王金國，李文良，王海峰，黃 鑫

（1.寧夏交投工程建設管理有限公司，寧夏 銀川 750011；2.山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006；3.寧夏公路管理中心，寧夏 銀川 750011；4.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750011）

水泥穩(wěn)定級配碎石基層以水泥作為膠結材料，其早期橫向裂縫系由初凝前后干燥失水引起的收縮應變[1]和水化熱產生的熱應變所引起的，之后的荷載疲勞應力、溫度疲勞應力、干濕收縮變形只是加劇了微裂縫的發(fā)展。多年施工實踐表明，水泥穩(wěn)定級配碎石基層完工后約30 d 局部路段會產生橫向裂縫[2]，其早期開裂和反射裂縫早已成為降低我國瀝青路面耐久性的關鍵瓶頸。近年來，路面設計多采用在半剛性基層和瀝青面層間設置熱改性瀝青碎石封層的措施，以起到防止水分滲入基層、改善層間黏結、減緩基層反射裂縫的作用，業(yè)界對碎石封層的研究成果多集中于防水、黏結和抗剪強度研究[3-4]，但碎石封層對于減緩基層反射裂縫的作用并未得到證實。應力吸收層具備優(yōu)良的抗剪切破壞和彈性恢復能力，能夠有效延緩水泥混凝土路面加鋪瀝青層的反射裂縫，在國內多個“白改黑”項目中得到應用。孫雅珍等[5]應用斷裂力學理論對裂縫疲勞擴展壽命的預測分析與復合梁三點彎曲疲勞試驗結果較為一致，認為以應力吸收層替換同等厚度的加鋪層后，可以提高路面結構疲勞壽命。廖衛(wèi)東等[6-7]在室內進行了溫度疲勞足尺試驗，結果表明，STRATA 應力吸收層+瀝青混凝土的路面結構形式可以很好地消解水泥混凝土板塊接縫處的應力集中，并且在實際應用過程中也取得了良好效果。本文通過室內低溫彎曲、四點彎曲疲勞和雙層車轍試驗以及3 種路面結構（STRATA 應力吸收層、碎石封層、不設功能層）的瀝青層底拉應力和彎曲梯度變形計算分析，評價不同功能層對基層反射裂縫的處置性能，并在烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)沙漠段的鋪筑（試驗段）中成功應用。

1 工程概況

我國高速公路大都采用半剛性基層瀝青路面結構，為延緩半剛性基層反射開裂，國內路面結構設計的瀝青層越來越厚。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段全線瀝青路面結構為4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm ATB-25+36 cm 水泥穩(wěn)定碎石+18 cm 水泥穩(wěn)定碎石，為常用的“4+6+8”路面結構，未采用加厚瀝青層的方法來延緩反射裂縫。

烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段約18 km 穿越騰格里沙漠腹地，沙漠段路基結構為80 cm 礫類土+風積沙路基，其他路段路基結構為礫類土。與整體礫類土路基相比，沙漠段路基（80 cm 礫類土+風積沙路基）回彈模量較低（表1），顯然在相同交通荷載下沙漠段路面結構所產生的豎向位移和瀝青層底拉應變比非沙漠段更大。沙漠段晝夜溫差大、極端氣溫條件嚴酷（極端最高氣溫37.6 ℃，極端最低氣溫-29.2 ℃），處于沙漠段的半剛性基層更易開裂、更易引發(fā)反射裂縫，因此對烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段瀝青路面半剛性基層反射裂縫的防治尤為重要。

