基于力學(xué)性能試驗的不同應(yīng)力吸收層對比分析

張海軍，王力（.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京007；.南京東道路橋工程技術(shù)咨詢有限公司，江蘇南京009）

基于力學(xué)性能試驗的不同應(yīng)力吸收層對比分析

張海軍1，王力2
（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210017；2.南京東道路橋工程技術(shù)咨詢有限公司，江蘇南京210019）

為了研究及評價不同應(yīng)力吸收層的綜合性能，為選擇性能最優(yōu)的應(yīng)力吸收層提供理論依據(jù)，在分析比較國內(nèi)外應(yīng)力吸收層的基礎(chǔ)上，選取5種典型的應(yīng)力吸收層進(jìn)行系統(tǒng)試驗研究。研究對象包括橡膠瀝青、改性乳化瀝青、土工格柵、聚酯玻纖布及Strata應(yīng)力吸收層，對它們分別進(jìn)行拉拔試驗、剪切試驗、低溫小梁彎曲試驗及疲勞試驗，通過拉拔強度、抗剪強度、斷裂能及疲勞壽命等指標(biāo)評價它們的黏結(jié)性能、抗剪性能、低溫性能及疲勞性能。最后綜合力學(xué)性能、施工工藝及成本等因素進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：力學(xué)性能方面，Strata應(yīng)力吸收層最優(yōu)，乳化瀝青下封層最差；施工工藝及造價方面，乳化瀝青下封層最優(yōu)，Strata應(yīng)力吸收層最差；綜合對比來看，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性價比最高。

反射裂縫；應(yīng)力吸收層；力學(xué)性能；試驗研究；性價比

0 引言

眾所周知，應(yīng)力吸收層能有效地預(yù)防半剛性基層反射裂縫病害，提高路面路用性能，延長路面使用壽命[1]，因此廣泛應(yīng)用于瀝青路面銑刨加鋪、新建水穩(wěn)基層和“白改黑”等工程。從最早美國科氏公司提出的Strata應(yīng)力吸收層到隨后的土工格柵、土工布、改性瀝青等，應(yīng)力吸收層已有50多年的發(fā)展歷史[2]，其種類繁多，各有優(yōu)缺點。常用的應(yīng)力吸收層可以劃分為兩大類，即低模量高變形能力應(yīng)力吸收層和高模量高強度應(yīng)力吸收層。低模量高變形能力應(yīng)力吸收層主要指改性瀝青薄膜、改性瀝青砂和細(xì)粒式瀝青混凝土、改性瀝青混合料夾層；高模量高強度應(yīng)力吸收層指聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層、玻纖格柵應(yīng)力吸收層等[3]。目前，國內(nèi)對于應(yīng)力吸收層的研究多集中在工程應(yīng)用、質(zhì)量控制和抗裂等部分力學(xué)性能因素[3-4]，對材料本身力學(xué)性能的研究局限于拉拔、剪切性能，對低溫性能及疲勞性能等其他性能研究甚少；對不同應(yīng)力吸收層性能對比研究不全面，僅局限于技術(shù)性能對比，未能綜合考慮施工工藝及經(jīng)濟(jì)效益等方面[5]。由于對不同種類的應(yīng)力吸收層缺乏定量的認(rèn)知，所以實際工程中多按照經(jīng)驗選用。對于如何選取1種性價比最好的應(yīng)力吸收層缺乏理論依據(jù)，這也是目前亟待解決的問題之一。

本文將基于上述研究現(xiàn)狀，選取國內(nèi)外5種典型的應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行常規(guī)拉拔、剪切試驗外，還將在已有研究基礎(chǔ)上首次提出不同應(yīng)力吸收層低溫性能和疲勞性能的試驗?zāi)Ｐ图把芯糠椒?，并綜合技術(shù)性能、施工工藝和經(jīng)濟(jì)效益等方面展開對比，全面分析各自的優(yōu)缺點及適用情況，提出各應(yīng)力吸收層的應(yīng)用建議，最后比選出1種性價比最高的應(yīng)力吸收層。通過對不同應(yīng)力吸收層的技術(shù)性能、施工工藝和經(jīng)濟(jì)效益的全面對比分析，為實際工程中選擇合適的應(yīng)力吸收層提供理論依據(jù)，提高資源利用效率。

