撒布型應力吸收層技術性能的試驗方法

耿立濤， 楊新龍， 徐惠芬， 王顯赫

（1.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.山東建筑大學 山東省道路與交通工程高校重點實驗室，山東 濟南 250101）

反射裂縫病害是半剛性基層瀝青路面的一種常見且具有巨大潛在破壞性的病害，在影響路面美觀和行車舒適性的同時，還為水侵入路面結構提供了通道，從而誘發路面結構的早期破壞［1－2］.國內外專家學者針對反射裂縫提出了多種防治措施，如半剛性基層預切縫、加厚瀝青面層、設置土工織物隔離層、設置級配碎石過渡層等等［3－7］.這些防治措施各有優勢，但缺點也顯而易見.例如，半剛性基層預切縫和加厚瀝青面層雖能延緩反射裂縫的出現時間，但無法阻止反射裂縫產生；設置級配碎石過渡層防治反射裂縫效果良好，但可能受設計標高的限制；設置土工織物對基層質量和施工控制質量敏感等等.應力吸收層是近年出現的用于防治半剛性基層瀝青路面反射裂縫的一種新型技術手段，它是一種具有高彈性、高變形能力的軟夾層，通常設置在半剛性基層和瀝青面層之間，可分為混合料型和撒布型兩種，因兼具使用性和經濟性優勢，在工程應用中取得了較好的效果［8－9］.但由于應用年限較短，國內尚無標準的技術性能測試及設計方法，混合料型應力吸收層多參照瀝青混合料的設計方法，撒布型應力吸收層則多依照工程經驗來選取設計參數［10］.

本文開展撒布型應力吸收層技術性能試驗方法的研究，通過分析其使用功能，設計了相應的抗反射裂縫性能、抗剪性能和抗拉性能的試驗方法，并分別以橡膠瀝青應力吸收層和SBS改性瀝青應力吸收層對所設計的試驗方法進行檢驗分析.結果表明本文設計的試驗方法可操作性強、試驗結果合理且規律性明顯，從而為撒布型應力吸收層的技術評價、瀝青類型的選擇以及設計參數的確定提供了一種途徑.

1 撒布型應力吸收層

撒布型應力吸收層是為防治反射裂縫而設計的鋪筑于半剛性基層與瀝青面層（或舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層）之間的一種特殊的碎石封層，通常以聚合物改性瀝青材料作為黏結劑，其上撒鋪單一粒徑碎石并經碾壓而成［11］.撒布型應力吸收層充分利用了改性瀝青的高彈性、高變形能力，以及石料可消解應力集中但不傳遞拉應力的特性，因而具備防治反射裂縫的能力.此外，撒布型應力吸收層采用的單一粒徑碎石還為瀝青層提供了較大的摩阻力，瀝青經碎石擠壓后可形成一層較厚的防水層，為路面結構提供了封水能力.

撒布型應力吸收層除應具備防治反射裂縫的基本功能外，由于在行車荷載作用下路面結構內部將產生剪切應力和豎向拉應力，應力吸收層與半剛性基層和瀝青面層間還應保證足夠的黏結性，不至于因其抗剪強度或抗拉強度不足而引起面層與基層的水平滑移或豎向脫離.

2 撒布型應力吸收層技術性能的試驗方法研究

設計合理的技術性能試驗方法應滿足測試指標與使用功能相對應、方法簡單且可操作性強、測試結果規律性明顯等要求.為此，本文在分析撒布型應力吸收層使用功能的基礎上來設計相應的試驗方法，并選擇以實際工程中常用的應力吸收層對試驗方法進行檢驗.采用9.5～13.2mm的單一粒徑石料，以80%滿鋪率作為石料的標準撒鋪量，分別以SBS改性瀝青和橡膠瀝青作為黏結劑，在1.5，1.8，2.1，2.4kg／m2的瀝青灑布量下進行測試，通過試驗結果來分析試驗方法的適用性.

