適用于重載交通的高抗拉復(fù)合防裂材料研發(fā)*

李汝凱，崔立龍，周 剛，王火明，陳 飛

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 道路與巖土工程分院，重慶 400067； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

適用于重載交通的高抗拉復(fù)合防裂材料研發(fā)*

李汝凱1，崔立龍2，周 剛1，王火明1，陳 飛1

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 道路與巖土工程分院，重慶 400067； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

首先利用MTS疲勞加載試驗(yàn)和滾動荷載疲勞加載試驗(yàn),研究了8種普通防裂材料防治復(fù)合式路面反射裂縫的效果，然后優(yōu)選原材料研發(fā)出一種適用于重載交通條件的高抗拉復(fù)合防裂材料——DGQ材料，并通過室內(nèi)MTS疲勞加載試驗(yàn)對其防反性能和抗老化性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：以終裂疲勞加載次數(shù)為評判指標(biāo)，8種普通防裂材料中鍍鋅鐵網(wǎng)防治反射裂縫的效果最好，HZ/ZD-4型防反技術(shù)次之，而聚酯玻纖布和玻纖格柵防反效果較差；通過鍍鋅鐵網(wǎng)和H型功能材料研發(fā)的DGQ防反性能和抗銹蝕性能十分顯著，可做到常溫施工，性價比高，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

道路工程；復(fù)合式路面；重載交通；防反性能；DGQ防裂材料

0 引 言

近年來，隨著我國交通量的增大和車輛軸載的增加，“水泥基層+瀝青面層”的耐久性復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)逐步得到推廣應(yīng)用[1-4]。雖然復(fù)合式路面具有結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)、路面平整度高、噪音低、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，但其反射裂縫問題突出[5-7]。反射裂縫本身并不可怕，但雨水或其他腐蝕物可通過反射裂縫滲入基層或路基土，使路基路面進(jìn)一步產(chǎn)生唧泥、脫空等致命性損壞，嚴(yán)重影響了路面的使用壽命和行車舒適性。針對路面反射裂縫問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，主要集中在加鋪防裂材料和應(yīng)力吸收材料：凌天清等[8]采用車轍試驗(yàn)儀探索研究了土工格柵、經(jīng)編格柵、聚酯玻纖布、FHGS材料對路面反射裂縫的防治效果，該研究指出，F(xiàn)HGS和經(jīng)編格柵材料防裂性能相對較好且效果相當(dāng)，明顯優(yōu)于其它兩種防裂材料；周富杰等[9-10]通過室內(nèi)足尺疲勞加載試驗(yàn)研究了金屬網(wǎng)格、APP防水卷材、土工格柵等材料防治路面反射裂縫的性能，結(jié)果表明，金屬網(wǎng)格防裂效果最好，但其防銹蝕性能較差，耐久性能得不到保障；楊斌等[11]利用MTS材料試驗(yàn)機(jī)研究了玻纖格柵和土工布在白改黑路面加鋪工程中的防裂效果，該研究指出，玻纖格柵的防反性能優(yōu)于土工布；李文輝[12-13]采用室內(nèi)MTS疲勞加載試驗(yàn)和滾動荷載疲勞試驗(yàn)研究了經(jīng)編復(fù)合聚酯防裂布防治新建復(fù)合式路面反射裂縫的性能，結(jié)果表明，三經(jīng)三維經(jīng)編復(fù)合聚酯防裂布防反性能較好，同時兼顧了玻纖格柵和聚酯玻纖布的優(yōu)良防反性能。

從上述研究結(jié)果可以看出：現(xiàn)階段用于復(fù)合式路面的防反措施，大都沿用防治半剛性基層瀝青路面的防反技術(shù)，目前國內(nèi)尚未專門針對剛?cè)釓?fù)合式路面開展專題性防反技術(shù)研究，更沒有專門用于復(fù)合式路面的防反材料。鑒于此，筆者將針對重載條件下復(fù)合式路面防反問題，首先探索研究8種普通防裂材料防治復(fù)合式路面反射裂縫的性能，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析；其次，優(yōu)選原材料，自主研發(fā)一種適用于重載交通條件的高抗拉復(fù)合防裂材料；最后，對防裂新材料的防反性能和耐銹蝕性能進(jìn)行研究，并尋求實(shí)現(xiàn)常溫施工的施工工藝。