1 試驗方案研究

1.1 應(yīng)力吸收層類型及組成

為保證本研究具有實用價值，選取五種應(yīng)用廣泛且典型的應(yīng)力吸收層作為研究對象，分別為：橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、改性乳化瀝青下封層、土工格柵、聚酯玻纖布及科氏Strata應(yīng)力吸收層[6]。上述5種典型的應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)均采用最佳膠結(jié)料用量、最佳集料用量等，集料均采用句容茅迪公司提供的玄武巖，其各自的組成如下。

（1）橡膠瀝青應(yīng)力吸收層：由橡膠瀝青及集料組成，其中橡膠粉摻量為18%，橡膠瀝青用量為2.6kg/m2左右，集料規(guī)格為9.5～13.2mm，用量為12kg/m2。

（2）乳化瀝青下封層：由乳化瀝青及集料組成，乳化瀝青用量為1.5kg/m2左右，集料規(guī)格為2.36～4.75mm，用量為6m3/1000m2左右。

（3）土工格柵應(yīng)力吸收層：由乳化瀝青、土工格柵及集料組成，乳化瀝青用量約為0.8kg/m2左右，集料規(guī)格為2.36～4.75mm，用量為10kg/m2左右。

（4）聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層：由SBS改性瀝青和聚酯玻纖布組成，瀝青用量為1.0kg/m2左右。

（5）Strata應(yīng)力吸收層：由聚合物改性膠結(jié)料和集料組成，膠結(jié)料PG等級為PG82—28，瀝青用量大約占混合料的8%～10%，集料最大公稱粒徑為4.75mm[6-7]。

1.2 試驗方案及模型設(shè)計

應(yīng)力吸收層的作用主要體現(xiàn)在其對上下層的黏結(jié)力上，因此對其抗拉拔、抗剪切能力有一定要求；此外，其自身的低溫性能要優(yōu)，才能有效地抑制因溫縮裂縫產(chǎn)生的反射裂縫向上發(fā)展；對其的疲勞性能也有要求，這樣才能保證路面的耐久性。因此，對上述五種不同的應(yīng)力吸收層進(jìn)行拉拔試驗、剪切試驗、低溫小梁試驗及疲勞試驗，對比分析其在最佳配合比狀態(tài)下的拉拔強度、剪切強度、低溫性能及疲勞性能，為應(yīng)力吸收層的選取提供依據(jù)。

本文拉拔試驗的模型為圓柱形試件，由瀝青下面層AC-25+應(yīng)力吸收層+水泥穩(wěn)定基層組成，厚度為50mm+20mm+50mm，見圖1（a）；剪切試驗?zāi)Ｐ筒捎玫氖情L方體試件，組成及厚度同拉拔試驗，見圖1（b）；低溫小梁試驗采用的模型為長方體試件，同瀝青混合料小梁試件類似，先成型車轍板，后切割成250mm×35mm×30mm的試件，厚度為35mm，見圖1（c），其中僅聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層采用復(fù)合瀝青混合料模型進(jìn)行小梁彎曲試驗（與疲勞試驗?zāi)Ｐ皖愃疲聦記]有裂縫）；疲勞試驗采用的模型為長方體試件，由瀝青下面層AC-25+應(yīng)力吸收層+瀝青下面層AC-25組成，其中下部的瀝青層中間將切割10mm寬的裂縫，將其視作基層裂縫進(jìn)行模擬[3，7]，見圖1（d）。

