瀝青路面抗裂材料性能對比試驗研究

作者簡介：

張紅春（1985—），碩士，工程師，主要從事高速公路養護管理工作。

摘要：半剛性路面結構由于其材料特性將不可避免地出現反射裂縫，而采用抗裂材料進行反射裂縫防治是目前最行之有效的手段。為更好地評價抗裂材料性能，文章選取了市面上常用的抗裂貼、土工布和高性能應力吸收膜三種抗裂材料進行室內試驗，主要包括拉拔試驗、扭剪試驗、抗水損試驗、疲勞試驗以及綜合成本比選。結果表明：抗裂材料能夠有效增強結構的力學強度、抗水損性能以及疲勞壽命，高性能應力吸收膜增強效果最強，抗裂貼次之，土工布最弱。綜合各方面成本比選，抗裂貼是性價比最高的抗裂材料，可大規模推廣使用。

關鍵詞：瀝青路面;抗裂材料;試驗研究

中國分類號：U416.03A090313

0 引言

半剛性路面結構是我國高等級公路最常見的路面結構，通常由半剛性基層與瀝青面層構成。半剛性基層采用水泥穩定類材料，可以使得路面結構具備較強的荷載承受能力，能夠有效抵抗行車荷載對瀝青路面的破壞，起到“強基薄面”的效果[1-2]。但半剛性基層由于材料特性容易產生干縮、溫縮裂縫，隨著病害逐漸加重將形成反射裂縫，極易影響到路面整體結構的正常使用[3-5]。目前針對反射裂縫的處置手段仍是通過在基層與面層之間設置抗裂層防止反射裂縫擴展，以此延長路面的使用壽命。

現階段針對抗裂層的研究主要集中在反射裂縫形成機理、施工應用等方面，對材料本身性能的研究較少。因此，本文選取了目前抗裂層應用較多的三種材料，通過不同室內性能試驗對比研究材料優劣，為后續抗裂材料的使用提供參考意見。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

本文研究的三種抗裂材料分別為土工布、抗裂貼以及高性能應力吸收膜。其中土工布產自山東德旭達土工材料有限公司，抗裂貼產自山東泰安山一新材料科技有限公司，高性能應力吸收膜產自南京蘇伊爾工程材料有限公司。三種抗裂材料的主要物理性能指標如下頁表1所示。

1.2 試件制備

本文通過制備“水泥混凝土+抗裂層+瀝青混合料”復合結構試件模擬實際路面結構，對抗裂材料進行性能對比試驗。復合試件制備過程為：先在5 cm厚的車轍試模中澆筑C40水泥混凝土，標準條件下養護28 d，使其達到規定強度后進行脫模。去除水泥混凝土試件表面浮漿、雜質后及時撒布熱瀝青（瀝青撒布量為1.1～1.2 g/m2）并鋪設抗裂材料。鋪設完抗裂材料后迅速將試件放入10 cm厚的雙層車轍試模當中并加入熱拌AC-13瀝青混合料碾壓成型，將試件脫模后即可得到復合試件。水泥混凝土板以及熱拌AC-13瀝青混合料的原材料及配合比等要求分別滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）和《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的相關規定。

1.3 試驗方法

將復合試件進行鉆芯取樣后，分別進行抗拉拔試驗和扭剪試驗以評價抗裂材料的粘結強度和抗剪切性能。參考凍融劈裂試驗環境條件處理芯樣后，進行抗拉拔試驗和扭剪試驗以評價抗裂材料的抗水損害性能。將復合試件切割成小梁試件（長、寬、高分別為15 cm、7 cm、8 cm），其中上層瀝青混合料層厚5 cm，下層水泥混凝土厚3 cm，并依據試驗要求，在中線處預先切割2 mm寬、深度為3 cm的切割裂縫，按照Overlay Tester（獨立式瀝青罩面層測試系統）操作要求進行試驗，以疲勞破壞次數評價抗裂材料的抗疲勞性能。所有試驗操作滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的相關要求。

2 試驗結果分析

2.1 拉拔試驗和扭剪試驗

本文通過粘層油粘結強度試驗儀對復合試件芯樣進行拉拔試驗和扭剪試驗，以此評價不同抗裂材料的粘結強度和抗剪切性能，具體試驗結果如圖1、圖2所示。

從圖1和圖2的數據可以得出，與未添加抗裂材料的復合試件相比，添加抗裂材料的復合試件無論是抗拉強度還是抗剪強度都大幅度增加，這說明抗裂材料的添加對復合試件整體結構之間的粘結以及抗扭剪性能有較大提升。三種添加抗裂材料的復合試件抗拉強度及抗剪強度試驗結果保持一致的規律，高性能應力吸收膜的抗拉強度和抗剪強度分別為1.5 [HTSS]MPa和4.2 [HTSS]MPa;抗裂貼的強度較為接近高性能應力吸收膜，分別是其抗拉強度的91%和抗剪強度的92%;土工膜的強度最小，其抗拉強度及抗剪強度僅分別為高性能應力吸收膜的63%和82%。試驗結果表明，高性能應力吸收膜的層間粘結性和抗剪切性能最好，抗裂貼次之，土工布最小。造成這一結果主要是由抗裂材料自身材料特性所決定的：土工布是一種透水性土工合成材料，主要是由合成纖維針刺和編制而成，材料本身不含瀝青涂層;而高性能應力吸收膜和抗裂貼均含有熱涂層瀝青，熱涂層瀝青在受到上層混合料碾壓時可進一步提升整體結構的粘結性，進而增加試件的整體強度。

