土工布应力吸收层对沥青路面性能影响试验评价

张海伟,郝培文,张　强,王　春

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安　710064;2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点试验室,陕西 西安　710064)



土工布应力吸收层对沥青路面性能影响试验评价

张海伟1,郝培文2,张强1,王春2

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安710064;2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点试验室,陕西 西安710064)

摘要:为分析铺设土工布应力吸收层对沥青路面性能的影响,保证土工布应力吸收层合理使用,文章采用双层车辙板试件模拟实际路面结构形式,通过直剪试验、车辙试验、半圆弯拉试验、三点弯曲疲劳试验和加压渗水等室内试验,分析了铺设土工布前后复合沥青混合料的路用性能。研究表明:沥青路面中设置土工布应力吸收层后比普通路面结构层间的黏结能力和抗车辙性能均有所降低,但合理选择黏层油洒布量可最大限度地降低其不利影响;含土工布夹层试件低温破坏需要较高的断裂能,土工布应力吸收层对路面结构低温抗裂性能增强作用显著;疲劳回归模型表明土工布应力吸收层可改善路面结构抗疲劳特性,有利于延长路面的使用寿命;同时土工布应力吸收层可有效阻止高压路表水的下渗,大大减少了路面内部的水损害。

关键词:土工布;复合沥青混合料;路用性能;半圆弯拉试验;加压渗水试验

为延缓反射裂缝发展,土工布应力吸收层广泛应用于沥青路面新建工程和旧路加铺工程中,并取得了令人满意的效果[1-2]。目前国内外针对土工布应力吸收层的研究主要集中在试验评价方法、作用机理、防反效果影响因素以及铺设层位选择等方面[3-8]。而针对沥青路面中铺设土工布后,路面的其他性能是否受到影响及其影响程度涉及较少。为更好地认识土工布应力吸收层的作用,本文对铺设土工布沥青路面的使用性能进行全面评价。

本文以铺设土工布应力吸收层的沥青路面结构为依托,室内成型含土工布夹层的复合沥青混合料试件,通过直剪试验、车辙试验、半圆弯拉试验(semi-circular bending test,SCB)、三点弯曲疲劳试验和加压渗水等试验方法,比较了有无土工布应力吸收层时双层沥青混合料结构的层间黏结性能、高温抗车辙性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能和防水性能,分析了铺设土工布对沥青路面使用性能的影响,为土工布应力吸收层后续研究和工程应用提供了依据。

1试验材料与试件制备

1.1材料

复合结构上下层沥青混合料的矿料均采用陕西产石灰岩,矿料级配分别按文献[9]中AC-16型中值和AC-20型中值设计,沥青均为壳牌A-70#沥青,矿料、沥青各项技术指标均符合规范要求。以4.5%作为目标空隙率,按马歇尔法击实成型试件可得上下层沥青混合料最佳油石比分别为4.8%和4.3%,在最佳油石比下混合料马歇尔试验结果见表1所列。

表1　沥青混合料马歇尔试验结果

实验所用土工布为工程中常用的聚酯无纺长丝土工布,其性能参数如下:纵向抗拉强度为9.9 kN/m;单位面积质量为130 g/m2;厚度为1.35 mm;CBR顶破强度为1.5 kN/m;梯形撕裂强度为0.3 kN/m;耐热性为230℃。

SBS改性沥青的性能参数如下:25℃针入度为67.8(单位为0.1 mm);5℃延度为48.7 cm;软化点为92.6℃;沥青旋转薄膜烘箱加热老化后质量损失为0.4%、残留针入度比为77.7%、5℃延度为28.5 cm。以上参数均达到规范要求。

乳化沥青的性能参数如下:筛上剩余量为0.02%;微粒子电荷为+;恩格拉黏度E25为4;蒸发残留物的质量分数为60.3%,25℃针入度为50(单位为0.1 mm),15℃延度大于100 cm。

