徐世法， 胡超峰， 胡倫福， 李書飛， 陳 濤， 孫傳夏

(1. 北京建筑大學(xué) 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)中心，北京 100044； 2.河南中原高速公路股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 3. 北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044； 4. 北京首發(fā)公路養(yǎng)護工程有限公司，北京 102600； 5. 河南省交通運輸廳公路管理局，河南 鄭州 450015)

0 引言

路面抗反射裂縫性能是反應(yīng)路面性能重要指標，國內(nèi)外有很多實驗用于評價該性能。彎曲拉伸疲勞試驗、直接拉伸疲勞試驗、四點彎曲疲勞試驗用于室內(nèi)試驗；室外實驗則包括足尺路面疲勞試驗等[1]。室外實驗雖然可以更好地模擬反射裂縫的形成，更能反應(yīng)實際情況，但也存在例如試驗結(jié)果受外界環(huán)境影響大、成本較大、試驗所需時間長等缺點。故國內(nèi)外的研究人員大多偏向于進行室內(nèi)試驗來模擬疲勞試驗。四點彎曲實驗是應(yīng)用較多的，甚至美國SHRP計劃已經(jīng)將其列為標準試驗[2]。

由于傳統(tǒng)的四點彎曲實驗試件不能模擬水穩(wěn)碎石基層路面的反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，因此，本文改進了實驗試件，優(yōu)化后的試件總共分為3層，底部模擬基層，采用水泥穩(wěn)定碎石，中間為層間防裂夾層，上部為瀝青混合料面層，可以更好地模擬水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)。通過對3種防裂夾層復(fù)合梁的疲勞壽命測試，即可得到防裂夾層的抗反射裂縫性能數(shù)據(jù)。

1 水穩(wěn)基層路面層間措施抗反射裂縫疲勞試驗設(shè)計

四點疲勞試驗系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是實驗裝置，另一部分是數(shù)據(jù)采集裝置。

傳統(tǒng)的小梁四點疲勞試驗用于評價瀝青混合料的性能，但夾層對反射裂縫防治的影響，該實驗不能很好地反映。西南交通大學(xué)艾長發(fā)[3]等人改進小梁彎曲疲勞試驗的實驗試件，在傳統(tǒng)的小梁中間加入層間防裂措施，上下部分分別模擬瀝青面層和基層。同濟大學(xué)周富杰[4]將混凝土板作為下層，模擬了剛性基層的路面結(jié)構(gòu)。但是國內(nèi)外對于半剛性路面結(jié)構(gòu)中抗反射裂縫的層間措施的模擬仍缺乏系統(tǒng)研究，因此本文通過改進優(yōu)化試驗，模擬出水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 疲勞試驗切縫小梁四點加載示意圖Figure 1 Schematic diagram of four-point loading of the trabecular beam of the fatigue test

1.1 試件尺寸

本文設(shè)計的切縫小梁疲勞試件與傳統(tǒng)小梁尺寸一致，長×寬×高=380 mm×65 mm×50 mm，用UTM-25進行測試。為使小梁試件與實際路面狀況一致，將試件中半剛性基層的高度確定為15mm，層間防治措施高度為5mm，瀝青面層的高度為30mm。試件如圖2所示。

圖2 試驗試件Figure 2 Test specimen

1.2 試件成型方法

首先成型試件，然后進行養(yǎng)生，將養(yǎng)生后的試件進行刮毛處理，試件中間進行防裂措施；對瀝青混合料面層進行靜壓成型，然后用切割機成型復(fù)合梁試件。AASHTO T321標準規(guī)定合格試件長為(381±6)mm，寬為(63±6)mm，高為(50±6)mm。故被實驗所切割尺寸長為380mm，寬為65mm，高為50mm。

1.3 試驗的加載

本文采用控制應(yīng)變模式作為試驗的加載模式。加載過程中，保證試件底部的拉應(yīng)變恒定，并且保證試件的勁度模量逐漸降低[5-7]，勁度模量變?yōu)樵嫉?0%時，停止加載，試件的疲勞壽命即為停止試驗時荷載的作用次數(shù)。

1.4 頻率水平的確定

汽車行駛速度越高，車輛載荷作用于路面的時間越短，反之作用時間越長。通過調(diào)查統(tǒng)計得出汽車輪胎在路面橫斷面的加載時間大約為0.016s，推算出測試的加載頻率為10Hz。

