畢嘉琪,李 明

(南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 衡陽 421000)

0 引 言

加鋪瀝青面層是經(jīng)濟(jì)有效的舊路修復(fù)方式，但易產(chǎn)生反射裂縫，導(dǎo)致加鋪后的復(fù)合式路面疲勞壽命較短[1-4]。以中國為例，國內(nèi)已通車的高速公路使用情況調(diào)查表明，不論在南方還是北方，反射裂縫通常出現(xiàn)在通車一兩年后，并且是導(dǎo)致高等級(jí)公路早期損壞的主要原因[5-6]。瀝青路面使用壽命偏短，導(dǎo)致公路基礎(chǔ)設(shè)施頻繁地進(jìn)行大中修，消耗了大量的不可再生資源并造成了環(huán)境污染，大大增加了運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，更是顯著降低了道路的通行能力與路網(wǎng)的通行效率。至此，反射裂縫問題已成為我國公路建設(shè)中迫切需要研究解決的課題。

相關(guān)研究表明，雖然復(fù)合式路面反射裂縫病害不可避免，但可通過加鋪層間阻裂材料來延緩反射裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展[7-10]。周剛[11]、N.S.Correia和J.G.Zornberg[12]認(rèn)為土工合成材料的存在會(huì)產(chǎn)生橫向約束機(jī)制，有效防治反射裂縫；而廖衛(wèi)東[13]、李淑明[14]、S.Fallah[15]認(rèn)為土工合成材料只一定程度上降低了接縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并不能很好地防治反射裂縫。為突破常用土工合成材料的爭(zhēng)論性和局限性，本文選用一種復(fù)合型濕鋪高分子卷材進(jìn)行研究，針對(duì)其材料組成特性和層間粘結(jié)特性設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)，分析其防治反射裂縫的效果和應(yīng)用，為舊路修復(fù)工程選用優(yōu)質(zhì)層間阻裂材料提供參考。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原材料

水泥選用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用標(biāo)準(zhǔn)砂，粗骨料選用5～25 mm及25～31.5 mm碎石進(jìn)行搭配，組成5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配碎石。

瀝青選用改性瀝青，油石比為5.2%。粗集料選用3～8 mm、5～10 mm、10～15 mm石灰?guī)r，比例分別為13%、23%和22%。細(xì)集料選用0～5 mm石屑，填料選用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，比例分別為42%和4.8%。

1.1.2 濕鋪高分子卷材

濕鋪高分子卷材是一種復(fù)合型濕鋪?zhàn)哉巢牧?，采用高?qiáng)度的高分子樹脂為胎體，是滌綸樹脂(polyethylene terephthalate，PET)材質(zhì)及交叉膜材質(zhì)的迭代升級(jí)；胎體上下兩側(cè)膠層中加入極具親水性的活性官能團(tuán)羥基(—OH)及羧基(—COOH)等助劑；膠層與胎體之間加入獨(dú)有的胎膠滑移專利技術(shù)，使卷材既拉不斷也拉不薄；兩側(cè)膠層上、下表面分別覆以杜拉纖維增強(qiáng)網(wǎng)和點(diǎn)斷隔離膜。

濕鋪高分子卷材基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 濕鋪高分子卷材基本性能指標(biāo)Table 1 Basic performance index of wet installed high polymer coiled material

1.2 路面結(jié)構(gòu)模型制作

制作水泥混凝土墊塊并養(yǎng)生28 d，水泥基層由兩塊水泥混凝土墊塊組合而成，中間留有0.5 cm縫隙，厚度為8 cm?；跐皲伕叻肿泳聿哪z層親水特性，設(shè)置兩組不同的層間粘結(jié)劑進(jìn)行對(duì)比研究。對(duì)無卷材結(jié)構(gòu)，在水泥基層頂面涂布乳化瀝青。對(duì)卷材結(jié)構(gòu)，一組在水泥基層頂面涂布乳化瀝青(工程常用)，另一組涂布水泥膠漿(本文研究)，隨后鋪設(shè)卷材，靜置12 h后，再分別涂布乳化瀝青和水泥膠漿于卷材上表面。最后制作瀝青面層，將拌和好的瀝青混合料用液壓式輪碾成型機(jī)壓實(shí)，厚度為5 cm。

路面結(jié)構(gòu)模型制作完成后，在水泥基縫隙上方的瀝青面層側(cè)面涂抹石灰，以便肉眼觀察裂縫開展情況。

路面結(jié)構(gòu)模型分組如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)模型分組Table 2 Group of pavement structure model

