改性瀝青加鋪層抗反射裂縫室內(nèi)小梁試驗(yàn)

張芷英，解建光，張冰洋，朱毅偉，趙勇

（南京航空航天大學(xué) 民航與飛行學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

中國(guó)大批機(jī)場(chǎng)建于20 世紀(jì)末，大部分水泥混凝土道面逐漸接近設(shè)計(jì)使用年限，產(chǎn)生裂縫、坑槽、脫空等病害［1］。為了提高道面使用性能，延長(zhǎng)道面使用壽命，迫切需要對(duì)機(jī)場(chǎng)舊混凝土道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)或者功能恢復(fù)；加鋪瀝青層是目前較為有效的解決辦法。瀝青加鋪層出現(xiàn)的病害主要分為變形、裂縫兩大類［2］，其中裂縫類病害尤其是反射裂縫對(duì)道面結(jié)構(gòu)危害極大［3］，且更容易在后續(xù)服役期間產(chǎn)生二次大面積病害［4］。目前已有朱林等［5］、Li［6］多位學(xué)者對(duì)瀝青路面裂縫形成機(jī)理進(jìn)行研究，并且有多位學(xué)者對(duì)瀝青混合料進(jìn)行抗裂性分析：Zhang 等［7］研究了瀝青混合料在間接拉伸試驗(yàn)（IDT）中的微裂紋模式、裂紋萌生和擴(kuò)展以及能量消耗；Li 等［8］采用指標(biāo)斷裂能評(píng)價(jià)了摻加鋼渣微粉的瀝青混合料的抗裂性能；Yang 等［9］采用三點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)了硅藻土改性瀝青混合料的抗裂性能；Cheng等［10］采用間接拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)了摻加硅藻土和玄武巖纖維的瀝青混合料的抗裂性能；王雪蓮等［11］通過(guò)建立大粒徑透水性瀝青混合料層（LSPM）離散元模型，研究了半剛性瀝青路面產(chǎn)生反射裂縫的機(jī)理，分析了裂縫尖端處的應(yīng)力場(chǎng)以及LSPM 層內(nèi)細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂尖應(yīng)力的作用；欒利強(qiáng)［12］以疲勞斷裂力學(xué)理論和材料試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)半剛性基層瀝青路面裂縫的擴(kuò)展行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于瀝青混合料的裂縫成因及開(kāi)裂特性已經(jīng)有一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)加鋪層反射裂縫的研究相對(duì)較少，因此本文擬用三點(diǎn)彎曲室內(nèi)小梁試驗(yàn)探究改性瀝青-水泥復(fù)合梁在不同底層裂縫類型下的反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，揭示不同類型的底層裂縫對(duì)瀝青加鋪層的影響，為優(yōu)化瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)用水泥為普通硅酸鹽P.O42.5 水泥，細(xì)骨料為Ⅱ級(jí)配區(qū)中砂，粗骨料為最大粒徑16 mm 的機(jī)制玄武巖碎石；試驗(yàn)用瀝青為雙龍牌70#道路石油瀝青，纖維為木質(zhì)素纖維，礦粉為石灰?guī)r礦粉，試驗(yàn)用改性劑為NRP 改性劑及SBS 改性劑。

1.2 試驗(yàn)配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）中規(guī)定進(jìn)行反復(fù)試配后，最終確定應(yīng)用于試驗(yàn)的C40 水泥混凝土配合比如表1 所示。

表1 水泥混凝土配合比 kg/m3

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定，采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定SMA-13 瀝青混合料最佳油石比為6%、礦粉摻量為8%、纖維摻量為0.3%，設(shè)計(jì)空隙率為3.6%，瀝青混合料級(jí)配如表2 所示。

表2 SMA-13 瀝青混合料級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方案

為模擬實(shí)際水泥路面上各類型裂縫，擬對(duì)水泥層預(yù)設(shè)3 種裂縫，瀝青-水泥復(fù)合梁示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合梁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

本試驗(yàn)復(fù)合小梁試件由300 mm×300 mm×50 mm 的水泥混凝土板和300 mm×300 mm×70 mm 的瀝青板切制后黏結(jié)而成，其中，瀝青層與水泥層采用環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)，水泥層裂縫貫通，復(fù)合小梁具體尺寸及數(shù)量如表3 所示。底層為橫縫時(shí)，水泥層由2 塊150 mm×50 mm×25 mm 的水泥塊拼接而成；底層為十字縫時(shí)，水泥層由4 塊150 mm×25 mm×25 mm的水泥塊拼接而成；底層為豎縫時(shí)，水泥層由2 塊300 mm×25 mm×25 mm 的水泥塊拼接而成。

表3 復(fù)合梁尺寸

采用液壓伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加載示意圖如圖2 所示，試件層間粘貼應(yīng)變片用于測(cè)量小梁中部縱向應(yīng)變。為模擬靜壓時(shí)的狀態(tài)，試驗(yàn)采用1 mm/min 的位移加載控制方式，試驗(yàn)溫度為15 ℃，試驗(yàn)終止條件為跨中承受荷載值降低至0。

