基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究

基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究如何防治反射裂缝，使现有道路能够继续承担未来的交通荷载是旧混凝土路面加铺沥青混凝土需要解决的主要问题。目前国内外通常采取的防反裂缝措施主要有增加沥青加铺层厚度、设置土工织物夹层、破碎旧混凝土板以及铺设应力吸收膜和应力吸收层等。设计使用具有抵抗反射裂缝能力的沥青混合料和具有特定防裂功能的应力吸收层，增加沥青加铺层的疲劳寿命，同时防止水的渗透，是解决这一问题的有效方法和根本途径。湖北早期修建的武黄高速公路（70Km）和汉宜高速公路（280Km）为混凝土路面，分别于1990年和1995年全线通车。2001年武黄高速公路开始进行路面加铺改造，并于当年完成了2Km的试验路，2003年10月完成沥青路面加铺工程；2004年3月，根据武黄高速公路的设计、科研成果和使用效果，以及跟踪观测分析结果，汉宜高速公路全线采用应力吸收层系统路面结构进行沥青罩面，2005年12月完成沥青路面加铺工程。本文依托湖北武黄、汉宜共计350Km高速公路旧混凝土路面沥青加铺工程，进行了基于应力吸收层系统加铺结构与其它防裂措施相对比的抗温度型、荷载型反射裂缝的疲劳试验研究和其性能验证研究。期望通过对各种沥青加铺层结构抗反射裂缝能力的评价，为加铺工程优选最佳沥青加铺层结构提供理论依据。1沥青加铺层原材料1.1应力吸收层沥青及混合料性质应力吸收层采用的沥青是美国科氏沥青材料公司提供的STRATA专用聚合物改性沥青，其主要技术指标见表1。Strata应力吸收层混合料性质见表2。STRATA应力吸收层结合料技术指标表1项目针入度/0.1mm15℃延度/cm软化点/℃135℃粘度密度/（g/cm3）弹性恢复/RTFO，25℃指标实测值9311587．52．761．02799%STRATA应力吸收层混合料性质数据表2方孔筛/㎜9.54.752.361.180.60.30.150.075通过率/%10097.670.752.940.324.212.38.5沥青用量/%空隙率/%矿料间隙率/%维姆稳定度小梁疲劳/次8.80.919.220.32000001.2沥青及沥青混凝土温度型、荷载型大型足尺疲劳试验研究选用的沥青均采用兰炼AH-90重交道路石油沥青，利用MTS材料试验系统模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型疲劳试验采用韩国SKAH-90重交道路石油沥青；全厚度车辙试验上面层采用科氏改性沥青PG76，中面层采用科氏改性沥青PG70，调平层采用重交70号沥青；汉堡车辙试验均采用科氏改性沥青PG76；重交沥青、改性沥青其各项主要技术指标均满足有关规范要求。武黄、汉宜高速公路实体工程均采用改性沥青PG70和PG76（但武黄高速公路调平层为AH-70重交沥青）。沥青混凝土级配组成、沥青混凝土各项技术指标以及所使用的砂石料均满足有关规范要求。其中汉堡车辙试验用混合料全部由施工现场获取，与沥青加铺层使用的混合料完全一致。1.3土工合成材料试验研究选用的土工合成材料、有机合成纤维等主要技术指标均满足有关规范要求。2沥青加铺层结构武黄高速公路试验路加铺结构见表3，加铺层总厚度10.5cm。根据原路面的实际状况，武黄、汉宜高速公路的工程加铺结构见表4，加铺层总厚度12.5～16.0cm。试验路加铺层结构表3序号加铺层结构类型（由上到下）14cmSuperpave12.5+4cmSuperpave-19+2.5cmSTRATA应力吸收层2直接加铺：4cmSuperpave12.5+6.5cmSuperpave-1934cmSuperpave12.5+6.5cmSuperpave-19+玻纤格栅（满铺、缝铺）工程加铺层结构表4序号加铺层结构类型（由上到下）14cmSuperpave12.5+6cmAC-20S+2.5cmSTRATA应力吸收层24cmSuperpave12.5+6cmSuperpave-19+2.5cmSTRATA应力吸收层+2.5～4cmAC-10Ⅰ调平层34cmSuperpave12.5+8～9cmSuperpave-19（兼调平层）+2.5cmSTRATA应力吸收层44cmSuperpave12.5+6cmAC-20S+玻纤格栅+2.5cmAC-10Ⅰ调平层+土工布54cmSuperpave12.5+6cmSuperpave-19（兼调平层）+6cmAC-20Ⅰ+土工布（兼调平层）3沥青加铺层结构试验研究3.1荷载型反射裂缝大型疲劳特性研究根据典型的旧水泥混凝土路面沥青加铺层方案，结合武黄高速公路试验路加铺结构，共设计了4种沥青加铺层结构，在西安空军工程学院柔性道面实验室进行了水泥混凝土路面沥青加铺层的荷载型大型反射裂缝疲劳足尺试验研究。