1.2试件制备

为模拟普通沥青路面结构,采用“沥青下层+黏层油+沥青上层”的组合形式制备复合车辙板。为模拟铺设土工布应力吸收层的沥青路面结构,采用“沥青下层+应力吸收层+沥青上层”的组合形式制备复合车辙板。根据工程应用经验,普通沥青路面结构黏层油通常使用乳化沥青,而土工布应力吸收层使用SBS改性沥青浸渍土工布效果更好,在工程中应用也更为广泛,所以参考组和试验组所有黏层油分别为乳化沥青和SBS改性沥青。根据工程中路面层间乳化沥青黏层油常用洒布量范围,参考组中乳化沥青洒布量设定为0.4 kg/m2,试验组应力吸收层所用SBS改性沥青洒布量为0.3、0.6、0.9、1.2 kg/m2。

结合现场施工工艺,试件成型过程如下:

(1)制作300 mm×300 mm×50 mm的AC-20沥青混合料车辙板[10],模拟路面下层结构。

(2)试验组在AC-20表面均匀涂抹SBS改性沥青,并将裁剪好的土工布平整地铺于试件表面,随后使用轮碾仪对铺设土工布的试件进行碾压,使黏结剂充分渗入土工布形成应力吸收层;参考组在AC-20表面均匀洒布乳化沥青,等其破乳后进行后续操作。

(3)将步骤(2)处理的试件置于300 mm×300 mm×100 mm的车辙模具中,拌和AC-16混合料装入车辙试模,压实至目标空隙率4.5%±0.5%,得到复合混合料车辙板。用于渗水试验试件,上下层混合料均压实至空隙率为7.5%±0.5%。

(4)复合车辙板可直接用于车辙试验和加压渗水试验。对复合车辙板进行钻芯得到高度和直径均为100 mm的圆柱体试件用于直剪试验。将圆柱体试件切割成厚度为50 mm(2层沥青混合料厚度均为25 mm)的半圆柱体，作为SCB试验试件。将复合车辙板切割成250 mm×50 mm×50 mm的棱柱体小梁试件,其中上下层沥青混合料厚度均为25 mm,用于弯曲疲劳试验。

2试验与分析

2.1黏结性能

沥青路面层间黏结性能直接关系到路面结构抵抗推移病害的能力[11],是路面结构性能的一项重要指标,本文采用直剪试验方法测试复合混合料试件层间抗剪强度,以评定土工布应力吸收层对沥青路面层间黏结性能的影响。直剪试验原理如图1所示,试验过程依托MTS疲劳试验机,上下沥青层以1 mm/min的速率发生相对位移,自动记录荷载随加载时间的变化,试验温度设定为25℃。

各类型试件分别进行4次平行抗剪强度试验,抗剪强度的计算公式为:

(1)

其中,τ为试件层间抗剪强度;F为试验过程记录的峰值荷载;D为试件直径。

抗剪强度结果如图2所示。

图2　抗剪强度试验结果

从图2可知,试验组试件所用SBS改性沥青用量为0.3～1.2 kg/m2时,其抗剪强度值为参考组试件的56%～76%。可见与普通沥青路面结构相比,设置土工布应力吸收层后上下沥青层间黏结性能有一定程度的降低。分析其原因主要如下:① 试验组中沥青层间破坏主要是土工布与沥青混合料间的黏结失效,而参考组沥青层间破坏源于上下层混合料的黏结失效,土工布与沥青混合料为不同属性材料,土工布与混合料之间黏结力显然小于混合料与混合料间黏结力;② 下层沥青混合料具有一定的构造深度,参考组中铺设上层混合料时会有部分细集料嵌入下层混合料,层间发生剪切破坏时,细集料的嵌锁作用对抗剪强度有一定的贡献,而试验组中铺设土工布后,其表面较为平展,降低了集料间嵌锁作用的发挥,以致层间的剪切强度有所降低。

