復(fù)合式防水黏結(jié)應(yīng)力吸收層性能試驗(yàn)研究

徐亞林，張輝，張志祥

(1.江蘇潤(rùn)揚(yáng)大橋發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210016；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司)

自20世紀(jì)30年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外就對(duì)瀝青加鋪層反射裂縫問(wèn)題進(jìn)行過(guò)大量的理論、試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐。常用的防反射裂縫措施主要有橡膠瀝青應(yīng)力吸收層(SAMI)、加鋪土工織物或格柵、在面層與基層之間增加級(jí)配碎石層3種方式。

孫雅珍等通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和擴(kuò)展有限元方法對(duì)高黏瀝青砂應(yīng)力吸收層降低鋪裝底面應(yīng)力集中的效果進(jìn)行了研究；王海朋等通過(guò)剪切和拉拔試驗(yàn)確定了5～10 mm碎石應(yīng)力吸收層與瀝青混合料的配伍性最好；王航、孫潔等分別研究了纖維增強(qiáng)乳化瀝青碎石封層和TPS改性瀝青應(yīng)力吸收層對(duì)半剛性基層開(kāi)裂的延緩作用。隨著瀝青路面技術(shù)的發(fā)展，單純采用土工材料或者瀝青碎石應(yīng)力封層等單一的應(yīng)力吸收層技術(shù)解決混凝土路面的反射裂縫問(wèn)題，具有明顯的局限性，且經(jīng)濟(jì)性較差。為提高瀝青路面整體性能、延長(zhǎng)使用壽命，該文提出一種土工布+碎石瀝青封層的復(fù)合式應(yīng)力吸收層，針對(duì)主要材料開(kāi)展試驗(yàn)研究，并對(duì)瀝青路面組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，與典型技術(shù)方案橡膠瀝青應(yīng)力吸收層SAMI進(jìn)行對(duì)比，以確定其使用性能。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用無(wú)紡聚丙烯土工布和橡膠瀝青，土工布厚度為1.4 mm；碎石采用10～13 mm粒徑規(guī)格的玄武巖；封層瀝青采用90#基質(zhì)瀝青；瀝青混合料采用AC-16瀝青混合料，其中，碎石采用玄武巖、填料采用石灰?guī)r礦粉，膠結(jié)料采用70#瀝青，油石比為4.7%。

1.2 試驗(yàn)方法

土工布的基本力學(xué)性能試驗(yàn)參照J(rèn)TG E50-2006《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》；土工布的熱行為機(jī)理采用DSC差示掃描量熱、TG熱失重分析等方法進(jìn)行研究。DSC試驗(yàn)過(guò)程中，試樣溫度從室溫降低至-60 ℃，保持5 min后，升高至200 ℃，最后降低至室溫，速率為10 ℃/min。

為了研究復(fù)合式應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青路面抗反射裂縫能力的影響，參照美國(guó)德州罩面標(biāo)準(zhǔn)方法TXDOT DESIGNATION: TEX-248-F《Test Procedure for the Overlay Test》，研究瀝青路面結(jié)構(gòu)抗反射裂縫性能?；旌狭显嚰殚L(zhǎng)150 mm、寬75 mm、高50 mm的長(zhǎng)方體，見(jiàn)圖1。當(dāng)應(yīng)力下降到初始值的7%或是達(dá)到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)1 000時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 德州罩面試件結(jié)構(gòu)圖

對(duì)比復(fù)合式應(yīng)力吸收層、橡膠瀝青SAMI應(yīng)力吸收層和空白試件的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)溫度分別為5、13和20 ℃，加載頻率均為0.1 Hz，變形控制為1、2 mm。復(fù)合式應(yīng)力吸收層瀝青路面結(jié)構(gòu)為： 復(fù)合式應(yīng)力吸收層(普通瀝青灑布量1.5 kg/m2)+5 cm厚AC-16瀝青混凝土；橡膠瀝青應(yīng)力吸收層瀝青路面結(jié)構(gòu)為：2.5 cm厚AC-10細(xì)粒式混合料+SAMI(橡膠瀝青灑布量1.5 kg/m2)+2.5 cm厚AC-16瀝青混凝土?？瞻自嚰访娼Y(jié)構(gòu)不含應(yīng)力吸收層。