在室内理想条件下采用大型反射裂缝疲劳试验台架进行不同加铺层结构的对比试验，模拟偏荷载作用下加铺层结构剪切型反射裂缝产生、发展过程。通过室内试验模拟，检验不同加铺层结构特别是应力吸收层结构的防裂效果。3.1.1试验结构沥青加铺层荷载型大型疲劳试验结构见表5。沥青加铺层荷载型大型疲劳试验结构类型表5序号加铺层路面结构类型（由上到下）试验结构总厚度17cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+水泥混凝土板7cm27cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+玻纤格栅+水泥混凝土板7cm37cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布+水泥混凝土板7cm45cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+2cmSTRATA应力吸收层+水泥混凝土板7cm3.1.2试验设备沥青加铺层反射裂缝大型试验台架如图1～图2所示。疲劳试验中的动态加荷使用脉动疲劳试验机，最大的加载能力为500KN，加载频率为60次/min～540次/min。施加荷载大小可按需要调整，数字显示，加载次数自动显示并记录。疲劳试验机由主机、控制柜和施力锤三部分组成。附属设备有反力架、承载板等。图1试验台平面示意图（单位：cm）图2试验台立面示意图（单位：cm）3.1.3试验结果4种路面结构的偏荷载足尺疲劳试验结果见表6。随着加载次数的增加，承载板附近接缝处开始出现初始裂缝，普通沥青混凝土加铺层AC-16Ⅰ（结构类型1）在4种结构中最早出现裂缝，最终整个加铺层裂缝贯通裂缝宽度最大为3.4mm；沥青混凝土加铺层AC-16Ⅰ+玻纤格栅（结构类型2）终裂时，与结构类型1结构相比，裂缝分布较疏，裂缝最大宽度为1.6mm；而结构类型3（7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布）裂缝分布规律与结构类型2类似，裂缝分布较结构类型1稀疏，且宽度较小，最大裂缝宽度为1.8mm，从初裂次数及终裂次数来看，土工布对防止剪切型反射裂缝的效果并不明显；应力吸收层结构（结构类型4）裂缝分布较疏且细，裂缝宽度也较小，最大为1.2mm，一般多为1mm以下，说明STRATA应力吸收层起到了吸收、减缓应力的作用。4种路面结构的偏荷载足尺疲劳试验结果表6序号加铺层结构类型（由上到下）荷载作用次数初裂次数/万次终裂次数/万次17cm沥青混凝土AC-16Ⅰ10.8612.4327cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+玻纤格栅12.1114.5637cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布11.3613.2545cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+2cmSTRATA应力吸收层12.7415.633.1.4小结从大型疲劳试验结果来看，荷载型反射裂缝从承载板附近开始产生，然后向两侧扩展，沥青加铺层裂缝均集中在混凝土板接缝附近，说明沥青加铺层在接缝处产生应力集中而产生裂缝，并进一步发展导致加铺层断裂。各加铺层抗剪切型反射裂缝能力由高到低依次为：STRATA应力吸收层加铺层结构、玻纤格栅加铺层结构、土工布加铺层结构及普通沥青混凝土加铺层结构。应力吸收层加铺层结构在4种加铺层中抗剪切型反射裂缝的效果最佳。3.2温度型反射裂缝大型疲劳特性研究为了研究基于应力吸收层结构形式的温度疲劳特性，结合武黄高速公路试验路加铺结构，设计了3种沥青加铺层结构，在西安空军工程学院柔性道面实验室进行了水泥混凝土路面沥青加铺层裂缝开展的温度型大型反射裂缝疲劳足尺试验研究。