从图2还可以看出,试验组中随着黏层油洒布量增加,抗剪强度呈现先增加后降低的变化趋势,表明从黏结性能角度考虑时,应力吸收层黏结剂存在最佳洒布量。洒布量从0.3 kg/m2增加为0.6 kg/m2时,抗剪强度增加较快;洒布量在0.6～0.9 kg/m2时抗剪强度维持在较高水平,变化幅度较小;洒布量从0.9 kg/m2增加到1.2 kg/m2时,抗剪强度迅速下降。这是因为黏结剂较少时,沥青难以完全浸润土工布,仅能实现土工布与下层沥青混合料良好黏结,而土工布与上层沥青混合料间缺少黏结剂,所以试验过程中观察到在该状况下试件的破坏面均出现在土工布与上层混合料之间。当黏层油足够时,土工布与上下层沥青混合料可实现充分黏结,抗剪强度达到较高水平。黏层油用量进一步增加,处于饱和状态的土工布难以再吸收沥青,多余的沥青反而形成润滑层,从而造成抗剪强度的降低。

2.2高温抗车辙性能

为分析铺设土工布应力吸收层对沥青路面结构高温抗车辙性能的影响,参照文献[10]对试验组(SBS改性沥青用量为0.9 kg/m2)和参考组试件分别进行车辙实验。考虑到土工布应力吸收层对路面结构中长期抗车辙性能的影响,本研究将车辙实验延长到3 h,增加轮载作用次数,得到试件车辙深度随轮载次数的变化趋势如图3所示,记录试件在不同加载时间段内的动稳定度值,结果见表2所列。

从图3可看出,在轮载作用初期,2组试件车辙深度均迅速增加,曲线几乎重合,该阶段2组试件变形均为压密变形,抗车辙能力几乎没有差别。随着轮载次数的增加,试件开始产生剪切变形,与第1阶段相比,该阶段内车辙深度增长速率已明显降低,2组试件车辙深度开始产生较大差别,且试验组试件车辙深度更大,表明铺设土工布应力吸收层会降低路面结构的抗车辙能力。由表2的试验结果可知,试验组试件车辙深度在1、2、3 h末分别是参考组试件车辙深度的1.26、1.23、1.26倍,说明2组试件抗车辙性能相对值随加载次数的变化幅度不大。对动稳定度指标进行分析可知,2组试件动稳定度值随着轮载次数的增加均表现出增大的趋势,说明试件车辙变形率越来越小,同时试验组在3个时间段内试件的动稳定度值分别为参考组试件的76%、76%和83%,再次表明铺设土工布应力吸收层会降低路面的抗车辙能力,且2组试件抗车辙能力相对值基本保持稳定。

图3　不同类型路面结构车辙深度随加载次数变化

组别车辙深度/mm1h2h3h动稳定度/(次·mm-1)第1h第2h第3h参考组1#2.1022.7943.2183841477257002#2.0952.7493.1464172520861153#2.2143.0263.462353945325373平均值2.1372.8563.275385148375729试验组4#2.8333.6764.3172625316543755#2.5433.3373.9273316406548866#2.7123.5164.179285137504951平均值2.6963.5104.141293136604737

含土工布应力吸收层试件高温抗车辙性能下降可能是因为土工布应力吸收层使试件内部层间黏结性能降低,改变了结构层间接触条件,进而影响了结构的受力整体性,使得上层沥青混合料中的剪应力大幅增加,导致混合料加速发生剪切破坏[12],车辙深度与参考组相比有所增加。

2.3低温抗裂性能

沥青路面在低温状态下,混合料内部会产生温度应力,导致路面被拉裂。本研究通过SCB试验说明土工布应力吸收层对沥青路面低温抗裂性能的作用,试验过程中混合料和土工布夹层在低温环境下共同承受拉应力,以模拟实际路面中各层材料共同承受温度应力的状态。其试验示意图如图4所示,托轮间距离s=0.8D=8 cm,试验在-10℃下进行,采用位移加载模式,速率[12]为1 mm/min,试验过程中记录荷载-挠度(P-u)变化情况。依据文献[13-14],以断裂能G为指标评价混合料低温抗裂性能,计算公式如下:

(2)

其中,W为仪器加载功,即荷载-挠度(P-u)曲线下方的面积;A为断裂区域的面积,可近似为试件厚度与试件半径的乘积。

图4　SCB试验示意图

试验组和参考组典型P-u曲线如图5所示,每组分别进行3次平行试验,计算得到的断裂能结果见表3所列。

图5　复合混合料SCB试验荷载-位移典型曲线

由图5可知,参考组和试验组低温断裂破坏形式有所不同。参考组表现出脆性破坏特征,荷载加载至峰值前,随位移近似呈线性变化,达到峰值时,试件突然断裂,裂缝瞬时贯穿试件,并伴有一定的声响。试验组低温断裂破坏分为2个阶段。第1阶段中荷载上升时与参考组相似,在荷载达到峰值后虽然也会迅速降低,但维持在较高水平,这是因为试验组中土工布夹层具有较高的断裂延伸率,能够吸收大量的能量,试件在产生裂缝后,裂缝尖端能量得以释放,裂缝并没有贯穿整个试件;试验组试件低温破坏进入第2个阶段后,主要由土工布夹层承担荷载,加载环持续施加荷载,裂缝不断扩展,最终贯穿整个试件。

从表3可以看出,试验组峰值荷载略大于参考组,这是因为土工布夹层承担了一部分拉应力。参考组试件为脆性破坏,其Gf与Gt差别较小,而试验组为两阶段破坏模式,Gf与Gt有较大差别。试验组Gf、Gt比参考组分别提高了25%、68%,表明含土工布夹层结构低温破坏时需要消耗较多的断裂能,尤其是以完全破坏状态下断裂能为评价标准时,土工布对路面低温抗裂性能提升作用更为明显。

表3　复合沥青混合料低温断裂能

注:Wf为荷载加载到峰值时仪器所做功；Wt为试件完全破坏时仪器所做功;Gf为峰值荷载对应断裂能；Gt为试件完全破坏时对应断裂能。

2.4抗疲劳性能

沥青混合料的疲劳性能关系到路面结构的使用年限,目前关于疲劳试验的方法有很多,并无统一规定,主要可分为应力控制模式和应变控制模式[15]。本研究利用MTS疲劳试验机,采用控制应力的中点加载试验来评价土工布应力吸收层对复合结构疲劳性能影响,试验温度为15℃,分别在4种应力水平(0.2σ、0.3σ、0.4σ、0.5σ)下施加频率为10 Hz连续式正弦波荷载，σ为参考组和试验组极限破坏应力平均值,由弯曲试验得到。

在控制应力加载模式下,沥青混合料的疲劳特性表征公式[16]如下:

(3)

对(3)式两边取对数可得:

lg Nf=lg k-n lg σ0

(4)

其中,Nf为疲劳寿命;σ0为施加应力值;k、n为由材料特性决定的回归系数。

在双对数坐标系中对试件的疲劳次数和应力水平进行回归分析,结果如图6所示。由图6可知,参考组与试验组试件疲劳模型的相关系数分别为0.956与0.975,表明该模型拟合度很好,可用于表征复合混合料试件的疲劳特性。由图6可以看出,在相同级别的应力作用下,试验组试件的疲劳寿命大于参考组试件,在0.2σ～0.5σ的应力水平范围内,试验组疲劳寿命可达到参考组的2～3倍,表明铺设土工布后可显著延长路面的使用寿命。通过比较疲劳曲线的斜率可知,参考组的n值大于试验组的,说明参考组疲劳寿命对应力的变化更为敏感,随着应力增加其疲劳寿命降低速率更快,可见土工布还可改善复合混合料对荷载的敏感性。所以沥青路面中铺设土工布应力吸收层后抗疲劳性能得到了显著提升。