圖1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2 試驗結(jié)果分析

2.1 拉拔試驗

拉拔試驗可用于評價應(yīng)力吸收層與下層的黏結(jié)效果，具體通過黏結(jié)強度來體現(xiàn)[7]。本文中的試驗采用便攜式拉拔儀進(jìn)行，拉頭直徑為15cm。試驗前1d將拉拔頭用環(huán)氧樹脂粘牢，至少保持24h，待拉拔頭黏結(jié)牢固，如圖1（a）所示，3個為1組，進(jìn)行拉拔試驗。試驗溫度為30℃，將拉拔速率手動控制在10mm/min，試驗數(shù)據(jù)采用半自動采集，試驗結(jié)果匯總見表1。

表1 不同類型應(yīng)力吸收層拉拔強度值

拉拔試驗結(jié)果表明，5種應(yīng)力吸收層的拉拔強度由高到低依次為：Strata應(yīng)力吸收層>聚酯玻纖布>橡膠瀝青應(yīng)力吸收層>乳化瀝青下封層>土工格柵。應(yīng)力吸收層的層間黏結(jié)效果主要取決于膠結(jié)料和接觸面積，Strata應(yīng)力吸收層采用高強聚合物膠結(jié)料，黏結(jié)效果最優(yōu)，橡膠瀝青次之，土工格柵最差；另外，Strata應(yīng)力吸收層采用級配型集料，黏結(jié)接觸面積大于由某一單粒徑石料組成的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，這也是前者抗拉強度高于后者的原因之一。圖2為各應(yīng)力吸收層拉應(yīng)力與界面位移曲線圖。

圖2 不同應(yīng)力吸收層拉應(yīng)力與位移關(guān)系曲線

由圖2可以看出：Strata應(yīng)力吸收層的抗變形能力最好，破壞時位移達(dá)到了1.7mm，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.44MPa；橡膠瀝青應(yīng)力吸收層最大拉應(yīng)力略小于聚酯玻纖布，但其破壞時的位移達(dá)到1.1mm，超過了后者的0.95mm；而乳化瀝青下封層破壞時位移僅為0.75mm，土工格柵為0.6mm。此外，可以發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青及聚酯玻纖布應(yīng)力吸收層在破壞時應(yīng)力并沒有驟降，而是緩慢下降，這不同于其他類型，這是其材料彈性好、變形能力強所致。

2.2 剪切試驗

應(yīng)力吸收層除需具有良好的黏結(jié)性能外，還應(yīng)具備良好的抗剪切性能，這樣才能抵抗車輛在行駛過程中的水平摩擦力，提高安全性能[3]。

為評價5種典型應(yīng)力吸收層的抗剪切能力，本文對它們進(jìn)行了剪切試驗。試驗溫度為30℃，剪切速率為10mm/min，試件剪切方向著力面與加載方向成一定角度α（45°）。試驗結(jié)果見表2。

表2 不同類型應(yīng)力吸收層剪切強度值

由表2可以看出，5種典型應(yīng)力吸收層的抗剪切強度由高到低為：橡膠瀝青應(yīng)力吸收層>Strata應(yīng)力吸收層>聚酯玻纖布>乳化瀝青下封層>土工格柵。剪切試驗結(jié)果表明，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層和Strata應(yīng)力吸收層具有較高的剪切強度，這是因為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層采用單粒徑石料，骨料與上下層之間嵌擠效果更好，抑制層間相對位移，導(dǎo)致其抗剪切性能強于由級配碎石組成的Strata應(yīng)力吸收層。圖3為各種應(yīng)力吸收層界面位移與剪應(yīng)力間的關(guān)系曲線。

由圖3可以看出，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層最大剪應(yīng)力達(dá)到1.19MPa，破壞時位移達(dá)到5.8mm；而Strata應(yīng)力吸收層最大剪應(yīng)力雖也較高，為1.16MPa，可破壞時位移僅為3.6mm，說明橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗變形能力最強[7]。此外，聚酯玻纖布破壞時變形為3.2mm，乳化瀝青下封層為2.6mm，土工格柵為2.4mm，抗變形能力均較差，遠(yuǎn)不及橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。