表1 不同路基結構回彈模量試驗結果

2 研究方法

STRATA 應力吸收層瀝青和細集料含量都比較高，具有變形能力強、抗疲勞性能好的特性，可有效吸收和消散交通荷載及環(huán)境溫度變化所產生的應力、應變。本文在不增加瀝青路面結構層厚度的前提下，通過室內低溫彎曲試驗、四點彎曲疲勞試驗比較STRATA，ATB-25，AC-20 3 種瀝青混合料的低溫變形和抗疲勞性能，通過室內車轍試驗比較同厚度改性AC-13+STRATA，AC-13，ATB-25 3 種路面結構的抗高溫永久變形性能，通過BISAR 3.0 和LTPP（美國聯(lián)邦公路局Turner-Fairbank 公路研究中心LTPP 項目）的路面低溫預估模型進行計算，對比分析STRATA 應力吸收層、碎石封層、不設功能層3種路面結構的瀝青層底拉應力和彎曲梯度變形，評價比較不同功能層處置半剛性基層反射裂縫的力學性能。以上結果為烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)沙漠段應力吸收層處置基層反射裂縫試驗段的鋪筑提供理論依據和試驗支撐。

3 結果與分析

3.1 STRATA 應力吸收層試驗結果及分析

（1）STRATA 應力吸收層用改性瀝青與SBS 改性瀝青主要性能試驗結果如表2 所示。由表2 可知，與普通SBS 改性瀝青相比，STRATA 應力吸收層使用的改性瀝青具有更高的旋轉黏度和低溫延度，特別是具有很大的老化延度和低溫時的延展性。

表2 STRATA 應力吸收層用改性瀝青與SBS 改性瀝青主要性能試驗結果

（2）不同混合料低溫彎曲和四點彎曲疲勞試驗結果如表3 所示。由表3 可知，STRATA 應力吸收層混合料-12 ℃最大彎曲應變、四點彎曲疲勞壽命遠大于改性AC-20、改性ATB-25 混合料，具有良好的低溫變形和抗疲勞性能，可以產生較大的拉伸變形，有效提高了裂縫位置處吸收和消散基層開裂所帶來應力和應變的能力。

表3 不同混合料低溫彎曲和四點彎曲疲勞試驗結果

（3）雖然STRATA 混合料不考慮抗車轍性能，但考慮到其厚度相對較大（2.5 cm），除應具有良好的變形和抗疲勞能力外，還必須具有良好的抗車轍變形能力，因此本文通過雙層車轍試驗驗證其組合結構層抗車轍變形能力。本文選擇3 種結構進行試驗（表4），采用2 次輪碾法成型試件，結構1 采用2.5 cm STRATA 替換結構2 和結構3 中相應厚度和類別的瀝青混合料。

由表4 可知，結構1（改性AC-13+STRATA）與結構2（同厚度改性AC-13）的動穩(wěn)定度試驗結果相近，且均遠高于結構3（同厚度的ATB-25），表明改性AC-13+STRATA 路面結構并沒有顯著降低整體抗車轍能力。由于試驗的路面結構均在60 ℃進行，考慮到實際路面結構應力吸收層所處位置在下面層之下，工作溫度略低于下面層基質瀝青混合料且遠低于中、上面層改性瀝青混合料，因此可以認為，應力STRATA 吸收層足以提供超過基質瀝青混合料的抗車轍變形能力，將其設置于基層上不會降低路面整體抗高溫永久變形能力。

表4 不同結構雙層車轍試驗結果

3.2 基層反射裂縫處置分析

水泥穩(wěn)定級配碎石基層早期已產生橫向裂縫，在車輛荷載、溫度應力、水分變化作用下會產生2 種形式的變形。①彎拉型裂縫（圖1）：在行車荷載作用下，已開裂的水泥穩(wěn)定級配碎石基層裂縫處會產生較大豎向變形或變形差，在瀝青層底產生大的拉應力（拉應變）或剪應力，當基層所產生的拉應力或拉應變超過瀝青面層所能承受的抗拉強度（最大允許拉應變）或抗剪切強度時，瀝青層將被由下而上拉裂，產生橫向裂縫。②拉伸型裂縫（圖2）：冬季或在寒冷地區(qū)，水分變化、溫度變化使得已開裂的水泥穩(wěn)定級配碎石基層產生水平位移、裂縫變寬問題，對應裂縫處層間結合良好的瀝青面層隨之產生了大的拉應力或拉應變，低溫下瀝青層只能承受小的拉應力或拉應變，基層所產生的拉應力或拉應變超過瀝青面層所能承受的抗拉強度或最大允許拉應變時，瀝青層將被由下而上拉裂，產生橫向裂縫。