2 結(jié)果和分析

2.1 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

聚苯烯土工布基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 土工布基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 溫度敏感性能試驗(yàn)

(1) 空氣熱沖擊

將土工布試件放入烘箱進(jìn)行熱沖擊烘烤，以探索瀝青封層灑布和瀝青混合料攤鋪時(shí)帶來(lái)的高溫?zé)釠_擊對(duì)材料性能的影響，結(jié)果如圖2、3所示。由圖2、3可知：熱沖擊后土工布性能沒(méi)有產(chǎn)生大幅變化，其中頂破強(qiáng)力在1 800～2 200 N范圍內(nèi)波動(dòng)，刺破強(qiáng)力在430～470 N范圍內(nèi)波動(dòng)。

(2) 瀝青熱沖擊

分別采用70#道路石油熱瀝青(145 ℃)、SBS改性瀝青(175 ℃)浸漬土工布，再進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以模擬土工布材料在上層瀝青碎石封層熱沖擊下的材料性能變化，結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可知：土工布經(jīng)瀝青熱沖擊后，形成類(lèi)似于“油毛氈”的復(fù)合材料，頂破和刺破強(qiáng)力都出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，尤其是灑布改性瀝青后，強(qiáng)度得到提高，且未發(fā)生明顯的融化現(xiàn)象。

圖2 熱沖擊對(duì)頂破強(qiáng)力的影響規(guī)律

圖3 熱沖擊對(duì)刺破強(qiáng)力的影響規(guī)律

圖4 不同瀝青浸漬后土工布頂破強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同瀝青浸漬后土工布刺破強(qiáng)力試驗(yàn)結(jié)果

2.3 熱行為性能機(jī)理研究

(1) DSC差示掃描量熱

采用DSC差示掃描量熱儀對(duì)聚丙烯土工布熱行為機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的熔融溫度可以反映防裂基布的耐熱性能，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以反映脆化溫度。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)溫度從-60 ℃上升至-20 ℃～-10 ℃區(qū)間時(shí)，有一段復(fù)雜的放熱峰，是其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；當(dāng)溫度上升至166 ℃時(shí)，該聚丙烯土工布出現(xiàn)了吸熱峰，即熔融峰顯示其熔點(diǎn)約為166 ℃，說(shuō)明該材料在普通瀝青灑布工藝中不會(huì)產(chǎn)生熔融現(xiàn)象，而采用改性瀝青可以起到熔融作用，使瀝青和土工布形成整體。

圖6 土工布DSC曲線

(2) TG熱失重分析

采用TG熱失重方法進(jìn)一步分析土工布熱行為機(jī)理。如圖7所示，當(dāng)溫度從0 ℃升溫至400 ℃時(shí)，基布質(zhì)量幾乎處于一個(gè)穩(wěn)定值；而升高至400 ℃左右時(shí)，基布質(zhì)量開(kāi)始出現(xiàn)大幅減小，說(shuō)明有成分受熱氣化揮發(fā)；至500 ℃時(shí)，質(zhì)量減小幅度減緩，基本處于一個(gè)穩(wěn)定值，為殘留物。進(jìn)一步說(shuō)明了在溫度上升至166 ℃時(shí)會(huì)造成材料熔融，但不會(huì)導(dǎo)致材料成分分解，降溫后，土工布和瀝青封層熔融一體形成復(fù)合式應(yīng)力吸收層。

圖7 TG熱失重曲線

2.4 抗疲勞性能研究

(1) 與空白試件對(duì)比

分別采用5、13 ℃試驗(yàn)溫度對(duì)比了復(fù)合式應(yīng)力吸收層和空白試件的抗疲勞性能(圖8、9)。由圖8可知：在變形幅值1 mm條件下，試件初始加載為10 kN左右；隨著循環(huán)次數(shù)的提高，空白試件應(yīng)力下降陡增，達(dá)到約70次循環(huán)時(shí)鋪裝開(kāi)裂；而復(fù)合式應(yīng)力吸收層試件應(yīng)力下降的速率明顯較緩，循環(huán)次數(shù)達(dá)到約1 000次時(shí)，荷載達(dá)到初始值的7%，其低溫抗反射裂縫疲勞壽命是空白試件的10余倍。