圖3 不同應(yīng)力吸收層剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線

2.3 低溫小梁試驗

驗證應(yīng)力吸收層自身的低溫性能至關(guān)重要，因為反射裂縫的產(chǎn)生原因是基層低溫性能不足造成溫縮裂縫，進(jìn)而自下而上傳遞，形成路表反射裂縫。如果應(yīng)力吸收層自身的低溫性能不足，非但不能阻止基層的裂縫上移，反而自身產(chǎn)生溫縮裂縫，并傳遞到路表[9]。本文通過低溫小梁彎曲試驗，對5種典型的應(yīng)力吸收層進(jìn)行試驗，測量它們各自的最大彎拉應(yīng)變及斷裂能等，評價它們的低溫性能。依據(jù)《瀝青混合料彎曲試驗規(guī)范》（T 0715—2011），利用UTM—25進(jìn)行-10℃小梁彎曲試驗[8-9]，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同類型應(yīng)力吸收層低溫小梁試驗結(jié)果

通過表3可以看出，斷裂能由大到小依次是：Strata應(yīng)力吸收層>橡膠瀝青應(yīng)力吸收層>聚酯玻纖布>乳化瀝青下封層>土工格柵。最大彎拉應(yīng)變也是此趨勢。低溫小梁試驗結(jié)果表明，低溫性能最優(yōu)的是Strata應(yīng)力吸收層，原因是其使用的高強聚合物改性瀝青膠結(jié)料低溫性能優(yōu)異，其低溫等級達(dá)到-28℃；橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的低溫性能也較優(yōu)，最大應(yīng)變達(dá)到5 242με，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范對寒冷地區(qū)瀝青混合料低溫性能的要求（2 800με）；土工格柵材料在低溫條件下變得硬而脆，低溫柔韌性最差。

2.4 疲勞試驗

優(yōu)異的應(yīng)力吸收層疲勞性能是路面耐久性的保證，因為其疲勞性能的優(yōu)劣直接決定面層、基層的使用壽命，進(jìn)而對瀝青路面整體的壽命產(chǎn)生巨大影響[10]。下面對5種典型應(yīng)力吸收層的疲勞性能進(jìn)行4點彎曲梁疲勞試驗，分析它們各自的疲勞性能。

試驗過程為先成型300mm×300mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)車轍板，在其上分別成型應(yīng)力吸收層，養(yǎng)護(hù)7d后再成型標(biāo)準(zhǔn)車轍板，養(yǎng)護(hù)1d后從中間切割成380mm×63mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)疲勞梁，并在后成型的車轍板中間切寬10mm、深50mm的縫，用來模擬基層的裂縫[8，11]。每3個試件為1組，試驗溫度為15℃，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（T 0739—2011）進(jìn)行，應(yīng)變水平取400με、500με兩種，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同類型應(yīng)力吸收層疲勞壽命值

由表4可以看出，在同一應(yīng)變水平下，Strata應(yīng)力吸收層疲勞壽命最大，其次為聚酯玻纖布和橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，兩者疲勞壽命相近，之后是土工格柵，最差的是乳化瀝青下封層；隨著應(yīng)變水平的提高，它們的疲勞壽命均有不同程度的下降。

雖然由于疲勞試驗周期較長，數(shù)據(jù)隨機性較大，但是不同應(yīng)變水平下各應(yīng)力吸收層3組試件的疲勞試驗結(jié)果表明，其性能優(yōu)劣排序一致。因此，試驗數(shù)據(jù)可以用來定性評價不同應(yīng)力吸收層的疲勞性能優(yōu)劣，具體排序如下：Strata應(yīng)力吸收層最佳，聚酯玻纖布及橡膠瀝青應(yīng)力吸收層次之，乳化瀝青下封層最差。