圖1 彎拉型裂縫

圖2 拉伸型裂縫

在半剛性基層上設置功能層處置反射裂縫的主要方法有透層、下封層、應力吸收層等，這些方法旨在通過提高功能層的抗疲勞性能減緩反射裂縫。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段路面設計文件中，在水泥穩(wěn)定級配碎石基層上設置了熱瀝青碎石封層，本文以STRATA 應力吸收層代替熱瀝青碎石封層，對比分析其對基層反射裂縫的處置能力。

（1）彎拉型基層反射裂縫處置分析。為分析不同功能層在路面結構中減緩基層彎拉型反射裂縫的作用，采用BISAR 3.0 計算瀝青層底拉應力，路面結構及參數如表5 所示。計算模型分為3 種路面結構，結構4 在基層上設置了應力吸收層，結構5 在基層上設置了碎石封層，結構6 則不設置功能層。需要注意的是：瀝青層底拉應力對功能層彈性模量十分敏感，STRATA 應力吸收層材料20 ℃彈性模量采用試驗數據（1 200 MPa）；同步碎石封層厚度薄，且已與瀝青層相互融合為一體，與STRATA 應力吸收層相比，梯度變形能力較弱，嚴格來說只能作為過渡層和隔離層，所以彈性模量延梯度方向取用1 500 MPa。

表5 路面結構及參數

雙圓荷載軸向不同結構瀝青層底拉應力計算結果如圖3 所示。由圖3 可知，基層上設置了碎石封層的結構5 的瀝青層底拉應力低于無功能層的結構6，而基層上設置了應力吸收層的結構4 的瀝青層底拉應力遠低于結構5 和結構6，顯然應力吸收層對于降低路面結構瀝青層底拉應力具有非常好的效果。

圖3 雙圓荷載軸向不同結構瀝青層底拉應力

（2）拉伸型基層反射裂縫處置分析。半剛性基層材料高溫（40～15 ℃）時平均溫縮系數為12×10-6～18×10-6με/℃；低溫時（15～-20 ℃）時平均收縮系數為1×10-6～9×10-6με/℃[8]。烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段基層水泥穩(wěn)定級配碎石水泥劑量為4.5%（P·F 32.5 粉煤灰硅酸鹽水泥），在干燥狀態(tài)下，水泥穩(wěn)定級配碎石材料的溫縮系數比含水狀態(tài)下的數值小一些，烏瑪高速青銅峽至中衛(wèi)段的沙漠段冬季日最低氣溫約-21 ℃，日最高氣溫約-5 ℃，水泥穩(wěn)定級配碎石基層材料的溫縮系數取3×10-6με/℃。

本文使用LTPP 的路面低溫預估模型[9]計算基層頂面溫度：

式中：Tpav為路面結構層內部低溫，℃；Tair為氣溫低溫，℃；Lat為中衛(wèi)地區(qū)緯度，中衛(wèi)地區(qū)取37.51°；H 為路面向下深度，mm；為預測期空氣低溫標準差，℃；Z 為標準正態(tài)分布參數，Z=2.055 時可靠度為98%。

拉伸型裂縫變形系由基層溫度應力變化所致，根據基層頂面日溫度差，取用水泥穩(wěn)定級配碎石基層材料的溫縮系數，使用J.F.Hills 的路面溫度應力計算公式[10]計算基層頂面處的溫度應力：

式中：σ（Tf）為溫度從T0降至Tf時的累積溫度應力，MPa；α（T）為隨溫度T 而變化的溫度收縮系數；E（T）為溫度為T 時的勁度模量，MPa；T0，Tf分別為初始溫度和最終溫度，℃；ΔT 為對變溫過程進行離散時的溫度間隔，℃。

