基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究.docx
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基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究
基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究
如何防治反射裂缝，使现有道路能够继续承担未来的交通荷载是旧混凝土路面加铺沥青混凝土需要解决的主要问题。
目前国内外通常采取的防反裂缝措施主要有增加沥青加铺层厚度、设置土工织物夹层、破碎旧混凝土板以及铺设应力吸收膜和应力吸收层等。
设计使用具有抵抗反射裂缝能力的沥青混合料和具有特定防裂功能的应力吸收层，增加沥青加铺层的疲劳寿命，同时防止水的渗透，是解决这一问题的有效方法和根本途径。
湖北早期修建的武黄高速公路（70Km）和汉宜高速公路（280Km）为混凝土路面，分别于1990年和1995年全线通车。
2001年武黄高速公路开始进行路面加铺改造，并于当年完成了2Km的试验路，2003年10月完成沥青路面加铺工程；2004年3月，根据武黄高速公路的设计、科研成果和使用效果，以及跟踪观测分析结果，汉宜高速公路全线采用应力吸收层系统路面结构进行沥青罩面，2005年12月完成沥青路面加铺工程。
本文依托湖北武黄、汉宜共计350Km高速公路旧混凝土路面沥青加铺工程，进行了基于应力吸收层系统加铺结构与其它防裂措施相对比的抗温度型、荷载型反射裂缝的疲劳试验研究和其性能验证研究。
期望通过对各种沥青加铺层结构抗反射裂缝能力的评价，为加铺工程优选最佳沥青加铺层结构提供理论依据。
1 沥青加铺层原材料
1.1 应力吸收层沥青及混合料性质
应力吸收层采用的沥青是美国科氏沥青材料公司提供的STRATA专用聚合物改性沥青，其主要技术指标见表1。
Strata应力吸收层混合料性质见表2。
STRATA应力吸收层结合料技术指标 表1
项目
针入度
/0.1mm
15℃延度
/cm
软化点
/℃
135℃
粘度
密度
/（g/cm3）
弹性恢复
/RTFO，25℃
指标实测值
93
115
87．5
2．76
1．027
99%
STRATA应力吸收层混合料性质数据 表2
方孔筛/㎜
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率/%
100
97.6
70.7
52.9
40.3
24.2
12.3
8.5
沥青用量/%
空隙率/%
矿料间隙率/%
维姆稳定度
小梁疲劳/次
8.8
0.9
19.2
20.3
>200000
1.2 沥青及沥青混凝土
温度型、荷载型大型足尺疲劳试验研究选用的沥青均采用兰炼AH-90重交道路石油沥青，利用MTS材料试验系统模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型疲劳试验采用韩国SKAH-90重交道路石油沥青；全厚度车辙试验上面层采用科氏改性沥青PG76，中面层采用科氏改性沥青PG70，调平层采用重交70号沥青；汉堡车辙试验均采用科氏改性沥青PG76；重交沥青、改性沥青其各项主要技术指标均满足有关规范要求。
武黄、汉宜高速公路实体工程均采用改性沥青PG70和PG76（但武黄高速公路调平层为AH-70重交沥青）。
沥青混凝土级配组成、沥青混凝土各项技术指标以及所使用的砂石料均满足有关规范要求。
其中汉堡车辙试验用混合料全部由施工现场获取，与沥青加铺层使用的混合料完全一致。
1.3 土工合成材料
试验研究选用的土工合成材料、有机合成纤维等主要技术指标均满足有关规范要求。
2 沥青加铺层结构
武黄高速公路试验路加铺结构见表3，加铺层总厚度10.5cm。
根据原路面的实际状况，武黄、汉宜高速公路的工程加铺结构见表4，加铺层总厚度12.5～16.0cm。
试验路加铺层结构 表3
序号
加铺层结构类型（由上到下）