1.3 試驗(yàn)加載方式

模擬車輛荷載的試驗(yàn)大多數(shù)采用固定點(diǎn)垂直加載，單獨(dú)模擬行車荷載的彎拉或剪切作用，這種加載方式相對(duì)于道路的實(shí)際情況存在不足之處，無法同時(shí)模擬車輪滾動(dòng)引起的剪切和彎拉綜合作用形式[16]。微機(jī)恒溫式車轍試驗(yàn)系統(tǒng)使用滾動(dòng)車輪模擬行車荷載的剪切-彎拉-剪切循環(huán)作用，可避免上述方法的不足，顯著加速路面的開裂，在此情況下研究濕鋪高分子卷材防治反射裂縫的效果更具實(shí)際意義。

啟動(dòng)微機(jī)恒溫式車轍試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)，橡膠輪施加荷載提升至(1.4±0.1) MPa，滾動(dòng)速率為21次/min(往返計(jì)1次)，試驗(yàn)溫度控制在20 ℃左右[17-18]。瀝青面層底部出現(xiàn)寬度不小于0.5 mm裂縫時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)為初裂疲勞加載次數(shù)；瀝青面層出現(xiàn)一條貫穿整個(gè)面層的反射裂縫時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)為終裂疲勞加載次數(shù)[19]。每組模型進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，取每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果[20]。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

在滾動(dòng)疲勞荷載的作用下，分別觀測(cè)各組路面結(jié)構(gòu)模型反射裂縫初裂、擴(kuò)展到1 cm、2 cm、3 cm、4 cm及終裂次數(shù)。滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of rolling fatigue loading test 單位：次

圖2為滾動(dòng)疲勞加載次數(shù)結(jié)果對(duì)比圖。

圖2 滾動(dòng)疲勞加載次數(shù)Fig.2 Rolling fatigue loading times

圖3為滾動(dòng)疲勞加載次數(shù)與裂縫擴(kuò)展關(guān)系圖。

圖3 滾動(dòng)疲勞加載次數(shù)與裂縫擴(kuò)展關(guān)系Fig.3 Relationship between rolling fatigue loading times and crack propagation

模型開裂及裂縫擴(kuò)展情況分析：

1)在剪切-彎拉-剪切循環(huán)作用下，A組模型抗反射開裂性能最差。在加載1.5萬次時(shí)面層層底出現(xiàn)開裂，裂縫基本沿豎直方向擴(kuò)展，但也有一些小裂縫向兩側(cè)斜向擴(kuò)展，裂縫數(shù)量多，裂縫整個(gè)擴(kuò)展過程都較為迅速，加載4.1萬次時(shí)裂縫貫穿整個(gè)面層。

2)在剪切-彎拉-剪切循環(huán)作用下，B組模型在加載2.8萬次時(shí)面層層底出現(xiàn)開裂，并加速向上延伸，但裂縫擴(kuò)展到3 cm刻度后均勻發(fā)展，寬度較細(xì)，加載11.9萬次時(shí)裂縫貫穿整個(gè)面層。對(duì)比A組，B組模型初裂及終裂疲勞加載次數(shù)均大幅增加，增加幅度為87%和190%。由于濕鋪高分子卷材是一種復(fù)合型高分子材料，提供多重抗反射開裂作用。卷材自上而下由杜拉纖維增強(qiáng)網(wǎng)、自粘瀝青膠層I、高分子樹脂胎體和自粘瀝青膠層II組合而成；杜拉纖維增強(qiáng)網(wǎng)起到加筋作用，高分子樹脂胎體起到應(yīng)力吸收作用，胎體兩側(cè)自粘膠層能夠在常溫下與基層和面層良好黏結(jié)，同時(shí)起到應(yīng)力吸收作用；B組模型除裂縫尖端受力外，卷材仍保持著裂縫兩側(cè)面層底面的聯(lián)結(jié)，將應(yīng)力傳遞到兩側(cè)的面層。

