辛順超，尼瑪卓瑪，熊 鷹，付 偉，陳 飛，王全磊，何 斌

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.西藏自治區(qū)公路局， 拉薩 850006；3.重慶機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)， 重慶 401120； 4.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 武漢 430056)

西藏位于青藏高原的西南部，該地區(qū)道路沿線環(huán)境具有海拔高、溫差大、輻射強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。該區(qū)域半剛性基層瀝青路面在不同溫度交替作用下容易發(fā)生開(kāi)裂，瀝青面層在低溫下，瀝青容易脆硬，且體積會(huì)發(fā)生一定收縮，而瀝青混凝土的勁度模量較高、應(yīng)力松弛性能和變形能力欠佳[2]。在大溫差作用下易產(chǎn)生溫縮或干縮效應(yīng)，使半剛性基層發(fā)生開(kāi)裂并擴(kuò)展至面層；超長(zhǎng)日照和強(qiáng)紫外輻射加劇了瀝青的老化，使其黏性降低，變得干澀，降低了瀝青混合料的抗裂性能，最終導(dǎo)致路面裂縫率升高[3]。

為此，本文針對(duì)西藏高海拔地區(qū)防反射裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)及性能展開(kāi)研究，并通過(guò)增加防裂基布，采用彎拉、劈裂、四點(diǎn)彎曲等試驗(yàn)研究材料疲勞損傷和動(dòng)態(tài)蠕變特性，以評(píng)價(jià)路面防裂性能和使用壽命。

1 工程概況

國(guó)道318線林芝至拉薩公路改造工程是西藏公路網(wǎng)主骨架和西部大開(kāi)發(fā)省際公路連接線的重要組成部分，其中墨竹工卡至拉薩段，起于墨竹工卡(K4554+800)東部，經(jīng)章多鄉(xiāng)、塔杰鄉(xiāng)、達(dá)孜縣、蔡公堂鄉(xiāng)，在納金大橋處設(shè)納金互通，向西延至拉薩城關(guān)區(qū)香嘠村(K4621+511.708)，全長(zhǎng)66.58 km。

項(xiàng)目區(qū)范圍屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候的寒冷地區(qū)，年溫差小，日溫差大。年平均溫度7.5 ℃，最冷月平均溫度-2.3 ℃，最熱月平均溫度為15.4 ℃，極端最低溫度為-16.5 ℃，極端最高溫度為29.4 ℃，年日照數(shù)3 000 h以上，年日照率為68%。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，日照時(shí)間長(zhǎng)、系數(shù)大，海拔和溫差對(duì)瀝青路面性能變異影響較大[1]。

海拔高、溫差大的地區(qū)，氣壓變化較大容易導(dǎo)致瀝青混合料的物理力學(xué)性能發(fā)生變化，溫差較大或者溫度梯度較大時(shí)則會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[1]。溫差過(guò)大，基層產(chǎn)生的溫縮裂縫可反射至面層[4]。溫度的降低使得路面極限拉應(yīng)變不斷減小，瀝青混合料發(fā)生收縮變形并產(chǎn)生收縮應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)材料可承受范圍后，就會(huì)導(dǎo)致瀝青面層開(kāi)裂。

2 原材料性能與結(jié)構(gòu)方案

2.1 瀝青

根據(jù)工程具體情況，選用中石化塔河90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青進(jìn)行試驗(yàn)。其基本性能見(jiàn)表1。

表1 瀝青性能指標(biāo)

2.2 集料

集料是瀝青混合料的重要組成，選用干燥潔凈、堅(jiān)硬耐磨且無(wú)雜質(zhì)的石灰?guī)r集料進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，采用密度為2.551 g/cm3的石灰?guī)r礦粉作為填料。

2.3 防裂基布

聚丙烯土工合成材料與瀝青相容性較好，其與瀝青相互結(jié)合形成具有一定強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層作為防裂結(jié)構(gòu)層[5-6]。本試驗(yàn)所用防裂基布物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表2 集料性能指標(biāo)

表3 防裂基布物理力學(xué)性能指標(biāo)

2.4 基本結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)層預(yù)設(shè)方案，擬定2種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)方案：1) A方案：AC-13+防裂基布+粘層油+AC-20；2) B方案：AC-13+粘層油+AC-20。2種試驗(yàn)方案如圖1所示。設(shè)置不鋪設(shè)聚丙烯防水防裂基布方案作為技術(shù)對(duì)比，其中AC-13和AC-20瀝青混料的最佳油石比分別為4.8%和4.2%，采用MTS疲勞壽命試驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)鋪設(shè)基布后的有益效果。

