半正弦波［9］，選擇應變控制模式，應變范圍為300～700 με，每次間隔100 με 進行試驗，當試件模量下降到初始模量的1/2 時停止試驗。試驗結果如表6 所示。

表6 3 種試件不同應變條件下的加載次數(shù)

此外，研究發(fā)現(xiàn)試件壽命和應變的對數(shù)取值存在很好的相關性，所以按照式（4）將應變與疲勞壽命進行曲線擬合，擬合結果見圖3。

圖3 不同試件應變和加載次數(shù)的相關性

式中：N為試件疲勞壽命（次）；ε為試驗控制的應變（με）；系數(shù)b表示應力吸收層壽命對應變的敏感性，系數(shù)a表示疲勞曲線的位置，a越大曲線越靠上，表示應力吸收層的疲勞性能越好。

由圖3 可知：A 型試件的疲勞曲線為lgN=12.687-3.192 lgε，通 過 對 比 系 數(shù)a可 知：C 型 試 件的系數(shù)a最小，說明其疲勞曲線的位置最靠下，表征玻璃格柵應力吸收層的抗疲勞性能最差，反之A 型試件疲勞曲線的位置最靠上，表征復合式應力吸收層的抗疲勞性能最優(yōu)；通過對比系數(shù)b的絕對值可知：A 型試件疲勞曲線的系數(shù)b絕對值最小，說明復合式應力吸收層可以顯著改善道路應變對疲勞壽命的影響，分析其疲勞壽命提升的機理為：由于玻璃格柵和橡膠改性瀝青發(fā)揮其嵌鎖黏結作用，兩者共同作用可以限制集料的移動，使其不易受外界應變條件影響，所以疲勞試驗表明瀝青路面加鋪復合式應力吸收層后可以有效提高道路結構的抗疲勞能力。

3 動態(tài)響應研究和試驗路驗證

目前大多研究無法準確反映道路內(nèi)部的實際情況，容易忽視道路中應力吸收層的結構變形行為，從而導致該功能層提前失效。因此，為了保證應力吸收層的合理應用，加強對應力吸收層結構的變形研究，本研究通過鋪設試驗段同時借助應變傳感器的手段開展試驗。由于玻璃格柵應力吸收層性能較差，所以僅對復合式和SBS 應力吸收層進行試驗段鋪設。

3.1 工程概況和傳感器布設方案

項目位于阜平縣蒼山東路，選擇200 m 布設復合式應力吸收層（稱為A 段），同時選擇200 mSBS 應力吸收層（稱為B 段），路面結構的上、中、下面層厚度分別為4 cm、6 cm 和8 cm，中部為1 cm 應力吸收層，基層和底基層均為18 cm，墊層為18 cm 級配碎石，具體情況見表7。傳感器橫向布設位置見圖4，縱向布設位置為應力吸收層和下面層之間，存活傳感器為A2～A4 以及B2～B4。

圖4 傳感器布設示意圖

表7 道路具體鋪設情況

3.2 動態(tài)響應數(shù)據(jù)分析

本試驗目的是歸納車速與A 段動態(tài)響應規(guī)律［10］。試驗選擇標準荷載車輛（10 t）進行，試驗結果見圖5（A4 和B4）。為了總結車速對動態(tài)響應影響的變化規(guī)律，本研究將車輛產(chǎn)生應變與車速關系進行擬合，模型的具體參數(shù)見圖6，同時為了驗證模型的準確性，選取其他兩個樁位實測數(shù)據(jù)與模型得出數(shù)據(jù)進行對比，并計算出實測數(shù)據(jù)和模型得出數(shù)據(jù)的偏差，具體數(shù)據(jù)見圖7。

