谈应力吸收材料在道路工程中的应用

陈 凯 彭 瀑

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300457； 2.林同国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

谈应力吸收材料在道路工程中的应用

陈 凯1彭 瀑2

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300457； 2.林同国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

在分析沥青路面半刚性基层常见病害的基础上，从应力吸收材料对延缓反射裂缝的作用原理出发，针对道路工程中使用的土工合成材料、聚合物改性沥青、改性沥青混合料应力吸收材料进行了深入评价和探讨，指出在道路工程中应根据具体情况选取合适的应力吸收材料等。

反射裂缝，土工合成材料，聚合物改性沥青，应力吸收层

1 综述

我国高速公路网规划13.8万km，2013年底通车里程已经达到10.5万km，还有3万km～4万km的在建项目，而且公路建设向“高效、耐久、绿色”方向发展。随着交通量和轴载进一步增大，公路半刚性基层沥青路面出现诸多病害，其中反射裂缝较为常见，钻心取样结果表明裂缝中有超过50%为半刚性基层开裂而导致沥青层开裂的反射裂缝(Reflectic Crack)[1]。

反射裂缝[2]是指已开裂的旧沥青路面或水泥路面内的裂缝在交通荷载和温度荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝。反射裂缝的产生与半刚性基层材料的性质有很大关系，由于半刚性基层材料属于水硬性材料，强度和刚度随着龄期的增长而不断加强，该类材料对温度和湿度变化的高敏感性，导致基层产生干缩和温缩，而下卧层由于摩阻作用抑制其收缩，在该层内部产生拉应力，当拉应力查过基层抗拉强度时则基层发生断裂。

因此防治半刚性基层沥青路面反射裂缝尤为迫切，本文主要针对应力吸收层材料及防治措施进行探讨。道路用应力吸收材料根据材料及功能效果主要分为四大类：1)土工合成材料；2)聚合物改性沥青；3)改性沥青混合料；4)应力吸收复合夹层。

2 应力吸收材料

2.1 土工合成材料

土工合成材料主要有土工布和玻璃纤维土工格栅，两者材料性能不同，表现出的工程特性和延缓反射裂缝效果也有所不同。

土工布具有许多工程特性：1)耐高温性能；2)一定的抗拉强度；3)与沥青吸附性良好；4)耐酸碱性等。道路用玻璃纤维土工格栅被证明是有效防止路面开裂[3]，具有优良的物理化学稳定性和机械性能，具有以下主要特点：1)高拉伸模量、低伸长率、无长期蠕变；2)热稳定性和物理化学稳定性好；3)与沥青混合料相容性良好。玻璃纤维土工格栅的高抗变形能力主要因为玻纤抗拉强度达370 MPa，抗拉模量为106 GPa～118 GPa；断裂延伸率小于4%。玻璃纤维主要成分为SiO2，熔点在1 000 ℃以上，保证了土工格栅在高温摊铺过程中的力学性能。在后期处理工艺中，均涂覆了特殊材料，保证其与沥青混合料的高相容性。同时，施工工艺对保证土工格栅性能发挥也非常重要。

2.2 聚合物改性沥青

目前用于道路应力吸收层的聚合物改性沥青一般为SBS改性沥青以及胶粉改性沥青。这层聚合物沥青层能消散部分因反射裂缝引起的应力集中，同时沥青层良好的回弹能力和防水性对延缓反射裂缝的扩散起到一定作用。

聚合物改性沥青的研发逐渐向“高弹性、高柔韧性、粘结性、不渗透”的特点发展。哈尔滨工业大学研发的高粘改性沥青专门应用于应力吸收层，通过室内试验及试验路铺筑总结出高粘改性沥青结合料中沥青指标与其疲劳性能的关系，采用多种指标进行施工控制(15 ℃，20 ℃针入度、粘韧性及60 ℃粘度)，针对性的解决了面层与基层的粘结，保证了聚合物改性沥青应力吸收层的性能。

长安大学陈拴发教授一直致力于应力吸收层沥青结合料改性方案和应力吸收层材料特性的研究，根据国内外相关工程试验与经验，提出了适用于国内沥青路面的SAMPAVE应力吸收层改性沥青。其应力吸收层聚合物改性沥青先后在山东济聊高速公路、青银高速公路山西段、青兰高速公路延安段等道路中进行了实体工程，归纳出主要沥青指标的控制范围，为今后应力吸收层聚合物改性沥青的加工生产具有重要意义。针对生产高性能的聚合物改性沥青，高中军等人研发了一种SINOTPS的高粘沥青改性剂，仅在室内试验中对比了SINOTPS高粘沥青与应力吸收层沥青材料的主要技术指标，具有一定价值，但在路用性能及实体工程中的效果还需要进一步探究。目前国内逐渐重视胶粉改性沥青的应用，改性效果良好的胶粉沥青仍具有较好的防反射裂缝的效果，同时废旧轮胎的回收利用也体现了路面工程的环保意识。其实早期针对胶粉沥青应力吸收层有一定结论：1)胶粉沥青应力吸收层可以阻止和延缓反射裂缝；2)胶粉沥青应力吸收层可以防治柔性面层上的疲劳裂缝；3)厚度在0.6 cm～1.0 cm的胶粉沥青应力吸收层效果较突出；4)低劲度的胶粉沥青应力吸收层较佳，在21 ℃～24 ℃时，劲度要达到45 MPa～52 MPa。

