湿铺高分子卷材防治反射裂缝效果研究

毕嘉琪,李 明

(南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421000)

0 引 言

加铺沥青面层是经济有效的旧路修复方式，但易产生反射裂缝，导致加铺后的复合式路面疲劳寿命较短[1-4]。以中国为例，国内已通车的高速公路使用情况调查表明，不论在南方还是北方，反射裂缝通常出现在通车一两年后，并且是导致高等级公路早期损坏的主要原因[5-6]。沥青路面使用寿命偏短，导致公路基础设施频繁地进行大中修，消耗了大量的不可再生资源并造成了环境污染，大大增加了运营期的养护维修费用，更是显著降低了道路的通行能力与路网的通行效率。至此，反射裂缝问题已成为我国公路建设中迫切需要研究解决的课题。

相关研究表明，虽然复合式路面反射裂缝病害不可避免，但可通过加铺层间阻裂材料来延缓反射裂缝的产生及扩展[7-10]。周刚[11]、N.S.Correia和J.G.Zornberg[12]认为土工合成材料的存在会产生横向约束机制，有效防治反射裂缝；而廖卫东[13]、李淑明[14]、S.Fallah[15]认为土工合成材料只一定程度上降低了接缝处的应力集中现象，并不能很好地防治反射裂缝。为突破常用土工合成材料的争论性和局限性，本文选用一种复合型湿铺高分子卷材进行研究，针对其材料组成特性和层间粘结特性设计疲劳试验，分析其防治反射裂缝的效果和应用，为旧路修复工程选用优质层间阻裂材料提供参考。

1 室内试验方案

1.1 试验材料

1.1.1 原材料

水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料选用标准砂，粗骨料选用5～25 mm及25～31.5 mm碎石进行搭配，组成5～31.5 mm的连续级配碎石。

沥青选用改性沥青，油石比为5.2%。粗集料选用3～8 mm、5～10 mm、10～15 mm石灰岩，比例分别为13%、23%和22%。细集料选用0～5 mm石屑，填料选用石灰岩磨细的矿粉，比例分别为42%和4.8%。

1.1.2 湿铺高分子卷材

湿铺高分子卷材是一种复合型湿铺自粘材料，采用高强度的高分子树脂为胎体，是涤纶树脂(polyethylene terephthalate，PET)材质及交叉膜材质的迭代升级；胎体上下两侧胶层中加入极具亲水性的活性官能团羟基(—OH)及羧基(—COOH)等助剂；胶层与胎体之间加入独有的胎胶滑移专利技术，使卷材既拉不断也拉不薄；两侧胶层上、下表面分别覆以杜拉纤维增强网和点断隔离膜。

湿铺高分子卷材基本性能指标如表1所示。

表1 湿铺高分子卷材基本性能指标Table 1 Basic performance index of wet installed high polymer coiled material

1.2 路面结构模型制作

制作水泥混凝土垫块并养生28 d，水泥基层由两块水泥混凝土垫块组合而成，中间留有0.5 cm缝隙，厚度为8 cm。基于湿铺高分子卷材胶层亲水特性，设置两组不同的层间粘结剂进行对比研究。对无卷材结构，在水泥基层顶面涂布乳化沥青。对卷材结构，一组在水泥基层顶面涂布乳化沥青(工程常用)，另一组涂布水泥胶浆(本文研究)，随后铺设卷材，静置12 h后，再分别涂布乳化沥青和水泥胶浆于卷材上表面。最后制作沥青面层，将拌和好的沥青混合料用液压式轮碾成型机压实，厚度为5 cm。

路面结构模型制作完成后，在水泥基缝隙上方的沥青面层侧面涂抹石灰，以便肉眼观察裂缝开展情况。

路面结构模型分组如表2所示。

表2 路面结构模型分组Table 2 Group of pavement structure model

1.3 试验加载方式

模拟车辆荷载的试验大多数采用固定点垂直加载，单独模拟行车荷载的弯拉或剪切作用，这种加载方式相对于道路的实际情况存在不足之处，无法同时模拟车轮滚动引起的剪切和弯拉综合作用形式[16]。微机恒温式车辙试验系统使用滚动车轮模拟行车荷载的剪切-弯拉-剪切循环作用，可避免上述方法的不足，显著加速路面的开裂，在此情况下研究湿铺高分子卷材防治反射裂缝的效果更具实际意义。

启动微机恒温式车辙试验系统进行滚动疲劳加载试验，橡胶轮施加荷载提升至(1.4±0.1) MPa，滚动速率为21次/min(往返计1次)，试验温度控制在20 ℃左右[17-18]。沥青面层底部出现宽度不小于0.5 mm裂缝时所对应的加载次数为初裂疲劳加载次数；沥青面层出现一条贯穿整个面层的反射裂缝时所对应的加载次数为终裂疲劳加载次数[19]。每组模型进行4次平行试验，取每组试验数据平均值为最终试验结果[20]。试验模型如图1所示。

图1 试验模型Fig.1 Test model

2 室内试验结果分析

在滚动疲劳荷载的作用下，分别观测各组路面结构模型反射裂缝初裂、扩展到1 cm、2 cm、3 cm、4 cm及终裂次数。滚动疲劳加载试验数据见表3。

表3 滚动疲劳加载试验数据Table 3 Data of rolling fatigue loading test 单位：次

图2为滚动疲劳加载次数结果对比图。

图2 滚动疲劳加载次数Fig.2 Rolling fatigue loading times

图3为滚动疲劳加载次数与裂缝扩展关系图。

图3 滚动疲劳加载次数与裂缝扩展关系Fig.3 Relationship between rolling fatigue loading times and crack propagation