功能層對于半剛性基層裂縫處所產生的應力、應變的緩解作用，關鍵在于將基層所產生的拉應力和拉應變被吸收和分散在較大的面積范圍（圖4）。因此，在基層因溫度變化使得裂縫變寬時，彎曲梯度方向的功能層變形Δs 的大小直接反映了其對基層所產生應力、應變的吸收和消散能力。STRATA 應力吸收層在-12 ℃的彎曲應變試驗結果為11 132 με；碎石封層厚度只有1 cm，與瀝青層已相互融合為一體，石-石接觸結構與STRATA 應力吸收層相比，梯度變形能力較弱，取用ATB-25 最大彎曲應變1 327 με（-12 ℃）的2 倍，計算不同結構彎曲梯度方向基層溫度裂縫收縮加寬時功能層梯度變形（Δs=ydΦ）。不同結構基層溫度收縮裂縫加寬時功能層梯度變形結果如表6 所示。由表6 可知，結構4（在基層上設置了應力吸收層）在基層裂縫加寬時，其功能層彎曲梯度變形遠大于結構5 和結構6，其變形值是結構5（在基層上設置了碎石封層）的6 倍多，顯然在基層上設置應力吸收層對于處置基層拉伸型反射裂縫效果良好。

圖4 梁底拉伸變形Δs

表6 不同結構基層溫度收縮裂縫加寬時功能層梯度變形

4 工程應用實例

基于理論分析和試驗結果的支撐，2021 年6 月27 日，工程人員在烏瑪高速中衛(wèi)至青銅峽方向K161+125—K161+625 段基層頂面應用STRATA 應力吸收層鋪筑了試驗段（圖5），驗證其處置反射裂縫性能。

圖5 STRATA 應力吸收層鋪筑效果

STRATA 應力吸收層混合料為細粒式瀝青混凝土，油石比為10.0%。判斷其油石比是否適宜，長久以來沒有好的辦法。通過鋪筑試驗段發(fā)現(xiàn)，油石比過大會導致碾壓過程中出現(xiàn)內部空氣不能有效排出和受熱膨脹現(xiàn)象，進而在碾壓過程中出現(xiàn)一些氣泡的問題。針對該問題，在施工過程中采取了刺破氣泡釋放的措施。經過研究分析，油石比適宜的STRATA應力吸收層混合料經碾壓后每隔幾米須出現(xiàn)30 cm左右的油斑，如果不出現(xiàn)油斑則表明用油量偏低。因此，以碾壓出現(xiàn)油斑且不出現(xiàn)大量氣泡被試驗段證明為判斷STRATA 應力吸收層混合料油石比是否適宜的標準，這也指導了STRATA 應力吸收層試驗段鋪筑取得了良好效果。

該試驗段于鋪筑后已經歷一寒一暑的車輛荷載作用，至今未在路面表面觀測到基層反射裂縫，但路面應用效果還需長期觀測。

5 結論

（1）與使用同一膠結料的改性AC-20、改性ATB-25 相比，STRATA 應力吸收層混合料具有遠遠超出對比混合料的變形能力和抗疲勞性能，同時不會降低路面結構層整體抗車轍性能。

（2）對不同結構瀝青層底拉應力和彎曲梯度方向的計算分析表明，基層上設置了STRATA 應力吸收層的路面結構相比其他結構具有更低的瀝青層底拉應力和更大的變形能力，可有效處置彎拉型和拉伸型反射裂縫。

（3）與當前普遍使用的碎石封層功能層相比，STRATA 應力吸收層混合料變形能力強、抗疲勞性能好，可有效吸收和消散交通荷載及環(huán)境溫度變化所產生的應力、應變，具備良好的處置基層反射裂縫性能。

（4）基于理論分析和試驗結果的支撐，工程人員在烏瑪高速中衛(wèi)至青銅峽方向K161+125—K161+625段基層頂面使用STRATA 應力吸收層鋪筑了試驗段，經過1 a 的車輛荷載作用，效果良好。