圖1 對(duì)比研究結(jié)構(gòu)方案

3 彎拉與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程的劈裂試驗(yàn)方法和小梁彎曲試驗(yàn)方法，測(cè)試計(jì)算得出A方案、B方案的劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，15 ℃時(shí)，A方案的劈裂強(qiáng)度為3.66 MPa，B方案的劈裂強(qiáng)度為3.51 MPa，布設(shè)防裂基布后使劈裂強(qiáng)度提高約4.27%；25 ℃時(shí)，提高了9.35%，說(shuō)明在溫度相對(duì)較高時(shí)，由于瀝青混合料相對(duì)柔軟，防裂基布發(fā)揮更為顯著的效果。從抗彎拉強(qiáng)度可知，15 ℃時(shí)，A方案的拉伸強(qiáng)度為1.36 MPa，B方案的拉伸強(qiáng)度為1.14 MPa，布設(shè)防裂基布后使拉伸強(qiáng)度提高約19.30%；25 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度提高約30.48%，提高幅度超過(guò)15 ℃約11.18%，表明溫度較高時(shí)，防裂基布的力學(xué)性能發(fā)揮更為明顯。

表4 彎拉與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 疲勞損傷試驗(yàn)

為分析2種方案的疲勞損傷性能，采用間接拉伸和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以試件破壞斷裂作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力疲勞試驗(yàn)，測(cè)試計(jì)算試件疲勞損傷量進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)[7-8]。采用損傷變化率分析不同作用次數(shù)下的損傷狀態(tài)[9]。

疲勞損傷變化率按照式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：ki為i處損傷變化率；n為荷載次數(shù)；Di為i處損傷量；Di+n為i+n處的損傷量。

4.1 間接拉伸試驗(yàn)確定混合料疲勞失效

間接拉伸試驗(yàn)的疲勞損傷變化量與變化率分別如圖2、圖3所示，疲勞損傷破壞測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表5。

圖2 間接拉伸試驗(yàn)損傷變量曲線

圖3 間接拉伸試驗(yàn)損傷變化率曲線

由圖2和圖3可知，在試驗(yàn)前期，試件發(fā)生彈性變形，荷載作用使內(nèi)部細(xì)微缺陷逐漸發(fā)展形成裂縫、變形等損傷形式，損傷變化量快速增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定上升狀態(tài)，試件內(nèi)部能量相對(duì)平衡，損傷量發(fā)展平穩(wěn)，試驗(yàn)中后期，損傷迅速發(fā)展擴(kuò)張，損傷量急劇增大，最終導(dǎo)致試件破壞失效。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，A方案損傷量均小于B方案，說(shuō)明增加防裂基布后，提高了試件的耐疲勞性能，而損傷變化率相對(duì)較小，材料穩(wěn)定性更強(qiáng)。

從表5試驗(yàn)結(jié)果可知，A方案的初始勁度模量約為213.33 MPa，B方案的初始勁度模量為138.6 MPa，增加防裂基布后，試驗(yàn)試件的勁度模量增加了74.73 MPa，提高了53.92%。A方案的破壞勁度模量為68.57 MPa，B方案的破壞勁度模量為58.42 MPa，提高幅度為17.8%。從疲勞損傷度看，A方案為68.5%，B方案為58.2%，二者發(fā)生破壞時(shí)，A方案的殘余勁度模量高于B方案大約10%。由此說(shuō)明，增加防裂基布，能夠有效提高試件勁度模量，增強(qiáng)材料抗疲勞開(kāi)裂性能，緩解反射裂縫的發(fā)生。

表5 間接拉伸疲勞損傷試驗(yàn)破壞勁度模量

4.2 四點(diǎn)彎曲疲勞損傷試驗(yàn)

如圖4所示，采用的尺寸為38.1 mm×38.1 mm×381 mm的試件，加載頻率為5 Hz～10 Hz，溫度為20 ℃，根據(jù)應(yīng)變控制原理，測(cè)試試件勁度模量變化直至破壞的作用次數(shù)[9-10]。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)變化量和變化率曲線如圖5、圖6所示，四點(diǎn)彎曲疲勞損傷破壞測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

由圖5和圖6可知，A方案和B方案的變化趨勢(shì)基本相同，隨著作用次數(shù)的增加，0～5 000次之間，損傷量迅速增加；5 000～25 000次期間，損傷量趨于穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)；28 000次左右時(shí)，損傷量急劇上升。但是，相同作用次數(shù)下，A方案的損傷量與損傷變化率明顯小于B方案，由此，增加防裂基布有利于彎曲抗疲勞損傷能力。

