基于断裂能的沥青路面应力吸收层抗裂性能试验研究

刘燕燕，凌天清，黄中文

(1.重庆交通大学，土木建筑学院，重庆400074;2.广西壮族自治区公路管理局，广西南宁530028)

半刚性基层由于温缩与干缩效应容易产生收缩裂缝，在重载作用下还容易出现断裂和压碎，这些裂缝往往会反射到薄层沥青路面上形成反射裂缝，反射裂缝的形成会加速沥青路面破坏。目前解决反射裂缝方法有很多，其中铺设应力吸收层是最常用的技术措施之一［1-3］。国内外的相关研究表明，聚酯玻纤布、玻纤格栅、FHGS高强玻纤格栅等形式的连续型应力吸收层，对材料质量要求较高，施工质量很难控制，路面铣刨回收再利用也比较困难，因此在黏结料中加入一些短玻璃纤维成为新的研究方向［4-6］。笔者将纤维加入SBR改性乳化沥青与橡胶沥青中形成的纤维增强乳化沥青碎石封层(简称B封层)与纤维橡胶沥青碎石封层(简称E封层)，将其与普通的SBR改性乳化沥青碎石封层(简称A封层)、橡胶沥青碎石封层(简称D封层)、乳化沥青稀浆封层(简称C封层)进行对比，从断裂能和裂缝动态发展快慢角度评价各种应力吸收层的抗裂性能。

1 试验方案

1.1 试验原理

断裂能是基于断裂力学概念发展而来的一种反映材料抗裂能力和抗冲击能力力学性能指标。根据国际材料和结构实验室联合会(RILEM)定义，断裂能是单位面积裂缝扩展单位长度所做的功，即断裂单位面积上所吸收的外力功，外力在试件上所做的功全部被扩展的裂缝所消耗。采用三点弯曲试验测定带切口梁试件荷载与挠度的关系曲线图，曲线下［7］(图 1)。在距水泥混凝土板预裂缝顶端1，3，5 cm位置黏贴应变片(图2)，同时测定加载过程中应力与应变变化情况，应变突变点处所经历的时间即为裂缝发展到该位置处所用时间。

的面积即为断裂能W0

图1 断裂能计算示意Fig.1 Schematic diagram of fracture energy calculation

图2 试件结构示意Fig.2 Schematic diagram of specimen structure

1.2 试件的成型

试件结构如图3，下部为4 cm的水泥混凝土板，中间预留切口3 cm，模拟底部带裂缝基层，中间1 cm应力吸收层，上部为5 cm的AC-13沥青混合料。

图3 试件加载示意Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

试件成型步骤如下:

1)垫层水泥混凝土板成型:垫层试模尺寸300 cm×300 cm×40 cm，配制强度等级为C30，达到龄期以后将水泥混凝土板切割，中间应预留3 cm左右宽的裂缝，为保证水泥混凝土板中间的裂缝宽度，成型时在端部压入一块宽度3 cm的木板。

2)应力吸收层成型

①将水泥混凝土块放入试模，预裂缝处用胶布封贴，以防封层材料析漏。

②浇注封层材料。其配合比如表1。

表1 封层材料的配合比Table 1 The mix proportion of each seal material

不加纤维的封层材料铺筑方法与常规封层施工方法相同，如果沥青中加入纤维，其步骤如下:将底层沥青涂抹在水泥混凝土板上，沥青用量为整个封层沥青用量的50%，按照既定的纤维长度与纤维用量，将纤维撒布在底层沥青上，尽量使纤维分布方向为二维乱向分布，然后加入剩下的50%沥青。沥青涂抹一定要均匀，尽量将纤维覆盖，不要出现纤维裸露现象。

③撒布封层碎石，粒径5～10 cm，表面覆盖率为70%，人工用橡胶锤锤击，将碎石嵌入封层内，模拟现场施工的胶轮碾压工序。

3)按AC-13沥青混凝土的要求，拌和、摊铺沥青混合料，将沥青混凝土碾压成型。

4)将试件切割成100 cm×100 cm×300 cm试件。在距水泥混凝土板裂缝高1，3，5 cm处贴上应变片。

1.3 试验过程

将试件裂缝处对准加载点中部(图2)，跨距250 mm，将支点对准试件边缘25 cm，保证试验跨中距离，试验加载速度选择为2 mm/min［8］。将应变片接线头用数据线与应变仪采集器相连，同时将一个备用试件也与采集器连接作为温度补偿，试验前打开测试软件，控制应变对应数据通道漂移值在±5 με，然后开始加载，全过程由电脑自动采集读数。

2 试验结果与分析

2.1 三点弯曲试验结果

三点弯曲试验测试A，B，C，D，E等5种封层材料挠度与弯曲力曲线如图4。

图4 A，B，C，D，E 封层挠度-弯曲力曲线Fig.4 Curve of deflection and stress of A，B，C，D，E coat

从图4可以得出 A，B，C，D，E等5种封层材料最大弯曲力，最大挠度以及计算出弯曲断裂能如表2。

表2 各封层材料最大弯曲力、最大挠度及断裂能值Table 2 The maximum bending force，the maximum deflection and bending fracture of each seal material

从图4中可得到以下结论:

1)在5种封层材料中弯曲力最大是铺设C封层以后的沥青混合料，其次为铺设E封层的沥青混合料，再其次为铺设D封层的沥青混合料，然后是铺设B封层的沥青混合料，最小的是铺设A封层的沥青混合料。就其原因是C封层中加入了水泥，水泥水化以后使封层具有了半刚性材料的一些特性，故弯曲力有所提高;橡胶沥青的粘度比破乳以后乳化沥青大，因此对外力的抵抗力有所增加;而在橡胶沥青中加入适量的纤维，纤维与橡胶沥青构成的复合材料体，也一定程度上提高了弯曲力。