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載示意圖（單位：mm）

2 復(fù)合梁力學(xué)響應(yīng)分析

通過(guò)電液伺服系統(tǒng)對(duì)瀝青-水泥復(fù)合梁進(jìn)行三點(diǎn)加載，加載過(guò)程中裂縫發(fā)展如圖3 所示。當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到3.0 mm 時(shí)，復(fù)合梁承載荷載達(dá)到峰值，開(kāi)始觀察到跨中有細(xì)微裂縫產(chǎn)生，而后承載荷載進(jìn)入下降段；當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到6.3 mm 時(shí)，復(fù)合梁承載荷載進(jìn)一步下降，此時(shí)可明顯觀察到一條跨中裂縫；當(dāng)復(fù)合梁豎向撓度達(dá)到10.0 mm 時(shí)，復(fù)合梁承載能力接近極限狀態(tài)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張且貫通整個(gè)瀝青層；繼續(xù)加載，復(fù)合梁承載力下降為0，試件斷裂。

圖3 裂縫發(fā)展圖（以帶橫縫的SBS 復(fù)合梁為例）

試驗(yàn)通過(guò)外接應(yīng)變箱采集復(fù)合梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，繪制其跨中荷載-位移曲線及跨中縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線，研究了不同底層裂縫類型及兩種改性劑對(duì)瀝青層承載狀態(tài)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4～7，峰值荷載及最大豎向撓度見(jiàn)表4。

圖4 荷載-跨中豎向撓度曲線

表4 復(fù)合梁峰值荷載及最大豎向撓度

從圖4 可知：①當(dāng)?shù)酌鏋闄M縫時(shí)，復(fù)合梁會(huì)先以較快速度達(dá)到峰值荷載，而后瀝青層進(jìn)入2 min 左右的屈服階段，隨后復(fù)合梁進(jìn)入破壞階段承受荷載值緩慢下降，最終復(fù)合梁完全破壞，荷載值下降為0；②當(dāng)?shù)酌鏋樨Q縫時(shí)，復(fù)合梁迅速達(dá)到峰值荷載隨后水泥層發(fā)生脆性破壞，而后復(fù)合梁承載力小幅度回彈隨后瀝青層進(jìn)入2 min 左右的屈服階段，接下來(lái)復(fù)合梁進(jìn)入破壞階段承受荷載值緩慢下降，最終復(fù)合梁完全破壞，荷載值下降為0；③當(dāng)?shù)酌鏋槭挚p時(shí)，復(fù)合梁荷載-撓度曲線與橫縫相似，先以較快速度達(dá)到峰值荷載，而后瀝青層先后經(jīng)歷屈服階段和破壞階段。比較復(fù)合梁底層為橫縫和十字縫的荷載-位移曲線可知，十字縫中的橫縫為主要破壞縫；④比較復(fù)合梁破壞時(shí)的跨中撓度，底面為橫縫時(shí)，NRP 復(fù)合梁為12.04 mm、SBS 復(fù)合梁為11.50 mm，底面為十字縫時(shí)，NRP 復(fù)合梁為11.46 mm、SBS 復(fù)合梁為10.47 mm，底面為豎縫時(shí)，NRP 復(fù)合梁為13.55 mm、SBS復(fù)合梁為12.52 mm，兩種材料的跨中撓度：豎縫＞橫縫＞十字縫；比較復(fù)合梁破壞時(shí)的峰值荷載，底面為橫縫時(shí)，NRP 復(fù)合梁為0.208 kN、SBS 復(fù)合梁為0.185 kN，底面為十字縫時(shí)，NRP 復(fù)合梁為0.185 kN、SBS 復(fù)合梁為0.166 kN，底面為豎縫時(shí)瀝青層受力屈服段峰值荷載NRP 復(fù)合梁為0.202 kN、SBS 復(fù)合梁為0.182 kN，兩種材料破壞時(shí)的峰值荷載：橫縫≈豎縫＞十字縫。

從圖5 可得：①相同裂縫類型時(shí)，NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁荷載-撓度曲線形狀和走勢(shì)相似，NRP 復(fù)合梁破壞時(shí)的最大荷載大于SBS 復(fù)合梁破壞時(shí)的最大荷載，且NRP 復(fù)合梁最終破壞時(shí)的跨中撓度大于SBS 復(fù)合梁最終破壞時(shí)的跨中撓度；②相同裂縫類型時(shí)，在達(dá)到峰值荷載前，SBS 和NRP 復(fù)合梁承載能力相似；在峰值荷載后，復(fù)合梁進(jìn)入屈服段，此時(shí)同一跨中撓度時(shí)NRP 復(fù)合梁承載的荷載更大，承受同一荷載時(shí)NRP 復(fù)合梁跨中撓度更小，說(shuō)明NRP 改性劑對(duì)于瀝青混合料進(jìn)入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強(qiáng)效果更佳；③比較復(fù)合梁的荷載-撓度曲線包圍面積，底面為橫縫時(shí)NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.15 倍，底面為十字縫時(shí)NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.34 倍，底面為豎縫時(shí)NRP 復(fù)合梁為SBS 復(fù)合梁的1.19 倍。相同裂縫類型時(shí)，NRP 復(fù)合梁的荷載-撓度曲線包圍面積大于SBS 復(fù)合梁，可以看出NRP 改性劑對(duì)于帶有各種類型初始裂縫的復(fù)合梁彎曲韌性的改善效果更好。