模型开裂及裂缝扩展情况分析：

1)在剪切-弯拉-剪切循环作用下，A组模型抗反射开裂性能最差。在加载1.5万次时面层层底出现开裂，裂缝基本沿竖直方向扩展，但也有一些小裂缝向两侧斜向扩展，裂缝数量多，裂缝整个扩展过程都较为迅速，加载4.1万次时裂缝贯穿整个面层。

2)在剪切-弯拉-剪切循环作用下，B组模型在加载2.8万次时面层层底出现开裂，并加速向上延伸，但裂缝扩展到3 cm刻度后均匀发展，宽度较细，加载11.9万次时裂缝贯穿整个面层。对比A组，B组模型初裂及终裂疲劳加载次数均大幅增加，增加幅度为87%和190%。由于湿铺高分子卷材是一种复合型高分子材料，提供多重抗反射开裂作用。卷材自上而下由杜拉纤维增强网、自粘沥青胶层I、高分子树脂胎体和自粘沥青胶层II组合而成；杜拉纤维增强网起到加筋作用，高分子树脂胎体起到应力吸收作用，胎体两侧自粘胶层能够在常温下与基层和面层良好黏结，同时起到应力吸收作用；B组模型除裂缝尖端受力外，卷材仍保持着裂缝两侧面层底面的联结，将应力传递到两侧的面层。

3)在剪切-弯拉-剪切循环作用下，C组模型在加载3.3万次时面层底部出现微小裂缝，并缓慢向上延伸，且裂缝宽度较B组模型细，裂缝扩展到2 cm刻度后，扩展速度十分缓慢，在加载13.2万次时裂缝贯穿整个面层。对比B组，C组模型初裂和终裂疲劳加载次数再次增加18%和11%，说明C组模型抵抗剪切-弯拉-剪切循环作用效果更优，可以看出，卷材胶层与基层和面层的黏结效果与水泥胶浆水化反应密切相关。随着水化反应的进行，胶层和水泥颗粒表面形成结晶并连接成网，胶层和基层以及胶层和面层之间的空隙得到最大限度密封。以水泥胶浆替换乳化沥青粘层，增强了复合路面结构的层间黏结和卷材两侧结构的横向联结，对裂缝纵、横向扩展都起到显著的抑制作用。特别是在持续极限加载阶段，较好的结构整体性使得卷材能够更好地承受持续超载应力作用，有效消除裂缝处的应力集中现象，达到应力重新分布的目的，进一步提高复合式路面抗反射开裂性能。

3 铺筑试验路

基于室内滚动疲劳加载试验结果，选用湿铺高分子卷材为层间阻裂材料并选用水泥胶浆为层间粘结剂，铺筑复合式路面试验路进行验证，如图4所示。施工流程概述如下：

图4 试验路铺筑Fig.4 Paving of test road

1)高压水枪清洗基层(原水泥混凝土路面)并进行拉毛处理，对裂缝或接缝进行处治。

2)配制水、灰、专用胶粉比例为0.4∶1∶0.002的水泥胶浆，涂布于施工基层接、裂缝处，厚度不小于2 mm。

3)在已涂布水泥胶浆的基层接、裂缝处展开湿铺高分子卷材，同时一并除去卷材下表面隔离膜，拖抻对正卷材，赶浆排气，并确保有连续的水泥胶浆排出。

4)待湿铺高分子卷材铺设完成12 h后，在卷材上方再次涂布水泥胶浆，并在无卷材基层上洒布乳化沥青黏层油，进行沥青混凝土面层铺筑、压实。

4 试验路观测成果

湿铺高分子卷材复合式路面试验路，于2019年8月全线投入运营，至今已运营2年多的时间。经多次观测与考察，道路全线未出现反射裂缝病害，具有较好的行车使用性能，如图5所示，可充分验证室内滚动疲劳加载试验的数据结果。

图5 试验路观测成果Fig.5 Observation results of test road

5 结 论

运用微机恒温式车辙试验系统对3种路面结构模型进行了滚动疲劳加载试验，对比了有无湿铺高分子卷材路面结构和以水泥胶浆替换乳化沥青粘层卷材结构的抗反射开裂性能，并通过铺筑试验路进行了验证，结论如下：

1)相比不加铺层间阻裂材料，湿铺高分子卷材通过自身组成材料特性协助面层受力，上层杜拉纤维增强网起到加筋作用，中间高分子树脂胎体起到应力吸收作用，胎体两侧自粘胶层在常温下与基层和面层良好黏结，同时起到应力吸收作用，有效防治复合式路面反射裂缝病害。

2)相比使用乳化沥青，以水泥胶浆为层间粘结剂，水泥胶浆水化反应增强了复合路面结构层间黏结和卷材两侧结构联结，对裂缝纵、横向扩展起到了显著的抑制作用，特别是在持续极限加载阶段，较好的结构整体性使得卷材能够更好地承受持续超载应力作用，有效消除裂缝处的应力集中现象，达到应力重新分布的目的，更大程度抵御车轮驶过接、裂缝产生的挠曲和剪切变形，进一步提高卷材防治反射裂缝的效果。