2.3 沥青混合料

针对预防和延缓反射裂缝的改性沥青混合料是一种特殊的沥青混合料，沥青含量高达9%左右，形成富沥青砂粒式沥青混合料，设置在半刚性(或刚性)基层与沥青面层之间。早在19世纪末，美国科氏(Koch)公司就研发了STRATA应力吸收层技术，其技术特性表现在：1)优良的抗裂缝继续扩展能力；由于该沥青混合料的高弹性聚合物改性沥青和优良的级配组成，使得该吸收层密实、粘结性强，自愈能力强；2)结构密实，有利于避免路面或路基的水损害；3)层间粘结性强，有效的保证沥青面层与基层形成一个整体；4)抗疲劳性能强，一定的模量表现出良好的变形特性和疲劳耐久性；5)施工技术相对简单、成熟，质量易于控制，可利用普通沥青混合料的施工设备；6)便于后期路面养护和再生利用，具有可持续发展的特点。

应力吸收层技术分为Strata系统和Simm系统。

Strata系统专为水泥混凝土加铺沥青层使用。如图1所示Strata系统作用原理及破坏情况与普通罩面的对比，前者有效的将裂缝处的应力集中现象有效的转移，使得裂缝无法继续扩散，应力得到消散，从而延长了路面的使用寿命。

Simm系统专为半刚性基层铺筑沥青层设计。其与Strata系统所用材料及机理相似，不同之处仅表现在沥青层的厚度。Strata系统沥青罩面层最小厚度为6.5 cm，一般为8 cm～12 cm；而Simm系统沥青罩面层最小厚度为13 cm，一般为15 cm～18 cm。

这种改性沥青应力吸收层将基层裂缝处的应力集中分散到较大的面积上，大大延缓基层反射裂缝的扩展，在防治基层反射裂缝、保护基层不受水的侵蚀、提高沥青路面整体质量和使用寿命方面，具有其他材料和结构所无法比拟的优点。

2.4 应力吸收复合夹层

应力吸收复合夹层(ISAC)是一种多重夹层式结构，一般有三层分别为低强度的土工织物、粘弹性膜以及高强土工织物，三者相互协作共同抵御反射裂缝的产生，如图2所示。

底层低强度土工织物通过粘层油与基层连接，当基层材料发生干缩或温缩裂缝时，裂缝会逐渐扩大，此时低强度的土工织物也会产生较大拉伸变形。而夹层的粘弹性膜具有分散基层应力和防水隔离的功能，使得裂缝扩散所产生的应力逐渐消散。传递到上层的应力因高强土工织物的特性而不产生形变，并降低上面层受基层中荷载、温度导致的变形和应力的影响，有效的延缓路面基层的反射裂缝。

应力吸收夹层的效果与其设计参数如厚度、模量、铺设位置等关系密切。相关研究说明，在偏荷载作用下设置复合夹层后，底层剪应力发生了明显改变，与未设置复合夹层相比剪应力减少了近70%；在温度荷载作用下，铺设复合夹层后底部拉应力减小了72%，充分表明符合夹层减缓面层底部的应力集中情况。

研究进一步表明适当增加复合夹层的厚度，底面层底部拉应力减小、剪应力减小；同时其随着符合夹层的模量减小呈减小趋势。因此可以认为，适当厚度且模量较小的符合夹层材料，更具有防治延缓反射裂缝扩展的效果。

3 结语

反射裂缝严重影响路面性能和耐久性，导致路面防水性降低、引起路基过大压应力、增大路面应力和变形及磨耗层沿裂缝的破坏。本文阐述了道路中常用的延缓反射裂缝的技术措施：土工合成材料、聚合物改性沥青、改性沥青混合料、应力吸收复合夹层。各措施具有优良的技术性能，但从工程造价、经济效益及防治反射裂缝的效果不尽相同，需要针对工程的具体情况择优选取。

[1] 郑健龙，周志刚，张起森．高速公路沥青路面设计理论与方法[M]．北京：人民交通出版社，2006.

[2] 廖 丹.半刚性基层沥青路面反射裂缝防治技术研究[D]．北京：北京工业大学，2009.

[3] 闫红民．玻纤格栅在新建沥青路面反射裂缝防治中的应用[J]．中国市政工程，2003(6)：7-9.

[4] 周 燕.SAMPAVE材料性能及其关键评价指标研究[D].西安：长安大学，2010.

On application of stress-absorbed materials in road projects

CHEN Kai1PENG Pu2

(1.TianjinMunicipalEngineeringDesignResearchInstitute,Tianjin300457,China;>2.TYLINInternationalEngineeringConsultancy(China)Co.,Ltd,Chongqing401121,China)

Based on the analysis of the common diseases on the semi-rigid base of asphalt roadbed, the paper firstly introduces the working principle for the stress-absorbed materials on the reflection cracks, has the deep evaluation and exploration for the stress-absorbed materials including the geosynthetic materials, the polymer modified asphalt, and the modified asphalt mixtures in the road projects, and points out the suitable stress-absorbed materials can be adopted in the road projects according to the projects.

reflection crack, geosynthetic material, polymer modified asphalt, stress absorbing layer

1009-6825(2014)11-0160-02

2014-02-08

陈 凯(1987- )，男，硕士，助理工程师; 彭 瀑(1986- )，男，硕士，助理工程师

U416.217

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