图6　2种复合沥青混合料双对数疲劳拟合曲线

2.5密水性能

为研究土工布应力吸收层对沥青路面密水性能的作用,进行加压渗水试验,模拟路表水受车辆行驶过程产生的高压作用进入路面内部的过程。所用仪器为本课题组研制的材料渗透仪[17],由密封板、进气口、带加压筒的压板、夹紧螺栓及底座等组成。为了确保水向下渗,带加压筒的压板上下段都带有O形密封圈,并且需用螺栓将加压板完全夹紧。使用气筒以每2 s 1次的速率通过进气口向加压筒内充气5 min,使加压筒内水(初始水位控制在加压筒高度3/4处)在压力作用下渗入双层车辙板内部。

试验过程中发现，参考组中在上下层混合料四周均有水渗出,而试验组中水仅从上层混合料周围渗出,同时试验结束后对车辙板底部检查可看出,参考组底部出现水珠,而试验组底部保持干燥。以上试验现象说明在压力作用下,水可以通过混合料自身的连通空隙从上层混合料进入下层混合料,但设置土工布夹层后,土工布浸透沥青后在2层混合料间形成了一个密水层,水难以继续向下渗透。

另外,对于普通沥青路面结构,裂缝产生后不仅会破坏路面的整体性,更为严重的是打开了路表水进入路面内部的通道。一旦路表水沿裂缝进入路面基层,在荷载的综合作用下会对基层材料产生冲刷损害,造成基层材料不断松散,进而对面层失去支撑作用,加速了整个路面结构的破坏。但对于加铺土工布应力吸收层的路面结构,当应力吸收层的防反作用失效,路表出现反射裂缝,也难以形成水进入路面内部的贯穿通道。这是因为浸渍沥青的土工布断裂延伸率很大,其防反作用失效时虽然会有较大变形,但并不会发生撕裂破坏[18],仍具有良好密水性,路表水依然会被阻隔在土工布夹层之上,难以对路面下层结构产生冲刷。所以土工布应力吸收层无论处于工作状态还是失效状态，均对沥青路面的密水性具有积极意义,能有效减少路面内部水损害。

3结束语

含土工布夹层沥青路面结构比普通沥青路面结构层间黏结性能有所降低,这是由于土工布应力吸收层材料属性与沥青混合料材料属性不同所引起的,而黏层油的洒布量会显著影响黏结性能,所以合理选择黏层油洒布量对土工布应力吸收层的应用至关重要。同时层间黏结性能降低,对路面结构的整体性会产生不利影响,在轮载作用下,上层混合料中剪应力增加,造成车辙深度增加。土工布应力吸收层加筋作用和应力吸收作用的发挥有助于提升路面结构的低温抗裂性能和抗疲劳性能,进而延长路面的使用寿命,同时应力吸收层因饱含沥青的密水特性,也使得路面内部水损害大大降低。

综合来看,土工布应力吸收层在发挥防反射裂缝功能的同时,对沥青路面其他性能改善作用明显,但对于抗车辙性能要求较高的新建或加铺结构中应慎重使用。

[参考文献]

[1]唐家琪,王豪.路面专用土工布应力吸收夹层材料的应用与实践[J].公路交通科技:应用技术版,2006(7):75-77.

[2]Escobar M P G.Technology of repaving the freeway to Santa Ana using nonwoven paving geotextile[C]//9th International Conference on Geosynthetics,2010:1525-1528.

[3]Gonzalez-Torrea I,Calzada-Perezb M A,Vega-Zamanillo A.Evaluation of reflective cracking in pavements using a new procedure that combine loads with different frequencies[J].Construction and Building Materials,2015,75:368-374.

[4]苗英豪,赵恩强,王书云,等.土工织物延缓沥青路面疲劳型反射裂缝的有限元分析[J].北京工业大学学报,2009,35(6):790-794.