圖4 四點(diǎn)彎曲疲勞損傷試驗(yàn)示意

圖5 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)損傷變量曲線

圖6 四點(diǎn)彎拉疲勞試驗(yàn)損傷變化率曲線

方案編號(hào)E0/MPaEn/MPaD=1-En/E0A方案A-16 567.911 913.940.709A-26 644.131 892.520.715A-36 819.791 814.630.734A-46 491.361 959.230.698A-56 659.191 765.490.735A-66 765.941 909.660.718B方案B-15 455.921 770.450.675B-25 312.281 803.560.660B-35 637.611 784.140.684B-45 429.831 753.280.677B-55 071.131 616.370.681B-65 124.511 716.350.665

由表6可知，A方案的四點(diǎn)彎曲初始勁度模量為6 658.05 MPa，B方案為5 338.55 MPa，提高幅度為24.72%，破壞勁度模量分別為1 875.91 MPa和 1 740.69 MPa，增加防裂基布的方案破壞勁度模量高出135.22 MPa，約7.77%。A方案和B方案的損傷量D分別為71.8%和67.4%，進(jìn)一步說(shuō)明增加防裂基布后，試件具有更強(qiáng)的抗疲勞損傷性能。

5 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

5.1 蠕變?nèi)崃?/h3>

采用NU14動(dòng)態(tài)蠕變加載試驗(yàn)系統(tǒng)分別對(duì)15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃條件下的試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載頻率為0.5 Hz，預(yù)壓荷載為0.01 MPa，預(yù)壓時(shí)間為90 s，荷載應(yīng)力峰值取0.3 MPa，加載時(shí)間為 7 200 s[10-12]。A方案和B方案的蠕變?nèi)崃吭囼?yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 A方案的蠕變?nèi)崃孔兓€

圖8 B方案的蠕變?nèi)崃孔兓€

由圖7、圖8可知，A方案和B方案的蠕變?nèi)崃孔兓厔?shì)基本一致，相同荷載時(shí)間下，隨著溫度的升高，試件的蠕變?nèi)崃恐饾u增大。在相同荷載作用時(shí)間和相同溫度條件下，A方案的蠕變?nèi)崃啃∮贐方案。由于蠕變?nèi)崃坑糜诒碚鲉挝缓奢d下的變形特性，因此，設(shè)置防裂基布后，更利于降低混合料的蠕變?nèi)崃?，減少試件的變形量。

5.2 蠕變移位因子

根據(jù)粘彈性材料溫度-時(shí)間等效換算原理，在參考溫度為25 ℃時(shí)分別分析了15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃溫度下的移位因子[13-15]。不同溫度下A方案和B方案蠕變?nèi)崃颗c時(shí)間關(guān)系如圖9、圖10所示，參考溫度為25 ℃時(shí)的蠕變移位因子見(jiàn)表7。

圖9 A方案的蠕變?nèi)崃颗c時(shí)間關(guān)系

圖10 B方案的蠕變?nèi)崃颗c時(shí)間關(guān)系

項(xiàng)目名稱(chēng)不同試驗(yàn)溫度(℃)下的移位因子15253545A方案-0.33401.1372.663B方案-0.51500.6561.557

由圖9、圖10可知，隨著溫度升高，混合料的蠕變?nèi)崃繉?duì)數(shù)值越大。根據(jù)時(shí)間-溫度等效原理得出參考溫度為25 ℃時(shí)的移位因子見(jiàn)表7，相同時(shí)間和溫度下，A方案的移位因子大于B方案，說(shuō)明其適用的溫度范圍更大。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用彎拉與劈裂試驗(yàn)、疲勞損傷試驗(yàn)對(duì)藏區(qū)路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷特性與動(dòng)態(tài)蠕變進(jìn)行研究，獲得以下認(rèn)識(shí)：

1) 增設(shè)防裂基布后，瀝青路面結(jié)構(gòu)的15 ℃、25 ℃劈裂強(qiáng)度分別提高了4.27%、9.35%，彎拉強(qiáng)度分別提高了19.30%和30.48%，防裂基布的加筋作用提高了路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性。

2) 增設(shè)防裂基布后，結(jié)構(gòu)的間接拉伸勁度模量提高了53.92%，四點(diǎn)彎曲勁度模量提高了24.72%，降低了疲勞損傷量，提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

3) A方案25 ℃基準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)蠕變移位因子范圍為1.042，B方案為2.967；增加防裂基布后，A方案蠕變特性更佳，適用溫度范圍更廣。

4) 防裂基布在西藏地區(qū)防反射裂縫瀝青路面結(jié)構(gòu)層中，通過(guò)與瀝青結(jié)合形成應(yīng)力吸收分散層，利用自身的柔韌性和力學(xué)強(qiáng)度，增強(qiáng)了蠕變性和抗疲勞損傷性能，且防反射裂縫瀝青路面的疲勞壽命更長(zhǎng)，在海拔高、溫差大的地區(qū)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性及良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。