圖5 復(fù)合梁荷載-跨中豎向撓度曲線

從圖6 可得：①不同裂縫類型的復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線形狀和走勢(shì)相似，不同裂縫類型的NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁均呈現(xiàn)出跨中縱向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大的規(guī)律。在4 min過(guò)后復(fù)合梁位移達(dá)到4 mm，裂縫發(fā)育迅速，復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變片先后失效；②相同時(shí)間，復(fù)合梁底面跨中縱向應(yīng)變：豎縫＜橫縫＜十字縫；且復(fù)合梁底面跨中縱向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率亦為：豎縫＜橫縫＜十字縫；③當(dāng)?shù)酌鏋槭挚p時(shí)，其跨中縱向應(yīng)變-時(shí)間與橫縫更為相似，再次證明此加載方式下十字縫中的橫縫為主要破壞縫。

圖6 跨中縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線

從圖7 可得：同一時(shí)間時(shí)，NRP 復(fù)合梁和SBS 復(fù)合梁的跨中縱向應(yīng)變值相近、應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率相似。此外從縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線中可以看出應(yīng)變片失效時(shí)記錄到的NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變值略大于SBS 復(fù)合梁，說(shuō)明此時(shí)NRP 改性瀝青混合料層裂縫張開(kāi)速率略小于SBS 改性瀝青混合料層，從而再次證明NRP改性劑對(duì)于瀝青混合料進(jìn)入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強(qiáng)效果更佳。

圖7 復(fù)合梁跨中縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），由式（1）、（2）、（3）計(jì)算得到不同底層裂縫類型下復(fù)合梁瀝青層的彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量，結(jié)果如表5 所示。

表5 不同裂縫類型復(fù)合梁彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量

式中：RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度（MPa）；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變（10-6）；SB為試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量（MPa）；b為跨中斷面試件的寬度（mm）；h為跨中斷面試件的高度（mm）；L為試件的跨徑（mm）；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載（N）；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度（mm）。

從表5 可以看出：不同裂縫類型時(shí)，NRP 復(fù)合梁瀝青層的彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量均略大于SBS 復(fù)合梁，說(shuō)明在一定程度上NRP 改性劑對(duì)提高瀝青混合料抵擋反射裂縫的能力優(yōu)于SBS改性劑。

3 結(jié)論

（1）在三點(diǎn)彎曲加載模式下，底面為十字縫和橫縫的反射裂縫發(fā)展過(guò)程相似：荷載-撓度曲線走勢(shì)相似、十字縫的峰值荷載略小于橫縫、最終破壞時(shí)的豎向撓度略小于橫縫，推得十字裂縫中橫縫為主要破壞裂縫，且橫縫的產(chǎn)生對(duì)復(fù)合梁整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大；底面為豎縫時(shí)，具有明顯的水泥破壞段，對(duì)于NRP 復(fù)合梁，其豎縫的峰值荷載為橫縫的2.50 倍，最終破壞的豎向撓度為橫縫的1.13 倍，對(duì)于SBS 復(fù)合梁，其豎縫的峰值荷載為橫縫的2.59 倍，最終破壞的豎向撓度為橫縫的1.09 倍，可以推得豎縫的產(chǎn)生對(duì)復(fù)合梁承載能力影響較小。

（2）NRP 改性瀝青混合料較普通改性瀝青具有更好的抗反射裂縫性能：①?gòu)暮奢d-撓度曲線中可以看出破壞時(shí)的最大荷載和最終破壞時(shí)的豎向撓度均大于SBS 改性瀝青；②從縱向應(yīng)變-時(shí)間曲線中可以看出應(yīng)變片失效時(shí)記錄到的NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變值大于SBS 復(fù)合梁，且臨近應(yīng)變片失效時(shí)NRP 復(fù)合梁的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率略小于SBS 復(fù)合梁，說(shuō)明此時(shí)NRP 改性瀝青混合料層裂縫張開(kāi)速率略小于SBS 改性瀝青混合料層，從而證明NRP 改性劑對(duì)于瀝青混合料進(jìn)入屈服階段后的抗反射裂縫能力增強(qiáng)效果更佳，對(duì)于延緩機(jī)場(chǎng)道面瀝青加鋪層反射裂縫產(chǎn)生的效果更好。