3)在剪切-彎拉-剪切循環(huán)作用下，C組模型在加載3.3萬次時(shí)面層底部出現(xiàn)微小裂縫，并緩慢向上延伸，且裂縫寬度較B組模型細(xì)，裂縫擴(kuò)展到2 cm刻度后，擴(kuò)展速度十分緩慢，在加載13.2萬次時(shí)裂縫貫穿整個(gè)面層。對(duì)比B組，C組模型初裂和終裂疲勞加載次數(shù)再次增加18%和11%，說明C組模型抵抗剪切-彎拉-剪切循環(huán)作用效果更優(yōu)，可以看出，卷材膠層與基層和面層的黏結(jié)效果與水泥膠漿水化反應(yīng)密切相關(guān)。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，膠層和水泥顆粒表面形成結(jié)晶并連接成網(wǎng)，膠層和基層以及膠層和面層之間的空隙得到最大限度密封。以水泥膠漿替換乳化瀝青粘層，增強(qiáng)了復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的層間黏結(jié)和卷材兩側(cè)結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)結(jié)，對(duì)裂縫縱、橫向擴(kuò)展都起到顯著的抑制作用。特別是在持續(xù)極限加載階段，較好的結(jié)構(gòu)整體性使得卷材能夠更好地承受持續(xù)超載應(yīng)力作用，有效消除裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到應(yīng)力重新分布的目的，進(jìn)一步提高復(fù)合式路面抗反射開裂性能。

3 鋪筑試驗(yàn)路

基于室內(nèi)滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果，選用濕鋪高分子卷材為層間阻裂材料并選用水泥膠漿為層間粘結(jié)劑，鋪筑復(fù)合式路面試驗(yàn)路進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示。施工流程概述如下：

圖4 試驗(yàn)路鋪筑Fig.4 Paving of test road

1)高壓水槍清洗基層(原水泥混凝土路面)并進(jìn)行拉毛處理，對(duì)裂縫或接縫進(jìn)行處治。

2)配制水、灰、專用膠粉比例為0.4∶1∶0.002的水泥膠漿，涂布于施工基層接、裂縫處，厚度不小于2 mm。

3)在已涂布水泥膠漿的基層接、裂縫處展開濕鋪高分子卷材，同時(shí)一并除去卷材下表面隔離膜，拖抻對(duì)正卷材，趕漿排氣，并確保有連續(xù)的水泥膠漿排出。

4)待濕鋪高分子卷材鋪設(shè)完成12 h后，在卷材上方再次涂布水泥膠漿，并在無卷材基層上灑布乳化瀝青黏層油，進(jìn)行瀝青混凝土面層鋪筑、壓實(shí)。

4 試驗(yàn)路觀測(cè)成果

濕鋪高分子卷材復(fù)合式路面試驗(yàn)路，于2019年8月全線投入運(yùn)營(yíng)，至今已運(yùn)營(yíng)2年多的時(shí)間。經(jīng)多次觀測(cè)與考察，道路全線未出現(xiàn)反射裂縫病害，具有較好的行車使用性能，如圖5所示，可充分驗(yàn)證室內(nèi)滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖5 試驗(yàn)路觀測(cè)成果Fig.5 Observation results of test road

5 結(jié) 論

運(yùn)用微機(jī)恒溫式車轍試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)3種路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)，對(duì)比了有無濕鋪高分子卷材路面結(jié)構(gòu)和以水泥膠漿替換乳化瀝青粘層卷材結(jié)構(gòu)的抗反射開裂性能，并通過鋪筑試驗(yàn)路進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1)相比不加鋪層間阻裂材料，濕鋪高分子卷材通過自身組成材料特性協(xié)助面層受力，上層杜拉纖維增強(qiáng)網(wǎng)起到加筋作用，中間高分子樹脂胎體起到應(yīng)力吸收作用，胎體兩側(cè)自粘膠層在常溫下與基層和面層良好黏結(jié)，同時(shí)起到應(yīng)力吸收作用，有效防治復(fù)合式路面反射裂縫病害。

2)相比使用乳化瀝青，以水泥膠漿為層間粘結(jié)劑，水泥膠漿水化反應(yīng)增強(qiáng)了復(fù)合路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)和卷材兩側(cè)結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，對(duì)裂縫縱、橫向擴(kuò)展起到了顯著的抑制作用，特別是在持續(xù)極限加載階段，較好的結(jié)構(gòu)整體性使得卷材能夠更好地承受持續(xù)超載應(yīng)力作用，有效消除裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到應(yīng)力重新分布的目的，更大程度抵御車輪駛過接、裂縫產(chǎn)生的撓曲和剪切變形，進(jìn)一步提高卷材防治反射裂縫的效果。