1 試驗(yàn)方案及加載方式

1.1 試驗(yàn)原材料

面層采用5 cm 厚的AC-16密級配瀝青混合料，瀝青采用PG82高黏度改性瀝青，油石比為4.7%；集料采用石灰?guī)r，礦粉由同批次石灰?guī)r磨制而成；瀝青、集料和礦粉的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本研究瀝青混合料所選級配如表1。

表1 AC-16瀝青混合料級配組成

基層采用5 cm厚的C40水泥混凝土板，集料采用石灰?guī)r，最大公稱粒徑為16 cm；水泥采用P.Ⅱ42.5普通硅酸鹽水泥，水為生活用水，原材料質(zhì)量均滿足規(guī)范要求。水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2。

表2 C40水泥混凝土配合比

1.2 加載方式

選取MTS疲勞加載試驗(yàn)和車轍儀滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)。MTS分為間接剪切試驗(yàn)和間接彎拉試驗(yàn)，分別模擬路面在彎拉作用與剪切作用下的破壞形式；滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)可模擬路面在持續(xù)加載過程的破壞形式，與實(shí)際路面受力方式更為吻合。

1.2.1 MTS疲勞加載試驗(yàn)

加載設(shè)備為810型MTS試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)力控制模式，施加頻率為10 Hz的正弦波，加載壓強(qiáng)介于0.7～2.1 MPa，試驗(yàn)溫度控制在23 ℃±2 ℃；加載模型如圖1，圖2。

圖1 間接彎拉試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 1 Model of indirect bend-pull test

圖2 MTS間接剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 2 Model of indirect shearing test

1.2.2 滾動荷載疲勞試驗(yàn)

加載設(shè)備采用車轍試驗(yàn)機(jī)，加載壓強(qiáng)控制在1.4 MPa±0.1 MPa，加載頻率為21次/min，試驗(yàn)溫度為23 ℃±2 ℃，試件尺寸為14.5 cm×5 cm×5 cm；具體試驗(yàn)加載模型見圖3。 由于滾動荷載試驗(yàn)加載時間過長，此處僅研究了道路抗裂貼YN-50 kN、經(jīng)編復(fù)合聚酯玻纖防裂布、HZ/ZD-4型防反體系、SBS防水卷材和鍍鋅鐵網(wǎng)5種防裂材料的防反性能。

圖3 滾動荷載疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 3 Model of rolling load fatigue test

初裂疲勞加載次數(shù)是指試件面層側(cè)面產(chǎn)生的裂縫長度達(dá)到5 mm且寬度不小于0.5 mm時所對應(yīng)的加載次數(shù)；終裂疲勞加載次數(shù)是指裂縫產(chǎn)生后至少有一條裂縫擴(kuò)展至面層頂部時所對應(yīng)的加載次數(shù)；而將兩者之間的加載次數(shù)定義為初裂-終裂疲勞加載次數(shù)。

1.3 實(shí)施方案

2 普通防裂材料防反性能研究

2.1 普通防裂材料及其技術(shù)指標(biāo)

本研究選取8種普通防裂材料，名稱及其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表4。HZ/ZD-4型防反技術(shù)是一種新型的防反體系，由YHYD，YHYF，YHYG和YHY 4種功能材料構(gòu)成，既能防治反射裂縫，又能防止雨水滲漏。鍍鋅鐵網(wǎng)則是將網(wǎng)眼狀鐵絲浸在鋅液中，在鐵絲網(wǎng)表面鍍一層金屬鋅，起到防老化和抗銹蝕的作用。

在防反機(jī)理方面，玻纖格柵側(cè)重于模擬中等加筋作用防治路面反射裂縫，鍍鋅鐵網(wǎng)側(cè)重于模擬強(qiáng)加筋作用，SBS防水卷材和聚酯玻纖布側(cè)重于模擬應(yīng)力吸收作用；而HZ/ZD-4型防反體系、經(jīng)編復(fù)合聚酯玻纖防裂布、道路抗裂貼重在模擬“加筋+應(yīng)力吸收”雙重作用防治路面反射裂縫的性能。