1
4cmSuperpave12.5+4cmSuperpave-19+2.5cmSTRATA应力吸收层
2
直接加铺：
4cmSuperpave12.5+6.5cmSuperpave-19
3
4cmSuperpave12.5+6.5cmSuperpave-19+玻纤格栅（满铺、缝铺）
工程加铺层结构 表4
序
号
加铺层结构类型（由上到下）
1
4cmSuperpave12.5+6cmAC-20S+2.5cmSTRATA应力吸收层
2
4cmSuperpave12.5+6cmSuperpave-19+2.5cmSTRATA应力吸收层+2.5～4cmAC-10Ⅰ调平层
3
4cmSuperpave12.5+8～9cmSuperpave-19（兼调平层）+2.5cmSTRATA应力吸收层
4
4cmSuperpave12.5+6cmAC-20S+玻纤格栅+2.5cmAC-10Ⅰ调平层+土工布
5
4cmSuperpave12.5+6cmSuperpave-19（兼调平层）+6cmAC-20Ⅰ+土工布（兼调平层）
3 沥青加铺层结构试验研究
3.1 荷载型反射裂缝大型疲劳特性研究
根据典型的旧水泥混凝土路面沥青加铺层方案，结合武黄高速公路试验路加铺结构，共设计了4种沥青加铺层结构，在西安空军工程学院柔性道面实验室进行了水泥混凝土路面沥青加铺层的荷载型大型反射裂缝疲劳足尺试验研究。
在室内理想条件下采用大型反射裂缝疲劳试验台架进行不同加铺层结构的对比试验，模拟偏荷载作用下加铺层结构剪切型反射裂缝产生、发展过程。
通过室内试验模拟，检验不同加铺层结构特别是应力吸收层结构的防裂效果。
3.1.1 试验结构
沥青加铺层荷载型大型疲劳试验结构见表5。
沥青加铺层荷载型大型疲劳试验结构类型 表5
序
号
加铺层路面结构类型（由上到下）
试验结构
总厚度
1
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+水泥混凝土板
7cm
2
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+玻纤格栅+水泥混凝土板
7cm
3
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布+水泥混凝土板
7cm
4
5cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+2cmSTRATA应力吸收层+水泥混凝土板
7cm
3.1.2 试验设备
沥青加铺层反射裂缝大型试验台架如图1～图2所示。
疲劳试验中的动态加荷使用脉动疲劳试验机，最大的加载能力为500KN，加载频率为60次/min～540次/min。
施加荷载大小可按需要调整，数字显示，加载次数自动显示并记录。
疲劳试验机由主机、控制柜和施力锤三部分组成。
附属设备有反力架、承载板等。
图1试验台平面示意图（单位：
cm）
图2试验台立面示意图（单位：
cm）
3.1.3 试验结果
4种路面结构的偏荷载足尺疲劳试验结果见表6。
随着加载次数的增加，承载板附近接缝处开始出现初始裂缝，普通沥青混凝土加铺层AC-16Ⅰ（结构类型1）在4种结构中最早出现裂缝，最终整个加铺层裂缝贯通裂缝宽度最大为3.4mm；沥青混凝土加铺层AC-16Ⅰ+玻纤格栅（结构类型2）终裂时，与结构类型1结构相比，裂缝分布较疏，裂缝最大宽度为1.6mm；而结构类型3（7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布）裂缝分布规律与结构类型2类似，裂缝分布较结构类型1稀疏，且宽度较小，最大裂缝宽度为1.8mm，从初裂次数及终裂次数来看，土工布对防止剪切型反射裂缝的效果并不明显；应力吸收层结构（结构类型4）裂缝分布较疏且细，裂缝宽度也较小，最大为1.2mm，一般多为1mm以下，说明STRATA应力吸收层起到了吸收、减缓应力的作用。
4种路面结构的偏荷载足尺疲劳试验结果 表6
序号
