沥青加铺层抗反射裂缝性能的影响因素

刘柏康，张臻怡

(1.东莞市公路管理局，广东 东莞 523110；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

水泥路面在使用过程中会出现不同程度的病害，影响正常交通运输。根据水泥混凝土路面的破坏程度，国内外旧水泥混凝土路面的大修主要使用加铺沥青混凝土面层、加铺新水泥混凝土面层以及翻修3种方法[1-5]。沥青加铺层能有效地改善旧水泥路面使用性能，但由于旧水泥混凝土路面自身存在切缝、裂缝等，极易在加铺层产生反射裂缝[6]，这对于路面使用寿命的影响很大。

沥青面层反射裂缝产生后，将会以2种扩展模式发展：张开型反射裂缝和剪切型反射裂缝。其中张开型反射裂缝产生的一方面原因是行车荷载在裂缝正中央的作用，致使水泥混凝土路面在该处产生应力集中；另一方面是由于温度变化造成水泥混凝土路面产生温缩变形[7]。剪切型反射裂缝产生的主要原因是由于行车荷载的作用，水泥混凝土路面在裂缝两侧产生不均匀的沉降，进而对沥青路面产生剪切变形。由于温度变化和行车荷载，裂缝易产生应力集中，并在沥青加铺层中稳定发展，直至贯穿整个沥青混凝土路面加铺层结构。因此，研究水泥混凝土路面加铺过程中反射裂缝对沥青加铺层的影响是必要的。

才华等从断裂力学及疲劳损伤力学的角度探讨了反射裂缝的产生和发展机理，对沥青加铺层反射裂缝的疲劳断裂进行了三维有限元分析和数值计算，并模拟了真实条件下的裂缝扩展[8-10]。陈拴发等对基于应力吸收层的水泥混凝土路面沥青加铺结构进行三维有限元数值模拟，发现设置应力吸收层后，加铺层底部荷载应力与温度应力均大幅减小，应力集中程度降低，有效地缓解了反射裂缝的形成[11-15]。Bologna大学采用无加筋层沥青混凝土、无纺土工织物、聚丙烯土工格栅和土工网的沥青加铺层进行三点弯曲试验，分别对不同夹层结构类型进行防裂效果评价。饶奇志等用MTS疲劳试验、弯曲应变试验测试了裂缝处混合料的疲劳开裂时间、弯曲变形性能和疲劳寿命[16]。美国科式沥青材料公司研发出STRATA应力吸收层，用以防止反射裂缝的生成和发展。Bobert L.Lytton 编写了反射裂缝发展预估模型软件。

疲劳寿命是指在循环加载的情况下，材料产生疲劳破坏所需的应力或应变的循环数，通常分为裂缝形成寿命和裂缝扩展寿命。反射裂缝的产生是一个典型的疲劳过程[17]，故可通过疲劳性能来反映沥青加铺层的抗反射裂缝能力。本文采用MTS对加铺结构进行疲劳试验，对沥青加铺层抗反射裂缝的不同影响因素进行研究，包括不同加铺材料、加载频率、裂缝宽度、加载位置、应力比以及土工织物，通过对比不同因素下的疲劳寿命，分析其对反射裂缝的影响。

1 试验材料

为研究不同沥青加铺层材料类型对反射裂缝的影响，统一采用AC-13沥青混合料，通过改变沥青类型、添加高模量剂的方式拌制不同类型的沥青混合料；同时，添加土工格栅及土工布，研究其抗反射裂缝能力。

2种沥青材料分别是SBS I-C改性沥青和70#A级道路石油沥青，其技术指标见表1、2；集料采用玄武岩，各项指标如表3所示。经测试，沥青和集料的各项性能指标都满足相关规范的要求。矿粉为石灰岩矿粉。

表1 沥青技术指标

表2 集料技术指标

表3 PRM高模量改性剂技术指标

经调查，法国主要通过使用低标号沥青或使用高模量添加剂2种方法提高沥青混凝土的模量。鉴于中国现阶段的低标号沥青产品不足够成熟，本研究选用法国PR公司生产的PR MODULE(简称PRM)高模量改性剂来提高模量[18]，其技术指标见表4。土工布采用专用于防止路面反射裂缝的海川010/140，其抗拉强度为17.5 kN，厚度为3 mm，每平方米重200 g。土工格栅采用玻璃纤维格栅，纵横向抗拉强度为80 kN，最大负荷延伸率为4%，网孔尺寸为12.7 mm×12.7 mm，厚度为3 mm。4种沥青混合料分别为：基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、PRM高模量改性沥青混合料与PRM高模量SBS沥青混合料。