2.2 疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4和圖5分別是MTS間接彎拉和間接剪切作用下的試驗(yàn)結(jié)果，圖6是滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 間接彎拉作用下疲勞加載次數(shù)Fig. 4 Fatigue loading times in indirect bend-pull test

圖5 間接剪切作用下疲勞加載次數(shù)Fig. 5 Fatigue loading times in indirect shear test

從圖中可以看出：

1)在復(fù)合式路面界面層加鋪防裂材料能大幅提高路面結(jié)構(gòu)的防反性能。以MTS終裂疲勞加載次數(shù)為評判標(biāo)準(zhǔn)，與未加鋪防裂材料相比，加鋪玻纖格柵、鍍鋅鐵網(wǎng)等8種防裂材料時，在間接剪切作用下終裂疲勞加載次數(shù)分別提高了26%、66%、109%、270%、93%、147%、197%和643%；在MTS間接彎拉試驗(yàn)和滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)中可得出同樣的結(jié)論。這是因?yàn)椋杭愉亴娱g防裂材料都能起到加筋或消散應(yīng)力的作用，有些防反技術(shù)還是兩者的有機(jī)結(jié)合，不僅可限制裂縫處位移的進(jìn)步擴(kuò)展，還能削減裂縫處的應(yīng)力集中程度。

2)相比彎拉作用，復(fù)合式路面在剪切作用下更容易產(chǎn)生破壞。從圖4和5可以看出，在間接彎拉作用下，各防裂材料終裂疲勞加載次數(shù)基本達(dá)到15萬次，而在間接剪切作用下各材料終裂疲勞加載次數(shù)基本都沒達(dá)到2萬次，同一評判標(biāo)準(zhǔn)在兩種不同作用下試驗(yàn)結(jié)果相差懸殊。

3)在8種普通防裂材料中，鍍鋅鐵網(wǎng)的防反性能最好，在初裂、初裂-終裂、終裂階段均能提高復(fù)合式路面的防反性能，且在各階段的防反性能遠(yuǎn)好于其他7種防裂材料。破壞試件裂縫發(fā)展形態(tài)表明，加鋪鍍鋅鐵網(wǎng)后反射裂縫的發(fā)展形態(tài)以龜裂為主，裂縫呈均勻網(wǎng)狀分布，在整個受力區(qū)域橫縱微裂縫較多，試件破壞后找不到一條明顯的主裂縫。這主要是因?yàn)殄冧\鐵網(wǎng)采用強(qiáng)加筋作用防治路面反射裂縫，其極限抗拉強(qiáng)度高達(dá)100 kN/m，抗拉效果好；而延伸率不足1.5%，最大程度上限制了裂縫的進(jìn)步擴(kuò)展。

4)綜合考慮MTS疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果和滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果，以終裂疲勞加載次數(shù)為評判標(biāo)準(zhǔn)，8種防裂材料防反性能從小到大依次是：玻纖格柵<聚酯玻纖布<經(jīng)編復(fù)合聚酯防裂布

雖然鍍鋅鐵網(wǎng)通過表面鍍鋅措施對其防銹蝕性能和抗老化性能進(jìn)行了改進(jìn)，但其耐銹蝕性能很難得到長期保障，不建議單獨(dú)采用鍍鋅鐵網(wǎng)作為重載條件復(fù)合式路面的防裂加鋪材料，需進(jìn)一步改進(jìn)，提高長期耐銹蝕性能。

3 DGQ材料制備及其防反性能研究

3.1 DGQ材料制備及其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

DGQ防裂材料由鍍鋅鐵網(wǎng)和H型材料(一種功能型應(yīng)力吸收材料)復(fù)配而成，具體復(fù)配過程如下所示：在自制3 mm厚成型模具內(nèi)表面涂刷油分隔離劑→將鍍鋅鐵網(wǎng)放在模具卡槽內(nèi)→灌入H型材料→靜置4 h脫模即可。DGQ結(jié)構(gòu)模型如圖7，數(shù)字1表示H型材料，數(shù)字2表示鍍鋅鐵網(wǎng)；室內(nèi)合成的DGQ材料見圖8。