圖8 5 ℃、1 mm變形時(shí)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖9 13 ℃、1 mm變形時(shí)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知：在變形幅值1 mm條件下，試件初始加載分別為3.5和4 kN(相對(duì)于圖8來(lái)說(shuō)小些，是溫度升高模量下降的緣故)。當(dāng)達(dá)到220次循環(huán)時(shí)，空白試件荷載降低到初始值的7%，而復(fù)合式應(yīng)力吸收層試件達(dá)到1 000次循環(huán)時(shí)仍未達(dá)到初始值的7%。一方面說(shuō)明隨著溫度的提高，瀝青路面模量降低，抗疲勞反射裂縫能力均有不同程度的提高；另一方面說(shuō)明應(yīng)力吸收層試件在常低溫狀態(tài)仍有很好的增強(qiáng)效果。

(2) 與SAMI應(yīng)力吸收層試件對(duì)比

對(duì)復(fù)合式應(yīng)力吸收層試件和SAMI應(yīng)力吸收層試件專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了20 ℃條件下的Overlay Test試驗(yàn)，考慮到隨著溫度的提高，瀝青混合料變形能力增加，將施加的變形幅值提高到2 mm。

復(fù)合式應(yīng)力吸收層試件的初始荷載為3 kN，橡膠瀝青SAMI試件為6 kN。初始荷載有區(qū)別主要是因?yàn)閺?fù)合式應(yīng)力吸收層試件是底部土工布固定在試驗(yàn)板上而承受水平拉伸作用，而橡膠瀝青SAMI試件實(shí)際為AC-10調(diào)平層固定于底板并承受主要荷載，其模量較土工布大。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

(a) 復(fù)合式應(yīng)力吸收層

(b) 橡膠瀝青SAMI應(yīng)力吸收層

由圖10可知：由于變形值的提高，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，試件加載均呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到50次循環(huán)時(shí)下降速率趨緩；當(dāng)達(dá)到 510次循環(huán)時(shí)，復(fù)合式應(yīng)力吸收層試件的荷載下降至初始值的7%，試件底部出現(xiàn)細(xì)小裂縫。而橡膠瀝青SAMI試件達(dá)到477次循環(huán)時(shí)荷載下降至初始值的7%。說(shuō)明復(fù)合式應(yīng)力吸收層方案的抗裂性能略好于典型橡膠瀝青SAMI方案。

3 結(jié)論

針對(duì)瀝青路面抗反射裂縫問(wèn)題，提出了聚丙烯土工布+瀝青碎石封層的復(fù)合式應(yīng)力吸收層方案，并對(duì)關(guān)鍵材料的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，探討了瀝青封層和瀝青混合料施工過(guò)程中熱沖擊對(duì)土工布材料性能的影響規(guī)律和機(jī)理，對(duì)比試驗(yàn)了不同典型組合結(jié)構(gòu)方案的抗反射裂縫能力，得到如下主要結(jié)論：

(1) 采用的聚丙烯土工布頂破、刺破、拉伸強(qiáng)度相對(duì)較大，且具有較高的熱穩(wěn)定性，在140～180 ℃、5～30 min等不同溫度和時(shí)間沖擊下，仍然可以保持穩(wěn)定的力學(xué)性能，說(shuō)明采用的復(fù)合應(yīng)力方案吸收層可以很好地抵抗上層瀝青碎石和瀝青混合料施工期間熱沖擊的影響。

(2) 采用DSC差示量熱掃描和TG熱失重進(jìn)行熱行為機(jī)理試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該聚丙烯材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍為-20～-10 ℃，熔點(diǎn)約為166 ℃，熱分解溫度約為400 ℃。說(shuō)明當(dāng)熱瀝青油接觸防裂基布，溫度超過(guò)166 ℃時(shí)，會(huì)使材料熔融與上層形成整體，但不會(huì)導(dǎo)致材料成分分解，降溫后材料物化性能會(huì)恢復(fù)。

(3) 采用德州罩面試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合式應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青路面抗反射裂縫的能力，顯示在5 ℃和13 ℃、1 mm變形量條件下，相比不采用任何措施的瀝青鋪裝可提高5倍以上的抗疲勞性能；在常溫20 ℃、2 mm變形量的條件下，復(fù)合式應(yīng)力吸收層瀝青路面結(jié)構(gòu)抗疲勞能力達(dá)510次，略高于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層SAMI的477次。