加铺层结构类型（由上到下）
荷载作用次数
初裂次数/
万次
终裂次数/
万次
1
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ
10.86
12.43
2
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+玻纤格栅
12.11
14.56
3
7cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+土工布
11.36
13.25
4
5cm沥青混凝土AC-16Ⅰ+2cmSTRATA应力吸收层
12.74
15.63
3.1.4 小结
从大型疲劳试验结果来看，荷载型反射裂缝从承载板附近开始产生，然后向两侧扩展，沥青加铺层裂缝均集中在混凝土板接缝附近，说明沥青加铺层在接缝处产生应力集中而产生裂缝，并进一步发展导致加铺层断裂。
各加铺层抗剪切型反射裂缝能力由高到低依次为：
STRATA应力吸收层加铺层结构、玻纤格栅加铺层结构、土工布加铺层结构及普通沥青混凝土加铺层结构。
应力吸收层加铺层结构在4种加铺层中抗剪切型反射裂缝的效果最佳。
3.2 温度型反射裂缝大型疲劳特性研究
为了研究基于应力吸收层结构形式的温度疲劳特性，结合武黄高速公路试验路加铺结构，设计了3种沥青加铺层结构，在西安空军工程学院柔性道面实验室进行了水泥混凝土路面沥青加铺层裂缝开展的温度型大型反射裂缝疲劳足尺试验研究。
模拟温度作用下加铺层结构温度型反射裂缝产生、发展过程，通过进行对比试验，检验不同加铺层结构特别是应力吸收层结构防反射裂缝的能力。
3.2.1 试验结构
沥青加铺层温度型大型足尺疲劳试验试验结构见表7
沥青加铺层温度型大型足尺疲劳试验结构类型 表7
序号
加铺层路面结构类型（由上到下）
试验结构
总厚度
1
5cmAC-13I沥青混凝土+2cmSTRATA应力吸收层+水泥混凝土板
7cm
2
7cmAC-13I沥青混凝土+水泥混凝土板
7cm
3
7cmAC-13I沥青混凝土+玻纤格栅+水泥混凝土板
7cm
3.2.2 试验情况及试验条件
试验在反射裂缝疲劳试验台架上进行，试验台架由动力系统和实验系统2部分组成，其构造如图3所示。
图中A、B两块板是C30水泥混凝土板，其中A板为固定板，B板可沿水平方向作往复移动。
两板间的缝隙μ用来模拟水泥混凝土路面的缩缝。
试验时，动力系统在B板上施加水平的等幅交变荷载P，使A、B两板间的缝隙按一定的频率和一定的相对位移张开和闭合，以模拟水泥混凝土路面由于温度变化引起伸缩产生的水平相对位移。
施加的等幅交变荷载如图4。
图3疲劳试验台架示意图（单位：
cm）
图4等幅交变荷载示意图
为模拟一定温度条件下路面结构的工作环境，疲劳试验台备有降温设备。
试验时，将其罩在疲劳试验台架上，使路面结构的环境温度降到要求的低温状态，以获取低温条件下沥青混凝土加铺层疲劳特性的数据。
试验条件为①疲劳开裂荷载频率：
4次/min；②接缝水平位移初始值：
1mm；③试验温度：
（5）℃。
在铺筑好STRATA应力吸收层和玻璃纤维土工格栅防裂层后，在其上面直接加铺总厚度为7cm的沥青混凝土，并与直接在水泥混凝土面板上加铺的沥青混合料进行比较。
3.2.3 试验结果
随着试验的进行，首先在加铺层的某些薄弱部位出现相互独立的裂缝，随疲劳次数的不断增加，最后裂缝相互连接并贯通。
为研究裂缝的出现与发展及裂缝的扩展情况，在裂缝出现部位记录对应的加载次数，完全贯通时记录最终加载次数。
3种路面结构的足尺疲劳试验结果见表8。
3种路面结构的温度足尺疲劳试验结果 表8
防裂层类型
AC-13I
沥青混凝土
STRATA应力吸收层+
AC-13I沥青混凝土
玻纤格栅防裂层+
AC-13I沥青混凝土
加铺厚度/cm
7.0
5.0
7.0
STRATA应力吸收层
0
2.0
0
加载频率/次∙min-1
4.0
4.0
4.0
初始水平位移值/mm
1.0
1.0
1.0
疲劳荷载作用次数（5℃）
178
788
603
