基于復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)的半剛性基層抗反射裂縫性能評(píng)價(jià)

徐世法， 胡超峰， 胡倫福， 李書飛， 陳 濤， 孫傳夏

(1. 北京建筑大學(xué) 北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)中心，北京 100044； 2.河南中原高速公路股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 3. 北京建筑大學(xué) 未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044； 4. 北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102600； 5. 河南省交通運(yùn)輸廳公路管理局，河南 鄭州 450015)

0 引言

路面抗反射裂縫性能是反應(yīng)路面性能重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外有很多實(shí)驗(yàn)用于評(píng)價(jià)該性能。彎曲拉伸疲勞試驗(yàn)、直接拉伸疲勞試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)用于室內(nèi)試驗(yàn)；室外實(shí)驗(yàn)則包括足尺路面疲勞試驗(yàn)等[1]。室外實(shí)驗(yàn)雖然可以更好地模擬反射裂縫的形成，更能反應(yīng)實(shí)際情況，但也存在例如試驗(yàn)結(jié)果受外界環(huán)境影響大、成本較大、試驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。故國(guó)內(nèi)外的研究人員大多偏向于進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)模擬疲勞試驗(yàn)。四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用較多的，甚至美國(guó)SHRP計(jì)劃已經(jīng)將其列為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)[2]。

由于傳統(tǒng)的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)試件不能模擬水穩(wěn)碎石基層路面的反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，因此，本文改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)試件，優(yōu)化后的試件總共分為3層，底部模擬基層，采用水泥穩(wěn)定碎石，中間為層間防裂夾層，上部為瀝青混合料面層，可以更好地模擬水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)3種防裂夾層復(fù)合梁的疲勞壽命測(cè)試，即可得到防裂夾層的抗反射裂縫性能數(shù)據(jù)。

1 水穩(wěn)基層路面層間措施抗反射裂縫疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是實(shí)驗(yàn)裝置，另一部分是數(shù)據(jù)采集裝置。

傳統(tǒng)的小梁四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的性能，但夾層對(duì)反射裂縫防治的影響，該實(shí)驗(yàn)不能很好地反映。西南交通大學(xué)艾長(zhǎng)發(fā)[3]等人改進(jìn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)試件，在傳統(tǒng)的小梁中間加入層間防裂措施，上下部分分別模擬瀝青面層和基層。同濟(jì)大學(xué)周富杰[4]將混凝土板作為下層，模擬了剛性基層的路面結(jié)構(gòu)。但是國(guó)內(nèi)外對(duì)于半剛性路面結(jié)構(gòu)中抗反射裂縫的層間措施的模擬仍缺乏系統(tǒng)研究，因此本文通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化試驗(yàn)，模擬出水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 疲勞試驗(yàn)切縫小梁四點(diǎn)加載示意圖Figure 1 Schematic diagram of four-point loading of the trabecular beam of the fatigue test

1.1 試件尺寸

本文設(shè)計(jì)的切縫小梁疲勞試件與傳統(tǒng)小梁尺寸一致，長(zhǎng)×寬×高=380 mm×65 mm×50 mm，用UTM-25進(jìn)行測(cè)試。為使小梁試件與實(shí)際路面狀況一致，將試件中半剛性基層的高度確定為15mm，層間防治措施高度為5mm，瀝青面層的高度為30mm。試件如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)試件Figure 2 Test specimen

1.2 試件成型方法

首先成型試件，然后進(jìn)行養(yǎng)生，將養(yǎng)生后的試件進(jìn)行刮毛處理，試件中間進(jìn)行防裂措施；對(duì)瀝青混合料面層進(jìn)行靜壓成型，然后用切割機(jī)成型復(fù)合梁試件。AASHTO T321標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定合格試件長(zhǎng)為(381±6)mm，寬為(63±6)mm，高為(50±6)mm。故被實(shí)驗(yàn)所切割尺寸長(zhǎng)為380mm，寬為65mm，高為50mm。

1.3 試驗(yàn)的加載

本文采用控制應(yīng)變模式作為試驗(yàn)的加載模式。加載過(guò)程中，保證試件底部的拉應(yīng)變恒定，并且保證試件的勁度模量逐漸降低[5-7]，勁度模量變?yōu)樵嫉?0%時(shí)，停止加載，試件的疲勞壽命即為停止試驗(yàn)時(shí)荷載的作用次數(shù)。