[5]Norambuena-Contrerasa J,Gonzalez-Torrea I.Influence of geosynthetic type on retarding cracking in asphalt pavements[J].Construction and Building Materials,2015,78:421-429.

[6]Khodaii A,Fallah S,Moghadas F.Effects of geosynthetics on reduction of reflection cracking in asphalt overlays[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(1):1-8.

[7]Moussa G K M.The optimum location of geotextile reinforcement in asphalt layers[J].Alexandria Engineering Journal,2003,42(1):103-110.

[8]Correia N S,Zornbberg J G,Bueno B S.Behavior of impregnated paving geotextiles study[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2014,26(11):1-8.

[9]JTG F-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[10]JTG E20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[11]Raposeiras A C,Castro-Fresno D,Vega-Zamanillo A.Test methods and influential factors for analysis of bonding between bituminous pavement layers[J].Construction and Building Materials,2013,43:372-381.

[12]纪小平,郑南翔,李欣.层间接触条件对沥青路面高温性能的影响研究[J].郑州大学学报:工学版,2010,31(2):31-34.

[13]Li X J,Marasteanu M O.Using semicircular bending test to evaluate low temperature fracture resistance for asphalt concrete[J].Experimental Mechanics,2010,50:867-876.

[14]Biligiri K P,Said S,Hakim H.Asphalt mixture’s crack propagation assessment using semicircular bending test[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2012,5(4):209-217.

[15]刘峰,李宇峙,黄云涌.沥青混合料疲劳试验中两种控制模式的选择分析[J].中外公路,2005,25(4):192-195.

[16]李瑞霞,郝培文,王春,等.布敦岩沥青混合料路用性能研究[J].武汉理工大学学报,2011,33(9):50-54.

[17]张娟.水泥混凝土桥面防水粘结层性能研究[D].西安:长安大学,2008.

[18]Zamora-Barraza D,Calzada-Pérez M A,Castro-Fresno D.Evaluation of anti-reflective cracking systems using geosynthetics in the interlayer zone[J].Geotextiles and Geomembranes,2011,29(2):130-136.

(责任编辑闫杏丽)

Experimental evaluation of the influence of geotextile stress absorbing interlayer on asphalt pavement performance

ZHANG Hai-wei1,HAO Pei-wen2,ZHANG Qiang1,WANG Chun2

(1.School of Highway,Chang’an University,Xi’an 710064,China;2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Chang’an University,Xi’an 710064,China)

Abstract:In order to analyze the influence of geotextile stress absorbing interlayer on the performance of asphalt pavement and ensure the rational use of geotextile,a two-layer test piece which represents the pavement structure was prepared in laboratory.Then the performance of specimens with and without geotextile was investigated and compared through direct shear test,wheel-tracking test,semi-circular bending test,three-point bending fatigue test and high pressure water permeability test.The results indicate that the adherence between asphalt layers and the rutting resistance of the double layers structure are reduced when the geotextile stress absorbing interlayer is laid.However,the above disadvantages can be weakened when the dosage of tack coat is reasonable.The low-temperature cracking resistance of the structure is improved significantly and the result of the regression model of fatigue shows that the fatigue resistance of the structure is also improved,thus prolonging the service life of the pavement.Moreover,the water on the surface is hard to enter the pavement even though under high pressure induced by running vehicles due to the function of geotextile interlayer,which greatly reduces the water damage.

Key words:geotextile;composite asphalt mixture;pavement performance;semi-circular bending test;high pressure water permeability test

收稿日期：2015-06-15；修回日期：2015-10-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478046)；长安大学优秀博士学位论文培育资助项目(310821150015)

作者简介：张海伟(1989-),男,河南汤阴人,长安大学博士生;郝培文(1967-),男,内蒙古和林人,博士,长安大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.016

中图分类号:U416.217

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0508-06