2)D封层中加入纤维以后复合断裂能增加了92.8%，A封层中加入纤维以后复合断裂能增加了110%，而由于橡胶沥青与改性乳化沥青相比具有较大的弹性和弹性恢复能力，因此D封层比A封层复合断裂能增加14.6%，E封层比B封层复合断裂能增加4.6%。乳化沥青稀浆封层由于水泥的加入，复合断裂能比不加纤维的A封层和D封层都要大，但是比加入纤维以后的B封层和E封层要小。因此封层材料中纤维的加入对断裂能有很大的提高。

2.2 应变测试结果

铺设A，B，C，D，E这5种封层材料后沥青混合料不同位置处应变与时间关系如图5。

图5 A，B，C，D，E封层不同位置处应变-时间曲线Fig.5 Curves of strain and time at different locations of A，B，C，D，E seal coat

在铺设不同封层材料情况下，裂缝在沥青混合料中开展到1 cm时，时间由长到短依次是:E封层＞C封层＞B封层＞D封层＞A封层，其中B封层比A封层增加了31.3%，E封层比D封层增加了39.2%。裂缝发展到3 cm时的规律与发展到1 cm时的基本相似，但是在D封层中比在C封层所用时间经历的时间稍有延长，证明在裂缝发展的中期铺设橡胶沥青封层的沥青混合料抵抗裂缝的能力比其他材料要强一些，对应力的吸收和应力的分散作用效果明显，这和橡胶沥青自身较高的弹性和弹性恢复能力有很大的关系。裂缝发展到5 cm，在铺设B封层沥青混合料中比铺设D封层沥青混合料中发展缓慢一些，时间长了70.5 s。故纤维在阻止裂缝的发展上有很大的贡献。图14表示出铺设各种封层材料后裂缝在沥青混合料中从1 cm发展到5 cm时所经历的时间。总体来说在封层沥青中加入纤维以后的裂缝发展速度比不加纤维的情况要慢得多，这种时间的延迟在SBR改性乳化沥青里面体现得尤为明显。而裂缝一旦出现在铺设C封层的沥青混合料中，其扩散速度就会很快，阻裂效果不明显。

图6 各封层材料裂缝从1 cm发展到5 cm经历时间Fig.6 Experience time of cracks developed from 1 cm to 5 cm in each seal coat material

3 结论

1)在几种封层材料中弯曲力最大是铺设乳化沥青稀浆封层(C封层)以后的沥青混合料，其次为铺设纤维橡胶沥青碎石封层(E封层)的沥青混合料，再其次为铺设橡胶沥青碎石封层(D封层)的沥青混合料，然后是铺设纤维增强乳化沥青碎石封层(B封层)的沥青混合料，最小的是铺设SBR改性乳化沥青碎石封层(A封层)的沥青混合料。

2)橡胶沥青碎石封层(D封层)中加入纤维以后复合断裂能增加了92.8%，SBR改性乳化沥青碎石封层(A封层)中加入纤维以后复合断裂能增加了110%，使用橡胶沥青的橡胶沥青碎石封层(D封层)比使用SBR改性乳化沥青碎石封层(A封层)的复合断裂能增加14.6%，铺筑纤维橡胶沥青碎石封层(E封层)比纤维增强乳化沥青碎石封层(B封层)的沥青混合料复合断裂能增加4.6%。

3)总体来说在封层材料中加入纤维以后裂缝在混合料中的发展速度比不加纤维的情况要慢得多，封层中使用橡胶沥青比SBR改性乳化沥青阻裂效果明显。裂缝一旦出现在乳化沥青稀浆封层(C封层)中，其扩散速度比其他几种封层快，抗裂效果不明显。

［1］李修磊.复合式路面防裂夹层防反射裂缝的效果评价［D］.重庆:重庆交通大学，2011:8-12.

［2］李伟.纤维增强封层技术在公路沥青路面养护中的应用研究［D］.重庆:重庆交通大学，2011.

［3］李坤.纤维封层力学性能试验研究［D］.大连:大连理工大学，2008.

［4］徐江萍，张磊.水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面防裂措施研究［J］.中外公路，2005，25(3):43-46.Xu Jiangping，Zhang Lei.Study of cement fly ash stabilized crushed stone asphalt pavement crack measures［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2005，25(3):43-46.

［5］蒋应军.半刚性基层预锯缝及铺土工布的路面防裂措施［J］.长安大学学报:自然科学版，2006，36(2):6-9.Jiang Yingjun.Preventing cracks of asphalt pavement based on precutting crack and paving geotextile at semi-rigid yype base［J］.Journal of Chang’An University:Natural Science，2006，36(2):6-9.

［6］Croteam J W，Eng P.A Four-year Performance Review of North A-merican and International Fiber-Reinforced Membrane Systems［R］.Pennsylvania:Interlayer System for Roadway Pennsylvania Transportation Institute，Pennsylvania State University，Park University，2007:400-415.

［7］李清富，张鹏，刘晨辉.聚丙烯纤维半刚性基层抗裂性能研究［M］.郑州:黄河水利出版社，2010.

［8］曹永智，张生坦，孟庆鑫.高强混凝土断裂能加载速率效应研究［J］.建筑材料学报，2010，13(1):90-93.Cao Yongzhi，Zhang Shengtan，Meng Qingxin.Effect of loading rate on fracture energy of high-strength concrete［J］.Journal of Building Marterials，2010，13(1):90-93.