圖7 DGQ材料結(jié)構(gòu)示意Fig. 7 Structure schematic of DGQ material

圖8 DGQ材料Fig. 8 DGQ material

由圖8可知：由鍍鋅鐵網(wǎng)和H型材料復(fù)合而成的DGQ材料在常溫下呈固體狀態(tài)，柔韌度及協(xié)調(diào)變形性能好，可自由彎曲或?qū)φ?；耐高溫性能好，?30 ℃時不產(chǎn)生變形和熔融破壞，而且將水或有害液體侵蝕物倒在DGQ材料上不會產(chǎn)生滲漏；其技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 DGQ材料關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

3.2 MTS疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果與分析

對DGQ材料的防反性能和抗銹蝕性能進(jìn)行研究，為了增加試驗(yàn)的說服力，選取鍍鋅鐵網(wǎng)為對照組材料。防裂材料的抗銹蝕性能通過加速腐蝕老化試驗(yàn)驗(yàn)證，老化步驟為：將樣品材料放在陰暗潮濕的泥土或沙土環(huán)境中，每隔兩天定期灑水，老化時間分別為2個月和6個月，將老化前后的鍍鋅鐵網(wǎng)和DGQ材料裁成平面尺寸為300 mm×300 mm的層間加鋪材料，成型試件，通過MTS疲勞加載試驗(yàn)研究其防反性能，加載方案如表6；為了便于表示，將各方案分別記為A，B，C，D，E，F(xiàn)。

本試驗(yàn)還采用了聚氨酯膠黏劑作為層間黏結(jié)材料，實(shí)現(xiàn)了DGQ的常溫施工，甚至可在低溫(-5 ℃)下施工。聚氨酯膠黏劑由M，N兩組分常溫拌和而成，摻配比例為100∶85，在25 ℃常溫下呈液體狀態(tài)；M為膠黏劑，組分為聚醚多元醇；N為固化劑，組分為聚合物MDI，將該實(shí)驗(yàn)方案記為G。

表6 MTS疲勞加載試驗(yàn)方案

圖9 耐老化性能試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 Test results of anti-aging property

從圖9試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1)鍍鋅鐵網(wǎng)具有一定的防銹蝕和耐老化性能，但不適于直接用作防裂材料。在間接彎拉作用下，與A組相比，老化2個月和6個月后鍍鋅鐵網(wǎng)的防反性能分別下降了7%和20%；在間接剪切作用下，與A組相比，老化2個月和6個月后防反性能分別下降了6%和23%。這也驗(yàn)證了鍍鋅鐵網(wǎng)并不適合直接用于復(fù)合式路面的防裂加鋪材料，畢竟其防銹蝕性能得不到長期保障。

2)DGQ材料防反性能顯著且優(yōu)于鍍鋅鐵網(wǎng)，防銹蝕和耐老化性能良好，建議用于重載條件下復(fù)合式路面的層間加鋪材料。間接彎拉作用下，與D組相比，老化2個月和6個月后DGQ材料的防反性能僅下降了3%和6%；在間接剪切作用下，與D組相比，老化2個月和6個月后其防反性能僅分別下降了4%和5%，因?yàn)榘谕獠康腍型材料將鍍鋅鐵網(wǎng)與外界環(huán)境隔離開來，保證鍍鋅鐵網(wǎng)在長期使用環(huán)境中不被銹蝕。

3)DGQ材料老化前后的防反性能均十分顯著，其防裂機(jī)理可概括為以下兩點(diǎn)：① 橋聯(lián)高強(qiáng)加筋作用。DGQ材料的防反性能主要通過鍍鋅鐵網(wǎng)這種強(qiáng)加筋材料提供，在裂縫擴(kuò)展過程中的應(yīng)變能大部分被鍍鋅鐵網(wǎng)消散。② 消能緩沖作用。DGQ材料中的H型材料具有一定的彈塑性變形性能和應(yīng)力吸收功能，也能消散部分應(yīng)變能。

