沥青路面抗裂材料性能对比试验研究

作者简介：

张红春（1985—），硕士，工程师，主要从事高速公路养护管理工作。

摘要：半刚性路面结构由于其材料特性将不可避免地出现反射裂缝，而采用抗裂材料进行反射裂缝防治是目前最行之有效的手段。为更好地评价抗裂材料性能，文章选取了市面上常用的抗裂贴、土工布和高性能应力吸收膜三种抗裂材料进行室内试验，主要包括拉拔试验、扭剪试验、抗水损试验、疲劳试验以及综合成本比选。结果表明：抗裂材料能够有效增强结构的力学强度、抗水损性能以及疲劳寿命，高性能应力吸收膜增强效果最强，抗裂贴次之，土工布最弱。综合各方面成本比选，抗裂贴是性价比最高的抗裂材料，可大规模推广使用。

关键词：沥青路面;抗裂材料;试验研究

中国分类号：U416.03A090313

0 引言

半刚性路面结构是我国高等级公路最常见的路面结构，通常由半刚性基层与沥青面层构成。半刚性基层采用水泥稳定类材料，可以使得路面结构具备较强的荷载承受能力，能够有效抵抗行车荷载对沥青路面的破坏，起到“强基薄面”的效果[1-2]。但半刚性基层由于材料特性容易产生干缩、温缩裂缝，随着病害逐渐加重将形成反射裂缝，极易影响到路面整体结构的正常使用[3-5]。目前针对反射裂缝的处置手段仍是通过在基层与面层之间设置抗裂层防止反射裂缝扩展，以此延长路面的使用寿命。

现阶段针对抗裂层的研究主要集中在反射裂缝形成机理、施工应用等方面，对材料本身性能的研究较少。因此，本文选取了目前抗裂层应用较多的三种材料，通过不同室内性能试验对比研究材料优劣，为后续抗裂材料的使用提供参考意见。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

本文研究的三种抗裂材料分别为土工布、抗裂贴以及高性能应力吸收膜。其中土工布产自山东德旭达土工材料有限公司，抗裂贴产自山东泰安山一新材料科技有限公司，高性能应力吸收膜产自南京苏伊尔工程材料有限公司。三种抗裂材料的主要物理性能指标如下页表1所示。

1.2 试件制备

本文通过制备“水泥混凝土+抗裂层+沥青混合料”复合结构试件模拟实际路面结构，对抗裂材料进行性能对比试验。复合试件制备过程为：先在5 cm厚的车辙试模中浇筑C40水泥混凝土，标准条件下养护28 d，使其达到规定强度后进行脱模。去除水泥混凝土试件表面浮浆、杂质后及时撒布热沥青（沥青撒布量为1.1～1.2 g/m2）并铺设抗裂材料。铺设完抗裂材料后迅速将试件放入10 cm厚的双层车辙试模当中并加入热拌AC-13沥青混合料碾压成型，将试件脱模后即可得到复合试件。水泥混凝土板以及热拌AC-13沥青混合料的原材料及配合比等要求分别满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关规定。

1.3 试验方法

将复合试件进行钻芯取样后，分别进行抗拉拔试验和扭剪试验以评价抗裂材料的粘结强度和抗剪切性能。参考冻融劈裂试验环境条件处理芯样后，进行抗拉拔试验和扭剪试验以评价抗裂材料的抗水损害性能。将复合试件切割成小梁试件（长、宽、高分别为15 cm、7 cm、8 cm），其中上层沥青混合料层厚5 cm，下层水泥混凝土厚3 cm，并依据试验要求，在中线处预先切割2 mm宽、深度为3 cm的切割裂缝，按照Overlay Tester（独立式沥青罩面层测试系统）操作要求进行试验，以疲劳破坏次数评价抗裂材料的抗疲劳性能。所有试验操作满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关要求。

2 试验结果分析

2.1 拉拔试验和扭剪试验

本文通过粘层油粘结强度试验仪对复合试件芯样进行拉拔试验和扭剪试验，以此评价不同抗裂材料的粘结强度和抗剪切性能，具体试验结果如图1、图2所示。

从图1和图2的数据可以得出，与未添加抗裂材料的复合试件相比，添加抗裂材料的复合试件无论是抗拉强度还是抗剪强度都大幅度增加，这说明抗裂材料的添加对复合试件整体结构之间的粘结以及抗扭剪性能有较大提升。三种添加抗裂材料的复合试件抗拉强度及抗剪强度试验结果保持一致的规律，高性能应力吸收膜的抗拉強度和抗剪强度分别为1.5 [HTSS]MPa和4.2 [HTSS]MPa;抗裂贴的强度较为接近高性能应力吸收膜，分别是其抗拉强度的91%和抗剪强度的92%;土工膜的强度最小，其抗拉强度及抗剪强度仅分别为高性能应力吸收膜的63%和82%。试验结果表明，高性能应力吸收膜的层间粘结性和抗剪切性能最好，抗裂贴次之，土工布最小。造成这一结果主要是由抗裂材料自身材料特性所决定的：土工布是一种透水性土工合成材料，主要是由合成纤维针刺和编制而成，材料本身不含沥青涂层;而高性能应力吸收膜和抗裂贴均含有热涂层沥青，热涂层沥青在受到上层混合料碾压时可进一步提升整体结构的粘结性，进而增加试件的整体强度。