3.2.4 小结
大型足尺试验研究结果表明：
STRATA应力吸收层具有良好的消解水泥混凝土板块接缝处的应力集中现象，可有效地防止水泥混凝土面板由于温缩而引起的加铺层反射裂缝。
其良好的弹性和抗疲劳性能可使水平位移在较宽的范围内分散，使裂缝不会很快失稳扩展，延缓裂缝反射的速度。
STRATA应力吸收层+沥青混凝土结构形式在抵抗水泥混凝土面板的反射裂缝方面，优于其它2种结构形式。
3.3 弯拉型和剪切型反射裂缝MTS疲劳模拟验证试验研究
由于大型足尺疲劳试验耗费材料多、试验周期长，同时对同一种结构也不可能进行多组平行试验，这就造成试验数据的偏差和试验结果的不稳定性。
作为补充和校核，在前面足尺试验的基础上，在长安大学利用MTS材料试验系统模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种受力情况进行抗反射裂缝的疲劳试验。
期望通过进一步评价各种结构沥青加铺层抗反射裂缝的能力，为工程优选最佳沥青加铺层结构提供理论依据。
3.3.1 试验结构
结合武黄高速公路、汉宜高速公路实际加铺结构，以及大型足尺疲劳试验结果，试验采用5种不同加铺层结构类型（见表9），并利用MTS材料试验系统模拟旧水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种反射裂缝疲劳开裂方式进行试验研究，并以沥青加铺层反射裂缝随荷载作用次数作为试验评价指标。
加铺层反射裂缝MTS疲劳试验结构类型 表9
序
号
加铺层路面结构试验类型（由上到下）
1
5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+5cm水泥混凝土垫块
2
5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+玻纤格栅+5cm水泥混凝土垫块
3
5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+土工布+5cm水泥混凝土垫块
4
5cm纤维沥青混凝土AC-13Ⅰ+5cm水泥混凝土垫块
5
3cmAC-13Ⅰ沥青混凝土+2cmSTRATA应力吸收层+5cm水泥混凝土垫块
3.3.2 试验模型及加载模式
为模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型反射裂缝，试验采用两种加载方式，即中荷载加载及偏荷载加载，加载方式如图1所示。
试件长度为51.5cm，宽度为10cm，水泥混凝土垫块厚度为5cm，两块混凝土垫块之间留0.5cm宽的缝隙，加载时下垫3cm厚的橡胶垫层。
加载模式为沥青混凝土加铺层顶部沿宽度方向的条形荷载，加载面积为10cm×5cm。
试验时首先测定普通沥青混凝土加铺层结构（试验类型1）在中荷载（7.93KN）及偏荷载（8.20KN）作用下的极限破坏荷载，然后取0.4倍的极限荷载（最大加载值）为疲劳荷载来加载测定各加铺试件疲劳破坏次数，荷载比为0.1。
试验温度为15±1℃，加载波形为半正弦波，加载频率为10HZ。
在中荷载和偏荷载作用下，加铺层MTS疲劳试验反射裂缝设置了以1cm为单位的观测刻度线，来观测记录裂缝的发展。
图5加铺层反射裂缝MTS疲劳试验模型
3.3.3 疲劳试验结果及其结果
3.3.3.1 弯拉型（中荷载加载）疲劳试验
在垂直中荷载作用时，分别观测各加铺结构反射裂缝的初裂、扩展到1cm、2cm、3cm及终裂次数。
各试验方案沥青加铺层随疲劳荷载作用反射裂缝上升的沥青加铺层顶面的作用次数见表10。
弯拉型MTS疲劳试验结果 表10
序
号
加铺层试验类型
裂缝扩展到不同刻度时疲劳次数/次
初裂
1cm
2cm
3cm
终裂
1
5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
450
1080
1750
2650
3950
2
玻纤格栅+5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
