撒布型应力吸收层技术性能的试验方法

耿立涛， 杨新龙， 徐惠芬， 王显赫

（1.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006；2.山东建筑大学 山东省道路与交通工程高校重点实验室，山东 济南 250101）

反射裂缝病害是半刚性基层沥青路面的一种常见且具有巨大潜在破坏性的病害，在影响路面美观和行车舒适性的同时，还为水侵入路面结构提供了通道，从而诱发路面结构的早期破坏［1－2］.国内外专家学者针对反射裂缝提出了多种防治措施，如半刚性基层预切缝、加厚沥青面层、设置土工织物隔离层、设置级配碎石过渡层等等［3－7］.这些防治措施各有优势，但缺点也显而易见.例如，半刚性基层预切缝和加厚沥青面层虽能延缓反射裂缝的出现时间，但无法阻止反射裂缝产生；设置级配碎石过渡层防治反射裂缝效果良好，但可能受设计标高的限制；设置土工织物对基层质量和施工控制质量敏感等等.应力吸收层是近年出现的用于防治半刚性基层沥青路面反射裂缝的一种新型技术手段，它是一种具有高弹性、高变形能力的软夹层，通常设置在半刚性基层和沥青面层之间，可分为混合料型和撒布型两种，因兼具使用性和经济性优势，在工程应用中取得了较好的效果［8－9］.但由于应用年限较短，国内尚无标准的技术性能测试及设计方法，混合料型应力吸收层多参照沥青混合料的设计方法，撒布型应力吸收层则多依照工程经验来选取设计参数［10］.

本文开展撒布型应力吸收层技术性能试验方法的研究，通过分析其使用功能，设计了相应的抗反射裂缝性能、抗剪性能和抗拉性能的试验方法，并分别以橡胶沥青应力吸收层和SBS改性沥青应力吸收层对所设计的试验方法进行检验分析.结果表明本文设计的试验方法可操作性强、试验结果合理且规律性明显，从而为撒布型应力吸收层的技术评价、沥青类型的选择以及设计参数的确定提供了一种途径.

1 撒布型应力吸收层

撒布型应力吸收层是为防治反射裂缝而设计的铺筑于半刚性基层与沥青面层（或旧水泥混凝土路面与沥青加铺层）之间的一种特殊的碎石封层，通常以聚合物改性沥青材料作为黏结剂，其上撒铺单一粒径碎石并经碾压而成［11］.撒布型应力吸收层充分利用了改性沥青的高弹性、高变形能力，以及石料可消解应力集中但不传递拉应力的特性，因而具备防治反射裂缝的能力.此外，撒布型应力吸收层采用的单一粒径碎石还为沥青层提供了较大的摩阻力，沥青经碎石挤压后可形成一层较厚的防水层，为路面结构提供了封水能力.

撒布型应力吸收层除应具备防治反射裂缝的基本功能外，由于在行车荷载作用下路面结构内部将产生剪切应力和竖向拉应力，应力吸收层与半刚性基层和沥青面层间还应保证足够的黏结性，不至于因其抗剪强度或抗拉强度不足而引起面层与基层的水平滑移或竖向脱离.

2 撒布型应力吸收层技术性能的试验方法研究

设计合理的技术性能试验方法应满足测试指标与使用功能相对应、方法简单且可操作性强、测试结果规律性明显等要求.为此，本文在分析撒布型应力吸收层使用功能的基础上来设计相应的试验方法，并选择以实际工程中常用的应力吸收层对试验方法进行检验.采用9.5～13.2mm的单一粒径石料，以80%满铺率作为石料的标准撒铺量，分别以SBS改性沥青和橡胶沥青作为黏结剂，在1.5，1.8，2.1，2.4kg／m2的沥青洒布量下进行测试，通过试验结果来分析试验方法的适用性.

2.1 抗反射裂缝性能试验设计

抗反射裂缝能力是撒布型应力吸收层设计时首要考虑的因素.由于应力吸收层的抗反射裂缝效果还与半刚性基层和沥青面层相关，因此抗反射裂缝性能试验设计时采用“半刚性基层＋应力吸收层＋沥青混合料”形式的复合试件较为合适.另一个需要考虑的问题是以何种指标来评价复合试件中应力吸收层的抗反射裂缝能力.由于反射裂缝的扩展形式与四点弯曲疲劳试验的梁式试件受力状态相符，因此可以利用四点弯曲疲劳试验来测定复合试件的疲劳寿命，以此作为应力吸收层抗反射裂缝能力的评价指标.本文设计了图1所示的复合梁式试件，其上层为AC－25沥青混合料（模拟沥青路面的下面层），厚30mm；中间层为应力吸收层，厚10mm，下层为预切缝的水泥稳定碎石（缝宽2mm，模拟开裂的半刚性基层），厚10mm；复合梁式试件的整体尺寸为380.0mm×63.5mm×50.0mm.首先预制了500mm×500mm×40mm尺寸的水泥稳定碎石，其上按设计的沥青洒布量和石料撒铺量铺设应力吸收层；成型后置于大型轮碾成型试模内，其上撒铺设计厚度为75mm的AC－25沥青混合料并压实，经切割后获得设计尺寸的复合梁式试件.对复合梁式试件进行四点弯曲疲劳试验，试验温度取为15℃，施加频率为10Hz的半正弦荷载，应变控制水平为800×10－6，以复合梁式试件的劲度模量降低至初始模量的50%所对应的荷载作用次数表征其疲劳寿命.