1.5 應(yīng)變水平的確定

四點彎曲疲勞試驗的應(yīng)變水平的大小決定了試件的彎曲變形程度[11]，因此應(yīng)變水平的大小應(yīng)合理。所以選擇500με、1000με、1500με的應(yīng)變，進行試驗，加載后得到對應(yīng)應(yīng)變下的試件的疲勞次數(shù)。

1.6 試驗步驟

a.試件養(yǎng)護。

試件切割成標準尺寸后，放入15℃的環(huán)境箱(我國在道路設(shè)計時，常將15℃定為最不利的溫度)中進行6h的養(yǎng)護。

b.試件安裝。

將養(yǎng)護完成的試件放入四點彎曲疲勞實驗裝置夾具內(nèi)，并且觀察傳感器的位置，是否正確的放置在試件表面。

c.參數(shù)設(shè)定。

該試驗用UTM-25實驗設(shè)備進行測試，在控制界面中輸入試驗參數(shù)，設(shè)置500με，1000με，1500με 這3種應(yīng)變水平，測試頻率為10Hz，并設(shè)定當(dāng)試件的勁度模量下降到初始的50%時結(jié)束試驗。

2 原材料性能及級配

2.1 瀝青混合料面層

a.瀝青性能指標。

為更加準確反映層間措施對反射裂縫的處置效果，選用SBS改性瀝青，各項指標如表1所示，試驗結(jié)果符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]、《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[9]中對改性瀝青的相關(guān)的規(guī)定。

表1 SBS改性瀝青試驗指標Table 1 SBS modified asphalt test indicators類別針入度(100 g,25 ℃5 s)/0.1 mm針入度指數(shù)PI軟化點/℃135 ℃運動粘度/(Pa·s)5 ℃延度/cm閃點/℃溶解度/%彈性恢復(fù)/%離析,48 h軟件點差/℃TFOT殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm質(zhì)量損失/%指標要求60～80>-0.4≥70.0≤3.0≥30.0≥230.0≥99.0≥65.0≤2.5≤60.0≥20.0≤0.80試驗結(jié)果62.71.072.82.931.9261.099.187.71.763.121.00.02試驗方法T0604-2011

b.集料性能指標。

本實驗采用的石料主要是石灰?guī)r，礦料主要為礦粉，石灰?guī)r粒徑包括3～5、5～10、10～15 mm。通過測試，石料能夠符合《公路工程集料試驗規(guī)程》[10]的規(guī)范要求，粗集料、細集料與礦粉能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[11]的規(guī)范要求。

c.瀝青面層混合料級配。

本文采用AC-13型瀝青混合料作為面層，級配設(shè)計結(jié)果、級配曲線如表2、圖3。油石比為4.7%。

表2 瀝青面層混合料級配設(shè)計結(jié)果Table 2 Asphalt surface layer gradation design results篩孔尺寸/mm不同級配的通過率/%級配下限級配上限級配中值合成級配16.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100.0 90.0 68.0 38.0 24.0 15.0 10.0 7.0 5.0 4.0100.0100.0 85.0 68.0 50.0 38.0 28.0 20.0 15.0 8.0100.0 95.0 76.5 53.0 37.0 26.5 19.0 13.5 10.0 6.0100.0 94.1 68.3 42.0 26.3 14.1 11.3 7.9 6.9 5.6

圖3 瀝青面層混合料級配曲線Figure 3 Asphalt surface layer gradation curve

2.2 水穩(wěn)基層

a.原材料性能。

本文采用以下兩類作為水穩(wěn)基層材料，第一類是廢舊水穩(wěn)碎石材料，一類為粒徑分別為0～5、5～10和10～20 mm的石灰?guī)r。首先要求對舊料進行烘干，然后篩分，以4.75 mm粒徑大小為界限，大于4.75 mm為粗集料，否則為細集料。