图1 加铺结构模型

图2 MTS疲劳试验

2 试验方法

本次试验将建立水泥混凝土加铺沥青混合料的路面结构模型(图1)，采用万能材料试验机(MTS)对其进行疲劳试验(图2)。在水泥混凝土板(5 cm)上碾压沥青混合料(5 cm)成型试件。为对比各种加铺层的抗裂效果，试件尺寸均为30 mm×100 mm×250 mm(图3)，试验温度为室温20 ℃。在进行疲劳试验之前，根据规范要求进行抗弯拉强度试验，得出其极限破坏荷载为2.1497 kN。

3 结果与分析

本次试验针对加铺层材料、裂缝宽度、加载频率、加载位置和加载应力比5个影响因素进行疲劳试验，其中不同加载位置的疲劳试验采用分别设置土工布和土工格栅的PRM高模量SBS沥青混合料进行对比，不同应力比的疲劳试验分别采用PRM高模量SBS沥青混合料和PRM高模量改性沥青混合料进行对比。在试验过程中观测记录试件从加载开始至产生裂缝、被裂缝贯穿的循环周次和相应应变，绘制以循环周次为横坐标、试件的应变变化为纵坐标的应变-循环周次关系图，从而分析出各影响因素与疲劳寿命的关系。具体试验方法见表4。

表4 疲劳试验方法

3 结果与分析

本次试验采用MTS试验机进行疲劳试验，并绘制应变-循环周次关系图(图4)，混合料在产生裂缝前的应变变化和循环周次呈线性关系，而产生裂缝后将引起大的应变变化，直至混合料被裂缝贯穿。因此，可由应变与循环周次之间的线性关系发生突变来判断裂缝产生，在试验过程中观察混合料被裂缝贯穿的情况，并记录其相应的循环周次。

3.1 不同加铺层对反射裂缝的影响

由图4可知以下几点。

图4 不同沥青材料循环周次与应变的关系

(1)4种沥青混合料被裂缝贯穿循环周次由多到少依次为：PRM高模量SBS沥青、SBS改性沥青、PRM高模量改性沥青、基质沥青。这说明PRM高模量SBS沥青混合料的抗反射裂缝能力相对最好，SBS改性沥青次之，基质沥青最差。

(2)SBS改性沥青产生裂缝的循环周次大于基质沥青，2种沥青混合料从裂缝产生到贯穿的循环周次大致相同。由此可知，SBS改性沥青的抗反射裂缝性能优于基质沥青，但两者的抗反射裂缝发展性能大致相同。这说明SBS会增加沥青混料中沥青和集料之间的黏附性，从而防止反射裂缝的产生。

(3)基质沥青、SBS 改性沥青、PRM高模量沥青混合料、PRM高模量SBS沥青混合料的裂缝从产生到贯穿，加载循环周次分别约为400、450、2 550、1 000次。可知在沥青中加入PRM后，基质沥青与SBS改性沥青的抗反射裂缝发展性能有很大的提升。这说明PRM高模量改性剂的添加会起到紧箍网路的作用，从而延缓裂缝的发育。

在PRM高模量SBS沥青混合料中添加土工布和土工格栅，并进行疲劳试验，绘制其应变变化与加载循环周次的关系图，如图5所示。

图5 添加土工布和土工格栅对疲劳寿命的影响

对比图4与图5可知：加土工格栅的混合料产生裂缝的循环周次、总循环周次都大于加土工布的混合料，且2种混合料产生裂缝的循环周次、总循环周次都远大于未加两者之一的混合料。这说明添加土工布或土工格栅都会提高混合料的抗反射裂缝性能，对裂缝的产生和发展有一定的抑制作用，且土工格栅的效果优于土工布。

3.2 不同裂缝宽度的疲劳性能

本试验用裂缝宽度分别为0、5、10、15 mm的PRM高模量SBS沥青加土工格栅混合料进行疲劳试验，根据试验结果绘制应变-循环周次的关系图(图6)。

图6 不同裂缝宽度对疲劳寿命的影响

由图6可知以下几点。

(1)混合料在不同裂缝宽度下的循环周次和裂缝产生循环周次，由多到少依次为0、5、10、15 mm。这说明裂缝宽度越大，抗反射裂缝性能越差。

(2)裂缝宽度为0 mm的混合料经过45 000次左右加载循环周次后仍然未出现裂缝；裂缝宽度为10 mm和15 mm时，裂缝产生循环周次分别为8 000次和5 000次。这说明随着裂缝宽度的不断增加，沥青混合料的抗反射裂缝性能相近。