2.2 抗水損試驗

為更好地模擬實際水損壞條件對抗裂材料的影響，本文借鑒凍融劈裂試驗的環境模擬方法，將復合試件放入-18 ℃的恒溫冰箱保持16 h，取出后立即放入60 ℃的恒溫水槽中保溫24 h，接著在20 ℃的恒溫水槽中浸放2 h，最后進行拉拔試驗和扭剪試驗，通過凍融后抗拉強度和抗剪強度比值評價抗裂材料的抗水損性能。具體結果如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4的試驗結果來看，經過凍融后的抗拉強度和抗剪強度均出現較大程度的衰減。未添加抗裂材料的復合試件經凍融后，其抗拉強度與抗剪強度均下降了66%左右，其強度值低于其他添加抗裂材料的復合試件強度，這說明抗裂材料的添加使得復合試件在水損害條件下仍能具備一定的工作強度。就三種添加抗裂材料的復合試件而言，高性能應力吸收膜強度衰減最小，其抗拉強度和抗剪強度分別降低了40%和25%;其次是抗裂貼的抗拉強度和抗剪強度分別下降45%和34%;強度衰減幅度最大的是土工布，其抗拉強度和抗剪強度分別下降了68%和43%。這說明高性能應力吸收膜的抗水損性能最好，其次是抗裂貼，土工布最差。

2.3 疲勞試驗

采用Overlay Tester試驗臺對復合試件進行疲勞試驗。Overlay Tester試驗臺分為固定板和可移動板兩部分，在兩塊板之間預設2 mm的間隙模擬初始反射裂縫，復合試件水泥混凝土部分也預先切割2 mm的裂縫，將試件對準兩塊板的裂縫間隙后用環氧樹脂粘貼在試驗臺上。設定試驗環境溫度為-15 ℃，試驗開啟后可移動板按周期性應力進行往返運動模擬基層的開裂，記錄面層出現疲勞破壞時的次數作為評價抗裂材料抗疲勞性能的依據。具體試驗結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，在預留裂縫寬度2 mm的條件下，添加抗裂材料的復合試件的疲勞破壞次數遠大于未添加抗裂材料的復合試件，這說明添加抗裂材料能夠有效提升結構抗反射裂縫能力，實現結構疲勞壽命的顯著提升。就三種添加抗裂材料的復合試件而言，不同抗裂材料的疲勞破壞次數由大到小的順序為高性能應力吸收膜、抗裂貼、土工布。這主要是因為高性能應力吸收膜和抗裂貼具備良好的柔韌性和延展性，材料本身具備較高的抗拉強度可有效消緩裂縫處出現的應力集中現象，進而延緩裂縫進一步往面層擴展的趨勢;而土工布則由于本身材料的抗拉強度不足，對延緩反射裂縫的效果不佳。

3 綜合成本比選

目前市面上土工布的采購價格為2～3元/m2，抗裂貼為9元/m2，高性能應力吸收膜為13元/m2。從經濟成本角度分析，土工布的單價較低，是最為合適的抗裂材料，但在實際施工應用中，土工布材料厚度較小，在施工過程中不易被拉進滿鋪，導致其施工性能不佳，進而影響到實際應用效果。就性能表現而言，采用高性能應力吸收膜能使結構具備良好的強度性能以及較好的疲勞壽命，但其經濟成本較高，不利于大面積施工應用。綜合經濟成本、施工性能及性能表現來看，抗裂貼是兼具各方面優勢、性價比最高的抗裂材料，可大面積推廣使用。

4 結語

（1）與未加鋪抗裂材料的復合試件相比，采用抗裂材料能夠有效提高復合試件的力學強度性能、抗水損性能及疲勞壽命。

（2）通過對三種添加抗裂材料的復合試件進行性能試驗分析，高性能應力吸收膜對復合試件的力學強度、抗水損性能以及[JP+1]疲勞壽命增強效果最強，其次是抗裂貼，土工布改善效果最弱。

（3）綜合經濟成本、施工性能以及試驗性能來看，抗裂貼是性價比最高的抗裂材料，可大規模推廣使用。

參考文獻：

[1]李汝凱.重載條件下復合式路面防反技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[2]李 靖.西寧至互助公路擴能改造工程關鍵性技術研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2018.

[3]吳茂軍.高速公路改擴建路面檢測評價及裂縫處置技術研究[J].建筑技術開發，2020，47（6）：94-96.

[4]夏 凱，蘭布爾.高速公路改擴建施工既有路面病害處治施工技術[J].公路交通科技（應用技術版），2019，15（6）：62-65.

[5]鄭茂參，杜鴻儒，李文凱.道路抗裂貼防治反射裂縫性能研究[J].湖南交通科技，2021，47（1）：8-11.

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