1.4 頻率水平的確定

汽車行駛速度越高，車輛載荷作用于路面的時(shí)間越短，反之作用時(shí)間越長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出汽車輪胎在路面橫斷面的加載時(shí)間大約為0.016s，推算出測(cè)試的加載頻率為10Hz。

1.5 應(yīng)變水平的確定

四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變水平的大小決定了試件的彎曲變形程度[11]，因此應(yīng)變水平的大小應(yīng)合理。所以選擇500με、1000με、1500με的應(yīng)變，進(jìn)行試驗(yàn)，加載后得到對(duì)應(yīng)應(yīng)變下的試件的疲勞次數(shù)。

1.6 試驗(yàn)步驟

a.試件養(yǎng)護(hù)。

試件切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸后，放入15℃的環(huán)境箱(我國(guó)在道路設(shè)計(jì)時(shí)，常將15℃定為最不利的溫度)中進(jìn)行6h的養(yǎng)護(hù)。

b.試件安裝。

將養(yǎng)護(hù)完成的試件放入四點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)裝置夾具內(nèi)，并且觀察傳感器的位置，是否正確的放置在試件表面。

c.參數(shù)設(shè)定。

該試驗(yàn)用UTM-25實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，在控制界面中輸入試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)置500με，1000με，1500με 這3種應(yīng)變水平，測(cè)試頻率為10Hz，并設(shè)定當(dāng)試件的勁度模量下降到初始的50%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2 原材料性能及級(jí)配

2.1 瀝青混合料面層

a.瀝青性能指標(biāo)。

為更加準(zhǔn)確反映層間措施對(duì)反射裂縫的處置效果，選用SBS改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]、《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[9]中對(duì)改性瀝青的相關(guān)的規(guī)定。

表1 SBS改性瀝青試驗(yàn)指標(biāo)Table 1 SBS modified asphalt test indicators類別針入度(100 g,25 ℃5 s)/0.1 mm針入度指數(shù)PI軟化點(diǎn)/℃135 ℃運(yùn)動(dòng)粘度/(Pa·s)5 ℃延度/cm閃點(diǎn)/℃溶解度/%彈性恢復(fù)/%離析,48 h軟件點(diǎn)差/℃TFOT殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm質(zhì)量損失/%指標(biāo)要求60～80>-0.4≥70.0≤3.0≥30.0≥230.0≥99.0≥65.0≤2.5≤60.0≥20.0≤0.80試驗(yàn)結(jié)果62.71.072.82.931.9261.099.187.71.763.121.00.02試驗(yàn)方法T0604-2011

b.集料性能指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)采用的石料主要是石灰?guī)r，礦料主要為礦粉，石灰?guī)r粒徑包括3～5、5～10、10～15 mm。通過(guò)測(cè)試，石料能夠符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[10]的規(guī)范要求，粗集料、細(xì)集料與礦粉能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[11]的規(guī)范要求。

c.瀝青面層混合料級(jí)配。

本文采用AC-13型瀝青混合料作為面層，級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果、級(jí)配曲線如表2、圖3。油石比為4.7%。

表2 瀝青面層混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Asphalt surface layer gradation design results篩孔尺寸/mm不同級(jí)配的通過(guò)率/%級(jí)配下限級(jí)配上限級(jí)配中值合成級(jí)配16.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100.0 90.0 68.0 38.0 24.0 15.0 10.0 7.0 5.0 4.0100.0100.0 85.0 68.0 50.0 38.0 28.0 20.0 15.0 8.0100.0 95.0 76.5 53.0 37.0 26.5 19.0 13.5 10.0 6.0100.0 94.1 68.3 42.0 26.3 14.1 11.3 7.9 6.9 5.6

圖3 瀝青面層混合料級(jí)配曲線Figure 3 Asphalt surface layer gradation curve

2.2 水穩(wěn)基層

a.原材料性能。

本文采用以下兩類作為水穩(wěn)基層材料，第一類是廢舊水穩(wěn)碎石材料，一類為粒徑分別為0～5、5～10和10～20 mm的石灰?guī)r。首先要求對(duì)舊料進(jìn)行烘干，然后篩分，以4.75 mm粒徑大小為界限，大于4.75 mm為粗集料，否則為細(xì)集料。

b.水穩(wěn)碎石基層級(jí)配。

通過(guò)試驗(yàn)確定對(duì)水穩(wěn)碎石基層的舊料進(jìn)行整體摻配，其中舊料與新料的使用質(zhì)量比值為6∶4。級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，級(jí)配曲線見圖4。

