西藏地区防反射裂缝沥青路面疲劳损伤与动态蠕变特性研究

辛顺超，尼玛卓玛，熊 鹰，付 伟，陈 飞，王全磊，何 斌

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.西藏自治区公路局， 拉萨 850006；3.重庆机场建设集团， 重庆 401120； 4.中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 武汉 430056)

西藏位于青藏高原的西南部，该地区道路沿线环境具有海拔高、温差大、辐射强的特点[1]。该区域半刚性基层沥青路面在不同温度交替作用下容易发生开裂，沥青面层在低温下，沥青容易脆硬，且体积会发生一定收缩，而沥青混凝土的劲度模量较高、应力松弛性能和变形能力欠佳[2]。在大温差作用下易产生温缩或干缩效应，使半刚性基层发生开裂并扩展至面层；超长日照和强紫外辐射加剧了沥青的老化，使其黏性降低，变得干涩，降低了沥青混合料的抗裂性能，最终导致路面裂缝率升高[3]。

为此，本文针对西藏高海拔地区防反射裂缝沥青路面结构及性能展开研究，并通过增加防裂基布，采用弯拉、劈裂、四点弯曲等试验研究材料疲劳损伤和动态蠕变特性，以评价路面防裂性能和使用寿命。

1 工程概况

国道318线林芝至拉萨公路改造工程是西藏公路网主骨架和西部大开发省际公路连接线的重要组成部分，其中墨竹工卡至拉萨段，起于墨竹工卡(K4554+800)东部，经章多乡、塔杰乡、达孜县、蔡公堂乡，在纳金大桥处设纳金互通，向西延至拉萨城关区香嘠村(K4621+511.708)，全长66.58 km。

项目区范围属于高原温带半干旱季风气候的寒冷地区，年温差小，日温差大。年平均温度7.5 ℃，最冷月平均温度-2.3 ℃，最热月平均温度为15.4 ℃，极端最低温度为-16.5 ℃，极端最高温度为29.4 ℃，年日照数3 000 h以上，年日照率为68%。项目区域内，日照时间长、系数大，海拔和温差对沥青路面性能变异影响较大[1]。

海拔高、温差大的地区，气压变化较大容易导致沥青混合料的物理力学性能发生变化，温差较大或者温度梯度较大时则会产生较大的温度应力[1]。温差过大，基层产生的温缩裂缝可反射至面层[4]。温度的降低使得路面极限拉应变不断减小，沥青混合料发生收缩变形并产生收缩应力，应力超过材料可承受范围后，就会导致沥青面层开裂。

2 原材料性能与结构方案

2.1 沥青

根据工程具体情况，选用中石化塔河90号A级道路石油沥青进行试验。其基本性能见表1。

表1 沥青性能指标

2.2 集料

集料是沥青混合料的重要组成，选用干燥洁净、坚硬耐磨且无杂质的石灰岩集料进行试验。试验结果见表2，采用密度为2.551 g/cm3的石灰岩矿粉作为填料。

2.3 防裂基布

聚丙烯土工合成材料与沥青相容性较好，其与沥青相互结合形成具有一定强度的应力吸收层作为防裂结构层[5-6]。本试验所用防裂基布物理力学性能见表3。

表2 集料性能指标

表3 防裂基布物理力学性能指标

2.4 基本结构方案

根据结构层预设方案，拟定2种试验结构方案：1) A方案：AC-13+防裂基布+粘层油+AC-20；2) B方案：AC-13+粘层油+AC-20。2种试验方案如图1所示。设置不铺设聚丙烯防水防裂基布方案作为技术对比，其中AC-13和AC-20沥青混料的最佳油石比分别为4.8%和4.2%，采用MTS疲劳寿命试验对比评价铺设基布后的有益效果。

图1 对比研究结构方案

3 弯拉与劈裂强度试验

根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程的劈裂试验方法和小梁弯曲试验方法，测试计算得出A方案、B方案的劈裂强度、弯拉强度，结果见表4。