2.2 抗水损试验

为更好地模拟实际水损坏条件对抗裂材料的影响，本文借鉴冻融劈裂试验的环境模拟方法，将复合试件放入-18 ℃的恒温冰箱保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒温水槽中保温24 h，接着在20 ℃的恒温水槽中浸放2 h，最后进行拉拔试验和扭剪试验，通过冻融后抗拉强度和抗剪强度比值评价抗裂材料的抗水损性能。具体结果如图3、图4所示。

从图3和图4的试验结果来看，经过冻融后的抗拉强度和抗剪强度均出现较大程度的衰减。未添加抗裂材料的复合试件经冻融后，其抗拉强度与抗剪强度均下降了66%左右，其强度值低于其他添加抗裂材料的复合试件强度，这说明抗裂材料的添加使得复合试件在水损害条件下仍能具备一定的工作强度。就三种添加抗裂材料的复合试件而言，高性能应力吸收膜强度衰减最小，其抗拉强度和抗剪强度分别降低了40%和25%;其次是抗裂贴的抗拉强度和抗剪强度分别下降45%和34%;强度衰减幅度最大的是土工布，其抗拉强度和抗剪强度分别下降了68%和43%。这说明高性能应力吸收膜的抗水损性能最好，其次是抗裂贴，土工布最差。

2.3 疲劳试验

采用Overlay Tester试验台对复合试件进行疲劳试验。Overlay Tester试验台分为固定板和可移动板两部分，在两块板之间预设2 mm的间隙模拟初始反射裂缝，复合试件水泥混凝土部分也预先切割2 mm的裂缝，将试件对准两块板的裂缝间隙后用环氧树脂粘贴在试验台上。设定试验环境温度为-15 ℃，试验开启后可移动板按周期性应力进行往返运动模拟基层的开裂，记录面层出现疲劳破坏时的次数作为评价抗裂材料抗疲劳性能的依据。具体试验结果如图5所示。

从图5中可以看出，在预留裂缝宽度2 mm的条件下，添加抗裂材料的复合试件的疲劳破坏次数远大于未添加抗裂材料的复合试件，这说明添加抗裂材料能够有效提升结构抗反射裂缝能力，实现结构疲劳寿命的显著提升。就三种添加抗裂材料的复合试件而言，不同抗裂材料的疲劳破坏次数由大到小的顺序为高性能应力吸收膜、抗裂贴、土工布。这主要是因为高性能应力吸收膜和抗裂贴具备良好的柔韧性和延展性，材料本身具备较高的抗拉强度可有效消缓裂缝处出现的应力集中现象，进而延缓裂缝进一步往面层扩展的趋势;而土工布则由于本身材料的抗拉强度不足，对延缓反射裂缝的效果不佳。

3 综合成本比选

目前市面上土工布的采购价格为2～3元/m2，抗裂贴为9元/m2，高性能应力吸收膜为13元/m2。从经济成本角度分析，土工布的单价较低，是最为合适的抗裂材料，但在实际施工应用中，土工布材料厚度较小，在施工过程中不易被拉进满铺，导致其施工性能不佳，进而影响到实际应用效果。就性能表现而言，采用高性能应力吸收膜能使结构具备良好的强度性能以及较好的疲劳寿命，但其经济成本较高，不利于大面积施工应用。综合经济成本、施工性能及性能表现来看，抗裂贴是兼具各方面优势、性价比最高的抗裂材料，可大面积推广使用。

4 结语

（1）与未加铺抗裂材料的复合试件相比，采用抗裂材料能够有效提高复合试件的力学强度性能、抗水损性能及疲劳寿命。

（2）通过对三种添加抗裂材料的复合试件进行性能试验分析，高性能应力吸收膜对复合试件的力学强度、抗水损性能以及[JP+1]疲劳寿命增强效果最强，其次是抗裂貼，土工布改善效果最弱。

（3）综合经济成本、施工性能以及试验性能来看，抗裂贴是性价比最高的抗裂材料，可大规模推广使用。

参考文献：

[1]李汝凯.重载条件下复合式路面防反技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[2]李 靖.西宁至互助公路扩能改造工程关键性技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2018.

[3]吴茂军.高速公路改扩建路面检测评价及裂缝处置技术研究[J].建筑技术开发，2020，47（6）：94-96.

[4]夏 凯，兰布尔.高速公路改扩建施工既有路面病害处治施工技术[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（6）：62-65.

[5]郑茂参，杜鸿儒，李文凯.道路抗裂贴防治反射裂缝性能研究[J].湖南交通科技，2021，47（1）：8-11.

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