圖5 動態(tài)響應隨車速變化情況

圖6 動態(tài)響應與速度模型

圖7 A2 和A3 樁號實測結果

由圖5、6 可知：動態(tài)響應均隨車速提高而下降，這是因為車速與（荷載對傳感器的）作用時間成反比，這在力學上的表現(xiàn)為各結構層模量的增大和動態(tài)響應的減小。本研究針對A 段應力吸收層提出（BZZ-100 車輛）動態(tài)響應模型，該模型反映了不同車速對應的道路應變情況，擬合模型的R2=0.988 5。圖7 為A2 和A3 樁號試驗結果，與模型結果進行比較，發(fā)現(xiàn)實測動態(tài)響應在5 km/h 時A2 樁號偏差最大，此時動態(tài)響應偏差11.24 με，偏差率為-9.67%，在40 km/h 和80 km/h 的 偏 差 最 小，僅 為0.16% 和0.42%，分析原因可能是低速車輛振動較大導致的。此外，模型中的系數(shù)50.77 和66.27 表示應變對車速變化的敏感程度，對比發(fā)現(xiàn)A 段系數(shù)比B 段較小，表明A 段動態(tài)響應對車速敏感性較小，說明復合式應力吸收層在低速路段的路用性能更優(yōu)。這是因為A段內(nèi)部的格柵發(fā)揮加筋作用時，可將上部荷載的作用效果分散到更廣的區(qū)域，從而減小了道路內(nèi)部應變。當車輛提速時，荷載的作用時間縮短，此時格柵來不及充分發(fā)揮其加筋作用，且車速越大對應格柵的加筋作用越小，所以車速較大時兩路段的動態(tài)響應較為平緩且有逐漸接近的趨勢。結合上述模型和2.2 節(jié)剪切試驗分析可知，A 段應力吸收層在低速爬坡路段作用效果更明顯。

3.3 短期和長期觀測調(diào)查

蒼山東路屬于半填半挖路段，加之道路下方鋪設較多工業(yè)管線，所以該路段極易產(chǎn)生反射裂縫。本研究在開放交通后的首個冬季對試驗段進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)應用復合式應力吸收層試驗段未產(chǎn)生任何道路病害，鋪設SBS 應力吸收層的試驗段平均每100 m 道路有2～3 條裂縫。說明復合式應力吸收層早期的抗裂效果顯著。

通車1 年后，又對阜平縣其他7 條新建市政道路路面進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)每10 000 m2路面約產(chǎn)生13 道寬度大于5 mm 的裂縫、1.5 處深度超過30 mm 的車轍雍包，鋪設SBS 改性瀝青應力吸收層的路段每100 m裂縫增加到8～10 條，而采用本技術施工完成的蒼山東路通車1 年后，路面整體質(zhì)量良好，路面未產(chǎn)生反射裂縫，由此可見復合式應力吸收層的長期抗裂效果也非常顯著。

4 結論

借助UTM-25 試驗系統(tǒng)和現(xiàn)場鋪設應變傳感器等手段，對3 種復合層試件進行層間拉拔、層間剪切、低溫彎曲、四點疲勞和動態(tài)響應試驗，得到以下結論：

（1）由于玻璃格柵和橡膠瀝青的共同作用，復合式應力吸收層的黏結性能和抗剪切變形性能最優(yōu)，并求得其黏結力為0.58 MPa，內(nèi)摩擦角為12.84°。

（2）通過低溫小梁試驗得到復合式應力吸收層試件的最大彎拉應變?yōu)? 936 με（-10 ℃），并通過對比試件的疲勞曲線，發(fā)現(xiàn)復合式應力吸收層的抗疲勞性能最優(yōu)，不易受道路應變影響。

（3）根據(jù)現(xiàn)場試驗，針對復合式應力吸收層，提出關于（BZZ-100）車速的動態(tài)響應模型，并通過現(xiàn)場試驗和模型數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的準確性。

（4）開放交通后對試驗段進行短期和長期觀測，發(fā)現(xiàn)采用復合式應力吸收層路面通車1 年后未產(chǎn)生任何裂縫和病害，說明其路用性能優(yōu)異，抗裂效果顯著。