2.1 抗反射裂縫性能試驗設計

抗反射裂縫能力是撒布型應力吸收層設計時首要考慮的因素.由于應力吸收層的抗反射裂縫效果還與半剛性基層和瀝青面層相關，因此抗反射裂縫性能試驗設計時采用“半剛性基層＋應力吸收層＋瀝青混合料”形式的復合試件較為合適.另一個需要考慮的問題是以何種指標來評價復合試件中應力吸收層的抗反射裂縫能力.由于反射裂縫的擴展形式與四點彎曲疲勞試驗的梁式試件受力狀態相符，因此可以利用四點彎曲疲勞試驗來測定復合試件的疲勞壽命，以此作為應力吸收層抗反射裂縫能力的評價指標.本文設計了圖1所示的復合梁式試件，其上層為AC－25瀝青混合料（模擬瀝青路面的下面層），厚30mm；中間層為應力吸收層，厚10mm，下層為預切縫的水泥穩定碎石（縫寬2mm，模擬開裂的半剛性基層），厚10mm；復合梁式試件的整體尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm.首先預制了500mm×500mm×40mm尺寸的水泥穩定碎石，其上按設計的瀝青灑布量和石料撒鋪量鋪設應力吸收層；成型后置于大型輪碾成型試模內，其上撒鋪設計厚度為75mm的AC－25瀝青混合料并壓實，經切割后獲得設計尺寸的復合梁式試件.對復合梁式試件進行四點彎曲疲勞試驗，試驗溫度取為15℃，施加頻率為10Hz的半正弦荷載，應變控制水平為800×10－6，以復合梁式試件的勁度模量降低至初始模量的50%所對應的荷載作用次數表征其疲勞壽命.

圖1 應力吸收層復合梁式試件Fig.1 Sketch of composite beam specimen with stress absorbing layer

圖2為兩類應力吸收層復合梁式試件疲勞壽命的測試結果.由圖2可見，兩類應力吸收層復合梁式試件的疲勞壽命均隨著瀝青灑布量的提高而增加，原因在于瀝青灑布量增加時應力吸收層中瀝青膜厚度增加，而較厚的瀝青膜具備更強的吸收應力能力，故導致試件的疲勞壽命增加.此外，相同的瀝青灑布量下，橡膠瀝青應力吸收層復合梁式試件的疲勞壽命優于SBS改性瀝青應力吸收層復合梁式試件，這是因為橡膠瀝青中的橡膠顆粒具有較高的回彈變形和應力吸收能力.圖2的試驗結果符合對應力吸收層及瀝青材料特點的常規認識，規律性強且對瀝青灑布量變化敏感，表明所設計的抗反射裂縫性能試驗方法合理.

圖2 復合梁式試件疲勞壽命的測試結果Fig.2 Test results of fatigue life for composite beam specimen

2.2 抗剪性能試驗設計

車輛加（減）速時會引起路面結構內部較大的剪切應力，若應力吸收層與瀝青面層或基層的黏結力不足，將可能導致瀝青面層產生水平推移，因此應力吸收層應具有足夠的抗剪強度.一些研究中采用斜剪試驗或直剪試驗來研究材料的抗剪性能［12］.由于撒布型應力吸收層是一種薄層結構，需與上下層結合考慮，以斜剪試驗測試其抗剪強度不易獲得理想的剪切面，而直剪試驗雖然更容易實現剪切過程，但忽略了不對稱荷載引起的偏心彎矩的影響.鑒于此，本文對應力吸收層直剪試驗的測試裝置進行了改進，考慮最不利因素，以光滑的鋼板模擬半剛性基層材料，在瀝青混合料和鋼板之間設置兩層應力吸收層（見圖3），利用測試裝置的對稱性來抵消剪切荷載偏心彎矩的影響，以此對應力吸收層進行剪切試驗.試驗溫度取為20℃，加載速率取為10mm／min，并利用式（1）計算應力吸收層的抗剪強度：

式中：τ為抗剪強度，kPa；Fmax為試驗測定的最大荷載，kN；S為單側應力吸收層的面積，m2.