4)從D和G兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)采用聚氨酯膠黏劑作為層間黏結(jié)材料時，DGQ可實(shí)現(xiàn)常溫施工，且防反性能與層間選用PG82高黏改性瀝青時基本相同。與采用PG82高黏改性瀝青作為黏結(jié)材料相比，當(dāng)選用聚氨酯膠黏劑時，間接彎拉和間接剪切作用下終裂疲勞加載次數(shù)分別下降了2%和4%。主要是因?yàn)閮煞N層間黏結(jié)材料的用量不同，聚氨酯膠黏劑用量僅為PG82改性瀝青的47%，因?yàn)橥坎继嗄z黏劑容易產(chǎn)生流淌，造成不必要的浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

研究了鍍鋅鐵網(wǎng)、道路抗裂貼等8種普通放裂材料的防反性能，并通過鍍鋅鐵網(wǎng)和H型材料研發(fā)出一種適用于重載交通條件的高抗拉復(fù)合防裂材料——DGQ材料，并對其防反性能、抗銹蝕和耐老化性能進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，概括如下：

1)綜合考慮MTS疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果和滾動荷載疲勞加載試驗(yàn)結(jié)果，以終裂疲勞加載次數(shù)為評判標(biāo)準(zhǔn)，8種防裂材料防反性能從小到大依次是：玻纖格柵<聚酯玻纖布<經(jīng)編復(fù)合聚酯防裂布

2)由鍍鋅鐵網(wǎng)和H型材料復(fù)合而成的DGQ材料常溫下呈固體狀態(tài)，柔韌度及協(xié)調(diào)變形性能好，可自由彎曲或?qū)φ?；耐高溫性能好，?30 ℃時不產(chǎn)生變形和熔融破壞，而且將水或有害液體侵蝕物倒在DGQ材料上不會產(chǎn)生滲漏。

3)DGQ材料老化前后的防反性能顯著且優(yōu)于鍍鋅鐵網(wǎng)，防銹蝕和耐老化性能良好；其中防反性能主要由鍍鋅鐵網(wǎng)提供，雖然H型材料也能消散部分應(yīng)變能，但H型材料最主要的作用是將鍍鋅鐵網(wǎng)與外界環(huán)境隔離開來，保證內(nèi)部的強(qiáng)加筋材料在長期使用環(huán)境中不被銹蝕，起到抗銹蝕雙重保護(hù)作用。

4)DGQ材料施工方便，當(dāng)采用聚氨酯膠黏劑作為層間黏結(jié)材料時可實(shí)現(xiàn)常溫和低溫施工，建議將DGQ材料用于解決重載交通下復(fù)合式路面的反射裂縫問題。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Research and Development of High-Tensile Composite Materials with Cracking Resistance Performance under Heavy Load Conditions

LI Rukai1，CUI Lilong2，ZHOU Gang1，WANG Huoming1，CHEN Fei1

(1. Roads and Geotechnical Engineering Branch, China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute, Chongqing 400067, P. R. China； 2. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

MTS fatigue loading test and rolling load fatigue loading test were used to evaluate the effect of 8 ordinary anti-cracking materials on the prevention and cure of reflective cracks of composite pavements. And then the best raw materials were selected to develop a new compound material DGQ, which was a kind of high-tensile composite material with cracking resistance performance under heavy load conditions. And its reflective resistance performance and anti-aging performance were verified through indoor MTS fatigue loading test. The results show that：taking final crack loading times as the evaluation criteria, galvanized iron mesh is the material with the best prevention and cure performance of reflective cracks in 8 materials; HZ/ZD-4 is secondary; and fiberglass-polyester cloth and fiberglass geogrid are less effective. The reflective cracking resistance performance and anti-corrosion property of DGQ material developed by galvanized iron mesh and H-typed functional materials are significant, and its construction can be done at room temperature. DGQ material is cost-effective and has good application prospects.

highway engineering; composite pavement; heavy load traffic; reflective crack resistance performance; DGQ anti-cracking materials

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.08

2015-12-31；

2016-01-19

重慶市社會民生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(cstc2015shmszx30010)

李汝凱(1989—)，男，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。Email：lirukai@cmhk.com。

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