图1 应力吸收层复合梁式试件Fig.1 Sketch of composite beam specimen with stress absorbing layer

图2为两类应力吸收层复合梁式试件疲劳寿命的测试结果.由图2可见，两类应力吸收层复合梁式试件的疲劳寿命均随着沥青洒布量的提高而增加，原因在于沥青洒布量增加时应力吸收层中沥青膜厚度增加，而较厚的沥青膜具备更强的吸收应力能力，故导致试件的疲劳寿命增加.此外，相同的沥青洒布量下，橡胶沥青应力吸收层复合梁式试件的疲劳寿命优于SBS改性沥青应力吸收层复合梁式试件，这是因为橡胶沥青中的橡胶颗粒具有较高的回弹变形和应力吸收能力.图2的试验结果符合对应力吸收层及沥青材料特点的常规认识，规律性强且对沥青洒布量变化敏感，表明所设计的抗反射裂缝性能试验方法合理.

图2 复合梁式试件疲劳寿命的测试结果Fig.2 Test results of fatigue life for composite beam specimen

2.2 抗剪性能试验设计

车辆加（减）速时会引起路面结构内部较大的剪切应力，若应力吸收层与沥青面层或基层的黏结力不足，将可能导致沥青面层产生水平推移，因此应力吸收层应具有足够的抗剪强度.一些研究中采用斜剪试验或直剪试验来研究材料的抗剪性能［12］.由于撒布型应力吸收层是一种薄层结构，需与上下层结合考虑，以斜剪试验测试其抗剪强度不易获得理想的剪切面，而直剪试验虽然更容易实现剪切过程，但忽略了不对称荷载引起的偏心弯矩的影响.鉴于此，本文对应力吸收层直剪试验的测试装置进行了改进，考虑最不利因素，以光滑的钢板模拟半刚性基层材料，在沥青混合料和钢板之间设置两层应力吸收层（见图3），利用测试装置的对称性来抵消剪切荷载偏心弯矩的影响，以此对应力吸收层进行剪切试验.试验温度取为20℃，加载速率取为10mm／min，并利用式（1）计算应力吸收层的抗剪强度：

式中：τ为抗剪强度，kPa；Fmax为试验测定的最大荷载，kN；S为单侧应力吸收层的面积，m2.

图3 应力吸收层剪切试验装置示意图Fig.3 Sketch of shear test facility for stress absorbing layer

剪切试验完成后，破坏面出现在两侧的应力吸收层中，与预期相符.图4给出了两类应力吸收层抗剪强度测试结果.可以看出，两类应力吸收层抗剪强度均随着沥青洒布量的增加而先增大后减小.原因在于当沥青洒布量较小时应力吸收层黏结沥青量不足，而沥青洒布量较大时多余的沥青会在半刚性基层与沥青面层之间形成软弱夹层，这样均会削弱材料的抗剪强度，只有在沥青洒布量合适时应力吸收层的抗剪强度才能达到最大值.此外，由图4还可看出，相同沥青洒布量下，橡胶沥青应力吸收层比SBS改性沥青应力吸收层具有更高的抗剪强度，可见本文设计的抗剪强度试验方法可以区分出沥青类型对应力吸收层抗剪强度的影响.

图4 应力吸收层抗剪强度测试结果Fig.4 Test results of shear strength of stress absorbing layer

2.3 抗拉性能试验设计

行车荷载在引起路面结构内部剪切应力的同时，还将在结构层间产生竖向拉应力，因此应力吸收层还应具有足够的抗拉强度.本文最初设计以应力吸收层复合试件（结构形式与图1相同，试件尺寸变为63.5mm×63.5mm×50.0mm）进行抗拉试验，其中复合试件上下表面分别用环氧树脂与钢压头黏接固定，然后在20，40℃条件下进行了试验，结果发现20℃时在环氧树脂黏结端产生了断裂，在40℃条件下断裂面出现在软化的沥青混合料层内部（见图5，6），故需对测试方法进行调整.

图5 抗拉试验中复合试件的环氧树脂黏结端断裂Fig.5 Fracture of epoxy resin on the side of composite specimen during tensile test

图6 抗拉试验中复合试件内沥青混合料层断裂Fig.6 Fracture of asphalt mixture in composite specimen during tensile test

遵循剪切试验的设计思路，仍以钢板替代半刚性基层，将剪切试验装置旋转90°即可进行拉拔试验.在20℃条件下，以10mm／min的拉伸速率进行拉伸试验，获得了两类应力吸收层的抗拉强度，试验结果见图7.从测试结果来看，应力吸收层的抗拉强度对沥青类型和沥青洒布量具有敏感性，橡胶沥青应力吸收层和SBS改性沥青应力吸收层的峰值抗拉强度及其对应的沥青洒布量均不相同，这与工程经验相符，也体现了抗拉强度试验方法的适用性.

图7 应力吸收层抗拉强度测试结果Fig.7 Test results of tensile strength of stress absorbing layer

3 试验结果分析

由上述的测试结果可知，在石料粒径及其撒铺量已确定的条件下，撒布型应力吸收层的抗反射裂缝能力、抗剪强度和抗拉强度受沥青类型和沥青洒布量的影响显著：随着沥青洒布量的增加，应力吸收层的抗反射裂缝能力增强，而抗剪强度和抗拉强度先增大后减小，且抗剪强度和抗拉强度峰值所对应的沥青洒布量相近；相同的沥青洒布量下，沥青类型对应力吸收层的各项技术指标具有较大影响；进行应力吸收层设计时，选择合适的沥青类型和沥青洒布量尤为重要.通过上述试验，可以获得撒布型应力吸收层各项技术性能的变化规律.

4 结论

在分析撒布型应力吸收层使用功能的基础上，设计了相应的抗反射裂缝性能、抗剪性能和抗拉性能的试验方法，并以两种常用的撒布型应力吸收层对试验方法进行了检验.结果表明设计的试验方法可操作性强、试验结果合理且规律性明显，从而为撒布型应力吸收层的评价及设计参数确定提供了一种途径.

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