道路抗裂贴防治反射裂缝性能研究

2021-04-28郑茂参杜鸿儒李文凯

湖南交通科技 2021年1期

郑茂参, 杜鸿儒, 李文凯

(1.贵州省交通建设咨询监理有限公司，贵州贵阳 550002； 2.中建市政工程有限公司，北京 100089；3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410200)

0 引言

沥青路面具有平整、耐磨、行车舒适和维修养护方便等优点，已成为高等级公路最常见的路面类型。在众多沥青路面结构组合当中，半刚性和刚性基层沥青路面具有变形小、承载能力强、整体性良好等优势，因此在修筑高等级沥青路面时常采用这2种结构类型。然而，半刚性和刚性基层沥青路面易产生反射裂缝，在交通荷载和温度荷载的反复作用下，基层产生的温度型或荷载型裂缝易扩展到面层。路面雨水易沿着裂缝进入基层和底基层，进而产生坑槽、脱空、沉陷等病害，严重影响了路面使用寿命。尽管基层裂缝的产生不可避免，但可以在面层与基层之间设置防裂层，以延缓沥青面层中反射裂缝的扩展，延长路面的使用寿命[1-9]。

综上所述，铺设防裂层能在一定程度上延缓基层裂缝向沥青面层扩展的速度，延长路面的使用寿命。但目前的研究多集中在防裂层的使用效果评价方面，缺少防裂效果与防裂层本身性能的相关性研究，裂缝来源尚不明确。因此，本文选择抗裂贴作为防裂夹层进行室内试验研究，制作沥青混凝土-抗裂贴-水泥混凝土的组合试件，通过滚动荷载疲劳试验和张拉试验，分别模拟了沥青面层在行车荷载和温度荷载作用下反射裂缝的发展规律，分析了抗裂贴防治这2类反射裂缝的效果，并且提出了抗裂贴的施工工艺要点，为抗裂贴的工程应用提供参考。

1 抗裂贴的技术指标

选用泰安路铭工程材料有限公司生产的4种型号抗裂贴，将其分别编号为YN20、YN30、WT20和WT30型。其中，YN型和WT型的区别在于表面增强层材料的不同，20、30的区别在于涂覆层厚度差异。依据规范《沥青加铺层用聚合物改性沥青抗裂贴》(JT/T 971—2015)对4种抗裂贴进行性能测试，测试结果如表1所示。

2 实验方案

通过制备沥青混凝土-抗裂贴-水泥混凝土复合型试件进行试验测试。根据反射裂缝形成、扩展的机理[10- 15]，在行车荷载作用下，反射裂缝主要由行车荷载产生的剪切作用所引起；而在温度荷载作用下，反射裂缝主要由温度荷载产生的张拉作用所引起。因此，采用全自动车辙仪进行行车荷载疲劳试验，模拟抗裂贴抵抗行车荷载作用所引起的剪切作用，采用OT测试系统模拟抗裂贴抵抗温度荷载作用引起的张拉作用。

表1 抗裂贴的技术指标防裂贴编号厚度/mm单位面积质量/(g·m-2)拉伸强度(N/50 mm)断裂伸长率/%横向纵向横向纵向YN202.12 12032.932.76.66.3YN303.32 63433.433.95.86.2WT202.22 08338.338.96.06.5WT303.22 54138.539.65.96.2要求≥2.0≥2 000≥28≥28≤20%≤20%

2.1 试件制备

首先，采用30 cm×30 cm×5 cm的试模浇筑水泥混凝土板，在标准条件下养护28 d，使其达到规定强度。随后将制备好的水泥板置于30 cm×30 cm×10 cm的试模中，用毛刷除去表面灰尘，其上撒布热沥青，沥青用量为0.8～1.2 g/m2，随后铺设道路抗裂贴，利用平铲将抗裂贴压平。铺设好抗裂贴后，迅速装入热拌AC-20沥青混合料，将试模置于车辙板成形仪上进行上层沥青混合料成型，试件总厚度为10 cm。其中，沥青为90#基质沥青，粗集料为玄武岩材质，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥混凝土砂为河沙，沥青混合料中最佳油石比为4.4%。

2.2 加载方式

2.2.1行车荷载型疲劳试验

如图1所示，将制备好的复合试件沿着试件纵向切割为300 mm×70 mm×100 mm的小梁，并在小梁试件的水泥混凝土板中央，沿宽度方向预切割宽度为3、6、9 mm，深度为50 mm的裂缝，用于模拟基层开裂。将成型的小梁试件安置于车辙仪中，按照图1所示，在切缝的两边分别安置20 mm厚的橡胶垫块和钢垫块，使试件在车辙仪滚轮的作用下，与切缝的上端产生剪切型荷载作用，用于模拟行车荷载作用所引起的疲劳效应。实验温度为20 ℃，滚轮采用0.7 MPa标准橡胶轮，行走距离为230 mm，往返碾压速度为42次/min，当沥青混凝土面层出现贯穿裂缝时停止试验，统计加载次数。每组进行3个平行试件，用不加铺抗裂贴的试件作为对比组，加载过程如图2所示。

图1 行车荷载型疲劳试验加载方式(单位： mm)