由表4可知，15 ℃时，A方案的劈裂强度为3.66 MPa，B方案的劈裂强度为3.51 MPa，布设防裂基布后使劈裂强度提高约4.27%；25 ℃时，提高了9.35%，说明在温度相对较高时，由于沥青混合料相对柔软，防裂基布发挥更为显著的效果。从抗弯拉强度可知，15 ℃时，A方案的拉伸强度为1.36 MPa，B方案的拉伸强度为1.14 MPa，布设防裂基布后使拉伸强度提高约19.30%；25 ℃时拉伸强度提高约30.48%，提高幅度超过15 ℃约11.18%，表明温度较高时，防裂基布的力学性能发挥更为明显。

表4 弯拉与劈裂强度试验结果

4 疲劳损伤试验

为分析2种方案的疲劳损伤性能，采用间接拉伸和四点弯曲试验为基础，以试件破坏断裂作为标准进行应力疲劳试验，测试计算试件疲劳损伤量进行对比评价[7-8]。采用损伤变化率分析不同作用次数下的损伤状态[9]。

疲劳损伤变化率按照式(1)进行计算：

(1)

式中：ki为i处损伤变化率；n为荷载次数；Di为i处损伤量；Di+n为i+n处的损伤量。

4.1 间接拉伸试验确定混合料疲劳失效

间接拉伸试验的疲劳损伤变化量与变化率分别如图2、图3所示，疲劳损伤破坏测试结果对比见表5。

图2 间接拉伸试验损伤变量曲线

图3 间接拉伸试验损伤变化率曲线

由图2和图3可知，在试验前期，试件发生弹性变形，荷载作用使内部细微缺陷逐渐发展形成裂缝、变形等损伤形式，损伤变化量快速增大，随后逐渐趋于稳定上升状态，试件内部能量相对平衡，损伤量发展平稳，试验中后期，损伤迅速发展扩张，损伤量急剧增大，最终导致试件破坏失效。在整个试验过程中，A方案损伤量均小于B方案，说明增加防裂基布后，提高了试件的耐疲劳性能，而损伤变化率相对较小，材料稳定性更强。

从表5试验结果可知，A方案的初始劲度模量约为213.33 MPa，B方案的初始劲度模量为138.6 MPa，增加防裂基布后，试验试件的劲度模量增加了74.73 MPa，提高了53.92%。A方案的破坏劲度模量为68.57 MPa，B方案的破坏劲度模量为58.42 MPa，提高幅度为17.8%。从疲劳损伤度看，A方案为68.5%，B方案为58.2%，二者发生破坏时，A方案的残余劲度模量高于B方案大约10%。由此说明，增加防裂基布，能够有效提高试件劲度模量，增强材料抗疲劳开裂性能，缓解反射裂缝的发生。

表5 间接拉伸疲劳损伤试验破坏劲度模量

4.2 四点弯曲疲劳损伤试验

如图4所示，采用的尺寸为38.1 mm×38.1 mm×381 mm的试件，加载频率为5 Hz～10 Hz，温度为20 ℃，根据应变控制原理，测试试件劲度模量变化直至破坏的作用次数[9-10]。四点弯曲试验变化量和变化率曲线如图5、图6所示，四点弯曲疲劳损伤破坏测试结果见表6。

由图5和图6可知，A方案和B方案的变化趋势基本相同，随着作用次数的增加，0～5 000次之间，损伤量迅速增加；5 000～25 000次期间，损伤量趋于稳定增长状态；28 000次左右时，损伤量急剧上升。但是，相同作用次数下，A方案的损伤量与损伤变化率明显小于B方案，由此，增加防裂基布有利于弯曲抗疲劳损伤能力。