2.3 SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層

a. SBS瀝青原材料性能。

由于SBS瀝青較為優(yōu)良的性能，所以SBS應(yīng)力吸收層選擇的瀝青與瀝青混合料面層相同，試驗(yàn)結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表3 水穩(wěn)基層級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Gradation design results of cement stabilized base篩孔尺寸/mm不同級(jí)配的通過(guò)率/%級(jí)配下限級(jí)配上限級(jí)配中值合成級(jí)配26.50019.00016.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100 90 79 67 52 30 19 12 8 5 3 2100100 92 83 71 50 36 26 19 14 10 7100.0 95.0 85.5 75.0 61.5 40.0 27.5 19.0 13.5 9.5 6.5 4.5100.00 93.14 87.66 78.54 62.12 38.47 27.50 17.58 12.92 9.28 7.15 5.37

圖4 水穩(wěn)基層級(jí)配曲線Figure 4 Cement stabilized base gradation curve

b.集料性能指標(biāo)。

SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層選取的礦料與水穩(wěn)基層相同，且通過(guò)試驗(yàn)符合相關(guān)規(guī)范要求。

c.應(yīng)力吸收層級(jí)配。

SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果，級(jí)配曲線如表4、圖5所示。

表4 SBS應(yīng)力吸收層級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 SBS stress absorption layer gradation design results篩孔尺寸/mm不同級(jí)配的通過(guò)率/%級(jí)配下限級(jí)配上限級(jí)配中值合成級(jí)配4.750100100100.0100.02.3601009095.096.51.180755565.066.90.600553545.043.30.300402030.030.90.150281220.018.70.07518712.512.3小于0.0751057.58.0

圖5 SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層級(jí)配曲線Figure 5 SBS asphalt mixture stress absorption layer grading curve

2.4 土工布及土工格柵

根據(jù)現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，選用土工布及玻璃纖維土工格柵進(jìn)行試驗(yàn)并與SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層的防反射裂縫效果進(jìn)行對(duì)比。土工布處置方式技術(shù)指標(biāo)為： 質(zhì)量200 g/m2,厚度3 mm，抗拉強(qiáng)度18.2 kN/m。玻璃纖維土工格柵技術(shù)指標(biāo)為：厚度3 mm，縱橫向抗拉強(qiáng)度80 kN/m，最大負(fù)荷延伸率3%,網(wǎng)孔尺寸12.7 mm×12.7 mm，網(wǎng)孔形狀矩形，耐溫性-100 ℃～280 ℃。

3 四點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理后，試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖6所示。

表5 瀝青混合料的四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 5 Summary of four-point fatigue test results of as-phalt mixture應(yīng)變?chǔ)?/με不同防治措施的疲勞次數(shù)Nf /次無(wú)措施土工布土工格柵SBS應(yīng)力吸收層50075 61378 23181 235102 3661 00061 72367 31571 98996 5411 50053 06757 89459 41589 452

圖6 疲勞性能對(duì)比圖Figure 6 Fatigue performance comparison chart

從以上圖表可以看出：

a. 通過(guò)采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布以及土工格柵對(duì)面層反射裂縫的防治措施，小梁的疲勞壽命都有一定的提高。

b. 當(dāng)應(yīng)變?yōu)?500με時(shí)，采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布以及土工格柵，試件的疲勞性能分別提高了68.6%、9.1%以及11.9%。所以SBS應(yīng)力吸收層對(duì)于防止面層反射裂縫效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了更好地模擬水穩(wěn)碎石基層路面層間結(jié)合措施的疲勞性能，對(duì)傳統(tǒng)的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)為基礎(chǔ)，改進(jìn)了復(fù)合梁試件，并確定水穩(wěn)基層路面反射裂縫室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)。為了研究不同措施對(duì)反射裂縫的防治效果，實(shí)驗(yàn)在水穩(wěn)碎石基層路面結(jié)構(gòu)中間層分別采用SBS應(yīng)力吸收層、土工布、土工格柵抗反射裂縫措施，通過(guò)測(cè)試得復(fù)合梁試件的疲勞壽命。通過(guò)以上試驗(yàn)可知，在500με、1000με、1500με 這3種應(yīng)變下，采用以上措施，均對(duì)延長(zhǎng)小梁疲勞壽命產(chǎn)生了效果。其中SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層抗反射裂縫效果最為明顯，其次為土工布，最后為土工格柵。通過(guò)試驗(yàn)可以得出瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變?cè)黾佣档停⒊示€性下降，故證明3種應(yīng)變水平下的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。