780
1800
4140
8240
9350
3
土工布+5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
700
2290
3800
6540
7800
4
5cmAC-13Ⅰ纤维沥青混凝土
500
1300
4000
5220
6840
5
2cm应力吸收层+
3cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
AC-13Ⅰ
—
—
750
1200
9600
应力吸收层
1080
2520
15860
—
—
由表10可以看出，尽管铺设应力吸收层的普通沥青混凝土最终的开裂次数与普通沥青混凝土+铺玻纤格栅基本相同，但由于应力吸收层具有优异的抗中荷载破坏的能力，因此在实际工程中，加铺应力吸收层的沥青混凝土抗反射裂缝的能力要优于其它方案。
3.3.3.2 剪切型（偏荷载加载）疲劳试验
在偏荷载作用下，分别观测各种加铺结构反射裂缝的初裂、扩展到1cm、2cm、3cm及终裂次数。
通过室内试验，得出了各试验方案沥青加铺层随偏荷载疲劳荷载作用反射裂缝上升至沥青加铺层顶面的作用次数，试验结果见表11。
剪切型疲劳试验结果 表11
序
号
加铺层试验类型
裂缝扩展到不同刻度时疲劳次数/次
初裂
1cm
2cm
3cm
终裂
1
5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
1200
3650
7400
11820
13950
2
玻纤格栅+5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
1980
4600
7980
13500
19010
3
土工布+5cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
1650
4450
8100
13290
15360
4
5cmAC-13Ⅰ纤维沥青混凝土
2240
5890
9210
14200
17500
5
2cm应力吸收层+
3cmAC-13Ⅰ沥青混凝土
AC-13Ⅰ
—
—
2010
14760
20640
应力吸收层
3800
11500
23500
—
—
从表11可以看出，1、2、3、4四种方案在抵抗偏荷载作用的疲劳破坏方面，不管是裂缝的发展趋势还是抗疲劳作用的次数，基本没有什么大的区别。
但沥青混凝土下面加铺应力吸收层结构却由于应力吸收层可以吸收、扩散应力，增大应力分布范围作用使得在偏荷载作用下，沥青混凝土的抗反射裂缝的能力大大提高
3.3.3.3 小结
在抗荷载型反射裂缝方面，不管是弯拉型（中荷载加载）疲劳试验还是剪切型（偏荷载加载）疲劳试验，应力吸收层加铺结构是最好的，而玻纤格栅结构次之，最差的结构是在水泥混凝土上直接加铺普通沥青混凝土结构。
4 基于应力吸收层的沥青加铺层结构性能验证研究
4.1 全厚度车辙试验研究
4.1.1 试验结构
通过全厚度与标准层对比车辙试验可知：
全厚度车辙试验与标准厚度车辙试验虽然有一定的差距，但全厚度车辙试验能够更好地模拟路面的实际情况。
根据武黄、汉宜高速公路实际加铺工程结构，选用表4中结构类型2进行全厚度车辙试验研究，验证应力吸收层结构的抗车辙能力。
结构类型2在STRATA应力吸收层上沥青罩面厚度为10厘米，最不利情况下的软弱层即应力吸收层和调平层共计厚6厘米，试验总厚度16厘米。
试验结构见表12。
加铺层全厚度车辙试验结构 表12
序号
加铺层结构类型（由上到下）
1
4cmSuperpave12.5+6cmAC-20S+
2.5cmSTRATA应力吸收层+3.5AC-10Ⅰ调平层
4.1.2 试验设备及试件成型特点
采用华中科技大学改进的ZCZ－7型自动车辙试验仪制作全厚度轮碾成型试件，在高温、超载条件下进行车辙试验。
试件成型特点：
试件总厚度与实际工程一致；模拟实际摊铺程序，分层成型试件，分成控制压实度。