b.水穩(wěn)碎石基層級配。

通過試驗確定對水穩(wěn)碎石基層的舊料進行整體摻配，其中舊料與新料的使用質(zhì)量比值為6∶4。級配設(shè)計結(jié)果見表3，級配曲線見圖4。

2.3 SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層

a. SBS瀝青原材料性能。

由于SBS瀝青較為優(yōu)良的性能，所以SBS應(yīng)力吸收層選擇的瀝青與瀝青混合料面層相同，試驗結(jié)果與技術(shù)指標如表1所示。

表3 水穩(wěn)基層級配設(shè)計結(jié)果Table 3 Gradation design results of cement stabilized base篩孔尺寸/mm不同級配的通過率/%級配下限級配上限級配中值合成級配26.50019.00016.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100 90 79 67 52 30 19 12 8 5 3 2100100 92 83 71 50 36 26 19 14 10 7100.0 95.0 85.5 75.0 61.5 40.0 27.5 19.0 13.5 9.5 6.5 4.5100.00 93.14 87.66 78.54 62.12 38.47 27.50 17.58 12.92 9.28 7.15 5.37

圖4 水穩(wěn)基層級配曲線Figure 4 Cement stabilized base gradation curve

b.集料性能指標。

SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層選取的礦料與水穩(wěn)基層相同，且通過試驗符合相關(guān)規(guī)范要求。

c.應(yīng)力吸收層級配。

SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層級配設(shè)計結(jié)果，級配曲線如表4、圖5所示。

表4 SBS應(yīng)力吸收層級配設(shè)計結(jié)果Table 4 SBS stress absorption layer gradation design results篩孔尺寸/mm不同級配的通過率/%級配下限級配上限級配中值合成級配4.750100100100.0100.02.3601009095.096.51.180755565.066.90.600553545.043.30.300402030.030.90.150281220.018.70.07518712.512.3小于0.0751057.58.0

圖5 SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層級配曲線Figure 5 SBS asphalt mixture stress absorption layer grading curve

2.4 土工布及土工格柵

根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗，選用土工布及玻璃纖維土工格柵進行試驗并與SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層的防反射裂縫效果進行對比。土工布處置方式技術(shù)指標為： 質(zhì)量200 g/m2,厚度3 mm，抗拉強度18.2 kN/m。玻璃纖維土工格柵技術(shù)指標為：厚度3 mm，縱橫向抗拉強度80 kN/m，最大負荷延伸率3%,網(wǎng)孔尺寸12.7 mm×12.7 mm，網(wǎng)孔形狀矩形，耐溫性-100 ℃～280 ℃。

3 四點彎曲小梁試驗結(jié)果分析

經(jīng)過試驗以及數(shù)據(jù)處理后，試驗結(jié)果如表5、圖6所示。

表5 瀝青混合料的四點疲勞試驗結(jié)果匯總Table 5 Summary of four-point fatigue test results of as-phalt mixture應(yīng)變ε1/με不同防治措施的疲勞次數(shù)Nf /次無措施土工布土工格柵SBS應(yīng)力吸收層50075 61378 23181 235102 3661 00061 72367 31571 98996 5411 50053 06757 89459 41589 452

圖6 疲勞性能對比圖Figure 6 Fatigue performance comparison chart

從以上圖表可以看出：

a. 通過采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布以及土工格柵對面層反射裂縫的防治措施，小梁的疲勞壽命都有一定的提高。

b. 當(dāng)應(yīng)變?yōu)?500με時，采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布以及土工格柵，試件的疲勞性能分別提高了68.6%、9.1%以及11.9%。所以SBS應(yīng)力吸收層對于防止面層反射裂縫效果最佳。

4 結(jié)語

本文為了更好地模擬水穩(wěn)碎石基層路面層間結(jié)合措施的疲勞性能，對傳統(tǒng)的四點彎曲試驗為基礎(chǔ)，改進了復(fù)合梁試件，并確定水穩(wěn)基層路面反射裂縫室內(nèi)試驗參數(shù)。為了研究不同措施對反射裂縫的防治效果，實驗在水穩(wěn)碎石基層路面結(jié)構(gòu)中間層分別采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布、土工格柵抗反射裂縫措施，通過測試得復(fù)合梁試件的疲勞壽命。通過以上試驗可知，在500με、1000με、1500με 這3種應(yīng)變下，采用以上措施，均對延長小梁疲勞壽命產(chǎn)生了效果。其中SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層抗反射裂縫效果最為明顯，其次為土工布，最后為土工格柵。通過試驗可以得出瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變增加而降低，并呈線性下降，故證明3種應(yīng)變水平下的試驗結(jié)果具有較好的一致性。