图4 四点弯曲疲劳损伤试验示意

图5 四点弯曲疲劳试验损伤变量曲线

图6 四点弯拉疲劳试验损伤变化率曲线

方案编号E0/MPaEn/MPaD=1-En/E0A方案A-16 567.911 913.940.709A-26 644.131 892.520.715A-36 819.791 814.630.734A-46 491.361 959.230.698A-56 659.191 765.490.735A-66 765.941 909.660.718B方案B-15 455.921 770.450.675B-25 312.281 803.560.660B-35 637.611 784.140.684B-45 429.831 753.280.677B-55 071.131 616.370.681B-65 124.511 716.350.665

由表6可知，A方案的四点弯曲初始劲度模量为6 658.05 MPa，B方案为5 338.55 MPa，提高幅度为24.72%，破坏劲度模量分别为1 875.91 MPa和 1 740.69 MPa，增加防裂基布的方案破坏劲度模量高出135.22 MPa，约7.77%。A方案和B方案的损伤量D分别为71.8%和67.4%，进一步说明增加防裂基布后，试件具有更强的抗疲劳损伤性能。

5 动态蠕变试验

5.1 蠕变柔量

采用NU14动态蠕变加载试验系统分别对15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃条件下的试件进行加载试验，加载频率为0.5 Hz，预压荷载为0.01 MPa，预压时间为90 s，荷载应力峰值取0.3 MPa，加载时间为 7 200 s[10-12]。A方案和B方案的蠕变柔量试验结果如图7、图8所示。

图7 A方案的蠕变柔量变化曲线

图8 B方案的蠕变柔量变化曲线

由图7、图8可知，A方案和B方案的蠕变柔量变化趋势基本一致，相同荷载时间下，随着温度的升高，试件的蠕变柔量逐渐增大。在相同荷载作用时间和相同温度条件下，A方案的蠕变柔量小于B方案。由于蠕变柔量用于表征单位荷载下的变形特性，因此，设置防裂基布后，更利于降低混合料的蠕变柔量，减少试件的变形量。

5.2 蠕变移位因子

根据粘弹性材料温度-时间等效换算原理，在参考温度为25 ℃时分别分析了15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃温度下的移位因子[13-15]。不同温度下A方案和B方案蠕变柔量与时间关系如图9、图10所示，参考温度为25 ℃时的蠕变移位因子见表7。

图9 A方案的蠕变柔量与时间关系

图10 B方案的蠕变柔量与时间关系

项目名称不同试验温度(℃)下的移位因子15253545A方案-0.33401.1372.663B方案-0.51500.6561.557

由图9、图10可知，随着温度升高，混合料的蠕变柔量对数值越大。根据时间-温度等效原理得出参考温度为25 ℃时的移位因子见表7，相同时间和温度下，A方案的移位因子大于B方案，说明其适用的温度范围更大。

6 结束语

通过采用弯拉与劈裂试验、疲劳损伤试验对藏区路面结构的疲劳损伤特性与动态蠕变进行研究，获得以下认识：

1) 增设防裂基布后，沥青路面结构的15 ℃、25 ℃劈裂强度分别提高了4.27%、9.35%，弯拉强度分别提高了19.30%和30.48%，防裂基布的加筋作用提高了路面结构的强度特性。

2) 增设防裂基布后，结构的间接拉伸劲度模量提高了53.92%，四点弯曲劲度模量提高了24.72%，降低了疲劳损伤量，提高了沥青混合料的抗疲劳性能。

3) A方案25 ℃基准的动态蠕变移位因子范围为1.042，B方案为2.967；增加防裂基布后，A方案蠕变特性更佳，适用温度范围更广。

4) 防裂基布在西藏地区防反射裂缝沥青路面结构层中，通过与沥青结合形成应力吸收分散层，利用自身的柔韧性和力学强度，增强了蠕变性和抗疲劳损伤性能，且防反射裂缝沥青路面的疲劳寿命更长，在海拔高、温差大的地区具有更强的适应性及良好的推广应用价值。