模拟温度作用下加铺层结构温度型反射裂缝产生、发展过程，通过进行对比试验，检验不同加铺层结构特别是应力吸收层结构防反射裂缝的能力。3.2.1试验结构沥青加铺层温度型大型足尺疲劳试验试验结构见表7沥青加铺层温度型大型足尺疲劳试验结构类型表7序号加铺层路面结构类型（由上到下）试验结构总厚度15cmAC-13I沥青混凝土+2cmSTRATA应力吸收层+水泥混凝土板7cm27cmAC-13I沥青混凝土+水泥混凝土板7cm37cmAC-13I沥青混凝土+玻纤格栅+水泥混凝土板7cm3.2.2试验情况及试验条件试验在反射裂缝疲劳试验台架上进行，试验台架由动力系统和实验系统2部分组成，其构造如图3所示。图中A、B两块板是C30水泥混凝土板，其中A板为固定板，B板可沿水平方向作往复移动。两板间的缝隙μ用来模拟水泥混凝土路面的缩缝。试验时，动力系统在B板上施加水平的等幅交变荷载P，使A、B两板间的缝隙按一定的频率和一定的相对位移张开和闭合，以模拟水泥混凝土路面由于温度变化引起伸缩产生的水平相对位移。施加的等幅交变荷载如图4。图3疲劳试验台架示意图（单位：cm）图4等幅交变荷载示意图为模拟一定温度条件下路面结构的工作环境，疲劳试验台备有降温设备。试验时，将其罩在疲劳试验台架上，使路面结构的环境温度降到要求的低温状态，以获取低温条件下沥青混凝土加铺层疲劳特性的数据。试验条件为①疲劳开裂荷载频率：4次/min；②接缝水平位移初始值：1mm；③试验温度：(5)℃。在铺筑好STRATA应力吸收层和玻璃纤维土工格栅防裂层后，在其上面直接加铺总厚度为7cm的沥青混凝土，并与直接在水泥混凝土面板上加铺的沥青混合料进行比较。3.2.3试验结果随着试验的进行，首先在加铺层的某些薄弱部位出现相互独立的裂缝，随疲劳次数的不断增加，最后裂缝相互连接并贯通。为研究裂缝的出现与发展及裂缝的扩展情况，在裂缝出现部位记录对应的加载次数，完全贯通时记录最终加载次数。3种路面结构的足尺疲劳试验结果见表8。3种路面结构的温度足尺疲劳试验结果表8防裂层类型AC-13I沥青混凝土STRATA应力吸收层+AC-13I沥青混凝土玻纤格栅防裂层+AC-13I沥青混凝土加铺厚度/cm7.05.07.0STRATA应力吸收层02.00加载频率/次∙min-14.04.04.0初始水平位移值/mm1.01.01.0疲劳荷载作用次数（5℃）1787886033.2.4小结大型足尺试验研究结果表明：STRATA应力吸收层具有良好的消解水泥混凝土板块接缝处的应力集中现象，可有效地防止水泥混凝土面板由于温缩而引起的加铺层反射裂缝。其良好的弹性和抗疲劳性能可使水平位移在较宽的范围内分散，使裂缝不会很快失稳扩展，延缓裂缝反射的速度。STRATA应力吸收层+沥青混凝土结构形式在抵抗水泥混凝土面板的反射裂缝方面，优于其它2种结构形式。3.3弯拉型和剪切型反射裂缝MTS疲劳模拟验证试验研究由于大型足尺疲劳试验耗费材料多、试验周期长，同时对同一种结构也不可能进行多组平行试验，这就造成试验数据的偏差和试验结果的不稳定性。作为补充和校核，在前面足尺试验的基础上，在长安大学利用MTS材料试验系统模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种受力情况进行抗反射裂缝的疲劳试验。期望通过进一步评价各种结构沥青加铺层抗反射裂缝的能力，为工程优选最佳沥青加铺层结构提供理论依据。3.3.1试验结构结合武黄高速公路、汉宜高速公路实际加铺结构，以及大型足尺疲劳试验结果，试验采用5种不同加铺层结构类型（见表9），并利用MTS材料试验系统模拟旧水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种反射裂缝疲劳开裂方式进行试验研究，并以沥青加铺层反射裂缝随荷载作用次数作为试验评价指标。加铺层反射裂缝MTS疲劳试验结构类型表9序号加铺层路面结构试验类型（由上到下）15cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+5cm水泥混凝土垫块25cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+玻纤格栅+5cm水泥混凝土垫块35cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+土工布+5cm水泥混凝土垫块45cm纤维沥