4.1.3 超高温、超载条件下的全厚度试验
分别做沥青混合料在60℃、65℃、70℃时不同温度下的车辙试验，来模拟高温对车辙的影响，超高温条件下沥青混合料的动稳定度随温度变化情况见图6，从动稳定度随温度变化图可以看出：
以0.9MPa为例，当温度从60℃变化到65℃时动稳定度下降了45.1％，而当温度从65℃变化到70℃时动稳定度下降了43.3％，可见试验温度对动稳定度的影响相当大。
当然，不同条件下的试验结果会有所不同，但其变化规律值得借鉴；
（a）轮压0.7MPa （b）轮压0.9MPa （c）轮压1.1MPa
图6沥青混合料的动稳定度随温度变化图
分别做沥青混合料在0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa时不同温度下的车辙试验，来模拟超载对车辙的影响，超载条件下沥青混合料的动稳定度随温度变化情况见图7，从动稳定度随轮压变化图可以看出：
以65℃为例，当轮压从0.7MPa变化到0.9MPa时动稳定度下降了62.1％，而当轮压从0.9MPa变化到1.1MPa时动稳定度下降了40.5％。
当然，不同条件下的试验结果会有所不同，但其变化规律应该具有相似性。
图7沥青混合料的动稳定度随轮压变化图
4.1.4 小结
全厚度车辙试验证明：
在60℃、0.7MPa标准条件下动稳定度（DS）平均为4786次/mm,满足规范要求，说明基于应力吸收层的加铺结构抗车辙能力良好；STRATA应力吸收层和AC-10Ⅰ调平层下面两层动稳定度（DS）虽然低于600次/mm，它们对加铺层整体抗车辙能力影响很小，调平层主要对旧水泥混凝土路面起调平作用。
应力吸收层主要功能（得到充分应用）在于吸收扩散应力，防止和延缓反射裂缝产生。
4.2 汉堡车辙试验
4.2.1 试验结构和试验目的
为进一步验证基于应力吸收层Strata加铺结构系统的抗车辙能力，用汉堡车辙试验仪对整个路面结构进行抗车辙能力试验验证。
该试验的目的主要是评价混合料高温稳定性和抗水损能力，以及STRATA沥青混合料对罩面层厚度的敏感程度。
考虑到汉堡车辙仪配套的成型仪最大成型厚度为10cm，所以试验加铺层结构为：
二层汉堡车辙试验选取6cmAC-20S沥青混凝土+2cmSTRATA应力吸收层（由上到下），三层汉堡车辙试验选取4cmSuperpave-12.5+4cmAC-20S沥青混凝土+2cmSTRATA应力吸收层（由上到下）。
试验用混合料全部由施工现场获取，与沥青加铺层使用的混合料完全一致。
4.2.2 试验条件和试验组合
为了增加对比试验的可比性，将汉堡车辙试验常规温度提高了5℃；二层汉堡车辙试验温度取50℃，三层汉堡车辙试验温度取55℃水浴，轮载次数20000次，或直至车辙深度达到20mm终止；荷载0.7MPa，轮载频率60次/分钟；STRATA混合料试件空隙率为4%；AC-20S试件空隙率为6%。
Superpave-12.5试件空隙率为7%。
具体试验组合见表13：
汉堡车辙试验结构组合 表13
类型
组合
厚度（cm）
空隙率（%）
二层
AC-20S+STRATA应力吸收层
6.0+2.5
6，4
三层
Superpave-12.5+AC-20S
+STRATA应力吸收层
4.0+4.0+2.0
7.0，6.0，4.0
4.2.3 试验结果
汉堡车辙试验结果见表14。
汉堡车辙试验结果 表14
类型组合
单位
车辙深度
（mm）
蠕变速率
（次/mm）
剥离速率
（次/mm）
双层AC-20S
+STRATA应力吸收层
组合1
3.06
3427
10465
组合2
4.82
2103
11367
组合3
3.60
4159
7731
三层Superpave-12.5
+AC-20S
+STRATA应力吸收层
组合1
3.96
--
--
组合2
6.32
4057
2358
组合3
4.45
4513
4479
注：
①由于仪器数据自动采
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