圖3 應力吸收層剪切試驗裝置示意圖Fig.3 Sketch of shear test facility for stress absorbing layer

剪切試驗完成后，破壞面出現在兩側的應力吸收層中，與預期相符.圖4給出了兩類應力吸收層抗剪強度測試結果.可以看出，兩類應力吸收層抗剪強度均隨著瀝青灑布量的增加而先增大后減小.原因在于當瀝青灑布量較小時應力吸收層黏結瀝青量不足，而瀝青灑布量較大時多余的瀝青會在半剛性基層與瀝青面層之間形成軟弱夾層，這樣均會削弱材料的抗剪強度，只有在瀝青灑布量合適時應力吸收層的抗剪強度才能達到最大值.此外，由圖4還可看出，相同瀝青灑布量下，橡膠瀝青應力吸收層比SBS改性瀝青應力吸收層具有更高的抗剪強度，可見本文設計的抗剪強度試驗方法可以區分出瀝青類型對應力吸收層抗剪強度的影響.

圖4 應力吸收層抗剪強度測試結果Fig.4 Test results of shear strength of stress absorbing layer

2.3 抗拉性能試驗設計

行車荷載在引起路面結構內部剪切應力的同時，還將在結構層間產生豎向拉應力，因此應力吸收層還應具有足夠的抗拉強度.本文最初設計以應力吸收層復合試件（結構形式與圖1相同，試件尺寸變為63.5mm×63.5mm×50.0mm）進行抗拉試驗，其中復合試件上下表面分別用環氧樹脂與鋼壓頭黏接固定，然后在20，40℃條件下進行了試驗，結果發現20℃時在環氧樹脂黏結端產生了斷裂，在40℃條件下斷裂面出現在軟化的瀝青混合料層內部（見圖5，6），故需對測試方法進行調整.

圖5 抗拉試驗中復合試件的環氧樹脂黏結端斷裂Fig.5 Fracture of epoxy resin on the side of composite specimen during tensile test

圖6 抗拉試驗中復合試件內瀝青混合料層斷裂Fig.6 Fracture of asphalt mixture in composite specimen during tensile test

遵循剪切試驗的設計思路，仍以鋼板替代半剛性基層，將剪切試驗裝置旋轉90°即可進行拉拔試驗.在20℃條件下，以10mm／min的拉伸速率進行拉伸試驗，獲得了兩類應力吸收層的抗拉強度，試驗結果見圖7.從測試結果來看，應力吸收層的抗拉強度對瀝青類型和瀝青灑布量具有敏感性，橡膠瀝青應力吸收層和SBS改性瀝青應力吸收層的峰值抗拉強度及其對應的瀝青灑布量均不相同，這與工程經驗相符，也體現了抗拉強度試驗方法的適用性.

圖7 應力吸收層抗拉強度測試結果Fig.7 Test results of tensile strength of stress absorbing layer

3 試驗結果分析

由上述的測試結果可知，在石料粒徑及其撒鋪量已確定的條件下，撒布型應力吸收層的抗反射裂縫能力、抗剪強度和抗拉強度受瀝青類型和瀝青灑布量的影響顯著：隨著瀝青灑布量的增加，應力吸收層的抗反射裂縫能力增強，而抗剪強度和抗拉強度先增大后減小，且抗剪強度和抗拉強度峰值所對應的瀝青灑布量相近；相同的瀝青灑布量下，瀝青類型對應力吸收層的各項技術指標具有較大影響；進行應力吸收層設計時，選擇合適的瀝青類型和瀝青灑布量尤為重要.通過上述試驗，可以獲得撒布型應力吸收層各項技術性能的變化規律.

4 結論

在分析撒布型應力吸收層使用功能的基礎上，設計了相應的抗反射裂縫性能、抗剪性能和抗拉性能的試驗方法，并以兩種常用的撒布型應力吸收層對試驗方法進行了檢驗.結果表明設計的試驗方法可操作性強、試驗結果合理且規律性明顯，從而為撒布型應力吸收層的評價及設計參數確定提供了一種途徑.

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