3.3 不同加载频率下的疲劳性能

本试验分别以1、10、20 Hz为加载频率对PRM高模量SBS沥青加土工格栅混合料进行疲劳试验，绘制应变-循环周次的关系图，如图7所示。

图7 不同加载频率对疲劳寿命的影响

由图7可知：不同加载频率的混合料循环周次和裂缝产生循环周次由多到少依次为20、10、1 Hz。这说明，加载频率对加铺层的抗反射裂缝的能力具有较大影响，加载频率越低，加铺层的抗反射裂缝能力越差。

加载频率为10 Hz的试件循环周次远大于加载频率为1 Hz的试件，而加载频率为10 Hz的试件循环周次与加载频率为20 Hz时十分接近。这说明频率增加到一定程度后，抗反射裂缝能力随着频率的增加变化不大。

3.4 不同作用位置的疲劳性能

本试验以裂缝正上方和裂缝左侧为加载位置分别对PRM高模量SBS沥青加土工格栅混合料和PRM高模量SBS沥青加土工布混合料进行疲劳试验，根据试验结果绘制应变-循环周次的关系图，如图8所示。

图8 不同加载位置与疲劳寿命的关系

由图8可知：施加偏荷载混合料的循环周次平均增加了6 000左右，裂缝产生的循环周次平均增加了3 000。这说明，加载为偏荷载时，混合料的抗反射裂缝能力和抗反射裂缝产生的能力都优于在裂缝正上方加载的混合料。

3.5 不同应力比的疲劳性能

采用0.3、0.4、0.5的应力比对PRM高模量SBS沥青和PRM高模量基质沥青混合料进行疲劳试验。根据试验结果绘制应变-循环周次关系图，如图9所示。

图9 不同应力比对疲劳寿命的影响

将应力比对数值、疲劳次数对数值进行汇总，结果如表5所示。

表5 应力对数和疲劳对数的关系

以应力比σt对数值为纵坐标，疲劳寿命Nf对数值为横坐标，绘制不同加铺层类型的疲劳曲线，如图10所示。

图10 加铺层沥青混合料的疲劳曲线

根据图10所示，将应力比对数和疲劳寿命对数的拟合方程总结在表6中。

表6 加铺层沥青混合料的疲劳方程

由图10、表6可知以下几点。

(1)分别对比应力比为0.3、0.4、0.5时2种沥青混合料的循环周次，应力比为0.3的沥青混合料的循环周次高于应力比为0.5时各沥青混合料的循环周次。这说明沥青混合料的抗反射裂缝能力会随着应力比的增加而降低。

(2)PRM高模量SBS沥青混合料在应力比分别为0.3和0.4时，应变与循环周次的变化关系曲线高度重合，但应力比为0.4的混合料的总循环周次较多，说明应力比为0.4的混合料抗反射裂缝能力较好，可优先选用。

由疲劳方程可知，沥青混合料的应力比对数随着疲劳寿命的增加而减小，即在同一应力比下，线性关系中的斜率越小，沥青混合料的疲劳寿命越短，抗疲劳性能越差。

4 结 语

本文通过MTS进行疲劳试验，分析多个因素对沥青加铺层疲劳寿命的影响，主要结论如下。

(1)6种加铺层类型的抗反射裂缝能力由大到小依次为：PRM高模量SBS沥青加土工格栅、PRM高模量SBS沥青加土工布、PRM高模量SBS沥青、PRM高模量基质沥青、SBS改性沥青、基质沥青。

(2)沥青加铺层的抗反射裂缝能力随着裂缝宽度的增加而减小。

(3)随着加载频率的增大，加铺沥青混合料的抗反射裂缝能力会随之增大，但是当频率增加到一定程度后，其抗反射裂缝能力的变化不大。

(4)同一材料类型的沥青加铺层，加载为偏荷载时，其抗反射裂缝能力好于加载为正荷载时。

(5)随着应力比的增加，加铺层的抗反射裂缝性能随之降低。