2.5 性能排序及成本對比

結(jié)合性能試驗結(jié)果和目前市場成本，對5種典型的應(yīng)力吸收層進(jìn)行綜合評價，結(jié)果如表5所示。

表5 不同應(yīng)力吸收層的綜合性能及成本

從表5可以看出，5種典型應(yīng)力吸收層中，綜合性能最佳的是Strata應(yīng)力吸收層，其次為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，聚酯玻纖布排第3，乳化瀝青下封層及土工格柵綜合性能較差。依據(jù)性能試驗結(jié)果可以看出，Strata應(yīng)力吸收層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層及聚酯玻纖布具有較高的拉拔強度、剪切強度，低溫性能及疲勞性能也較好，而乳化瀝青及土工格柵則較差。此外，從5種典型應(yīng)力吸收層的市場成本來看，Strata應(yīng)力吸收層的成本最高，乳化瀝青下封層的成本最低，其余3種大致處于同一水平，略有不同。因此，在施工建設(shè)成本不高的情況下，建議使用橡膠瀝青應(yīng)力吸收層及聚酯玻纖布；而條件允許時，可以使用Strata應(yīng)力吸收層。

3 結(jié)論

通過對5種典型應(yīng)力吸收層進(jìn)行的綜合性能分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）Strata應(yīng)力吸收層具有最優(yōu)異的拉拔強度、低溫性能及疲勞性能，這與其使用的高品質(zhì)瀝青膠結(jié)料和級配碎石有關(guān)。然而其成本較高，幾乎是其他應(yīng)力吸收層的2倍，建議在經(jīng)濟(jì)條件允許時或?qū)β访娴囊筝^高時采用。

（2）橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗剪強度最好（這與其單粒徑集料有關(guān)），其他性能也較好；聚酯玻纖布的各項性能較優(yōu)，且二者成本相近。所以在使用時視項目具體情況和施工條件而定，對剪切性能要求高的“白改黑”工程或長大縱坡路段推薦采用橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。

（3）乳化瀝青下封層及土工格柵與其他3種應(yīng)力吸收層相比，性能欠佳，建議較少使用，或在低等級道路中使用。

雖然應(yīng)力吸收層的應(yīng)用研究相對成熟，但只有地方性施工技術(shù)指南之類的指導(dǎo)性文件，這對應(yīng)力吸收層的健康發(fā)展極為不利。因此，制訂一套技術(shù)規(guī)范和檢測標(biāo)準(zhǔn)是接下來研究工作的重點。

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Comparative Analysis of Different Stress Absorbing Layers Based on Mechanical Performance Tests

ZHANG Hai-jun1,WANG Li2
(1.JSTI Group,Nanjing 210017,China;2.Nanjing Dongdao Road and Bridge Engineering Technical Consulting Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China)

In order to evaluate the performance of different stress absorbing layers and provide a theoretical basis for the selection of the stress absorbing layer with optimal performance,five typical stress absorbing layers were selected to conduct comprehensive tests,including rubber asphalt,modified emulsified asphalt, geogrid,fiberglass-polyester paving mat and Strata.Comprehensive research content included pull-out test, shear test,bending test of small beam and fatigue test.The indexes of pull strength,shear strength,breaking energy and fatigue life were used to evaluate their bond properties,shear properties,low temperature performance and fatigue performance.Finally,the comprehensive performance of different stress absorbing layers were compared based on the mechanics performance,construction technology and cost.The results show that the mechanical properties of Strata stress absorbing layer is optimal,emulsified asphalt seal coat is the worst; the construction technology and cost of emulsified asphalt are optimal,Strata stress absorbing layer is the worst;the rubber asphalt stress absorbed layer has optimal cost-performance ratio compared with the others.

reflection crack;stress absorbing layer;mechanical properties;experimental research;performance-price ratio

U414.01

A

2095-9931（2015）03-0083-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.015

2015-03-12

張海軍（1985—），男，江蘇南通人，助理工程師，主要從事瀝青路面檢測、咨詢工作。

E-mail：335281953@qq.com。