图2 行车荷载型疲劳试验

2.2.2温度荷载型疲劳试验

如图3所示，将试件切割为150 mm×70 mm×80 mm的小梁，使上层沥青层厚度为50 mm，下层水泥层厚度为30 mm，并根据试验要求，在水泥层中线处预切割深度为30 mm，裂缝宽分别为2、4、6 mm的试件各3块，用于模拟基层的开裂。试验采用美国德克萨斯州交通研究所开发的Overlay Tester(OT)张拉测试系统进行，将切割好的试件粘结在特制钢质基座上，与2块刚基座之间的裂缝宽度相适应，一端固定于仪器,一端连接加载系统，施加最大位移为0.635 mm的周期性三角波型荷载，单次试验周期为10 s。考虑温度型开裂大多发生在我国北方地区，因此选取以北京为代表的华北地区一年中月最低气温作为试验温度的参考值，试验温度为-15 ℃，当面层出现贯穿裂缝时停止加载，记录加载的周期数。每组进行3个平行试件，用不加铺抗裂贴的试件作为对比组，加载过程如图4所示。

图3 温度荷载型疲劳试验加载方式(单位： mm)

图4 温度荷载型疲劳试验

3 实验结果分析

3.1 行车荷载型疲劳

图5为行车荷载型疲劳试验结果，由图中数据可以发现，相较于未加铺抗裂贴的复合型试件，在相同预切缝宽度下，加铺抗裂贴试件出现贯穿裂缝时的行车荷载作用次数有所增加，增加幅度在7.0%～28.7%之间，表明抗裂贴对荷载型反射裂缝具有一定防治效果。同时，随着预切缝宽度增加，加铺相同抗裂贴试件出现贯穿裂缝的行车荷载作用次数减少，说明预切缝宽度增加对抗裂贴处治荷载型基层反射裂缝具有不利影响。

图5 行车荷载型疲劳试验结果

结合抗裂贴的性能指标进行对比分析可知，对于同一类型抗裂贴(YN或者WT)，当厚度和单位面积质量变化时，试件出现面层贯穿裂缝时的行车荷载作用次数相差很小，说明抗裂贴的厚度和单位面积质量变化对荷载型反射裂缝几乎没有影响。当抗裂贴的单位面积质量、厚度和断裂长率相同，而拉伸强度不同时，抗裂贴的拉伸强度越大，出现荷载型反射裂缝时的行车荷载作用次数越多，说明拉伸强度大的抗裂贴具有更好的荷载型反射裂缝防治效果。

3.2 温度荷载型疲劳

图6为温度荷载型疲劳试验结果，由图中数据可以发现，在不同裂缝宽度下，相较于未加铺抗裂贴的复合型试件，加铺4种抗裂贴试件温度荷载作用周期次数均增加了1倍以上，这表明抗裂贴对防治温度引起的反射裂缝具有明显效果。当加铺的抗裂贴相同时，随着裂缝宽度增加，温度荷载作用周期次数基本不变，说明温度型反射裂缝对于预切缝宽度并不敏感。

图6 温度荷载型疲劳试验结果

对比图6中YN20和YN30组数据可知，在相同裂缝宽度下，2种组合试件疲劳作用次数相差很小，表明二者在防治基层反射裂缝上效果相同。结合性能指标分析发现，二者的拉伸强度和断裂伸长率相差很小，而YN30型的厚度和质量均比YN20大，说明在一定条件下，抗裂贴的厚度和单位面积质量对防治温度型基层反射裂缝的效果影响不明显。究其原因是YN20型抗裂贴涂覆层的厚度已经能够满足粘结和施工性能要求，所以继续增加涂覆层厚度并不能有效增加抗裂贴防治温度型反射裂缝的效果。同样，对比分析WT20和WT30型的数据可知，结果和上述结论一致。

再次对比图6中YN组和WT组数据可知，当裂缝宽度相同时，WT20组试件比YN20试件疲劳荷载作用次数高了约15%。结合抗裂贴的性能指标进行分析发现，二者的厚度、单位面积质量和断裂伸张率几乎相同，而WT20型的拉伸强度比YN20型大16%左右(横向和纵向)，说明在抗裂贴的众多性能指标当中，拉伸强度对于防止荷载型基层反射裂缝起关键作用。同理，对比分析YN30和WT30组数据可以得到相同的结论。这可能是因为拉伸强度越大，在行车荷载作用下，抗裂贴延缓裂缝往两边扩展的能力越强。

综合试验结果可知，抗裂贴对于荷载型疲劳裂缝和温度型疲劳裂缝的防治均有一定效果，但对于温度型疲劳裂缝的效果影响更加明显，说明抗裂贴主要是用于防治温度型反射裂缝，但也有部分防治荷载型反射裂缝的效果。这是因为在行车荷载作用下，反射裂缝主要是剪切型裂缝，而抗裂贴的功能是层间抗拉，因此对荷载型反射裂缝作用不明显。增加抗裂贴的厚度、质量，对于沥青路面基层反射裂缝的防治效果没有提升作用。而抗裂贴的拉伸强度与基层反射裂缝的防治效果成正比，抗裂贴的拉伸强度越高，防治基层反射裂缝的效果越好。因此，选用路用防治反射裂缝用抗裂贴时，应当在满足规范要求的单位面积质量、厚度和断裂伸长率的情况下，选用拉伸强度较高的抗裂贴。