基于复合梁疲劳试验的半刚性基层抗反射裂缝性能评价

徐世法， 胡超峰， 胡伦福， 李书飞， 陈 涛， 孙传夏

(1. 北京建筑大学 北京市城市交通基础设施工程技术中心，北京 100044； 2.河南中原高速公路股份有限公司， 河南 郑州 450000； 3. 北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044； 4. 北京首发公路养护工程有限公司，北京 102600； 5. 河南省交通运输厅公路管理局，河南 郑州 450015)

0 引言

路面抗反射裂缝性能是反应路面性能重要指标，国内外有很多实验用于评价该性能。弯曲拉伸疲劳试验、直接拉伸疲劳试验、四点弯曲疲劳试验用于室内试验；室外实验则包括足尺路面疲劳试验等[1]。室外实验虽然可以更好地模拟反射裂缝的形成，更能反应实际情况，但也存在例如试验结果受外界环境影响大、成本较大、试验所需时间长等缺点。故国内外的研究人员大多偏向于进行室内试验来模拟疲劳试验。四点弯曲实验是应用较多的，甚至美国SHRP计划已经将其列为标准试验[2]。

由于传统的四点弯曲实验试件不能模拟水稳碎石基层路面的反射裂缝的产生与发展，因此，本文改进了实验试件，优化后的试件总共分为3层，底部模拟基层，采用水泥稳定碎石，中间为层间防裂夹层，上部为沥青混合料面层，可以更好地模拟水稳基层路面结构。通过对3种防裂夹层复合梁的疲劳寿命测试，即可得到防裂夹层的抗反射裂缝性能数据。

1 水稳基层路面层间措施抗反射裂缝疲劳试验设计

四点疲劳试验系统由两部分组成，一部分是实验装置，另一部分是数据采集装置。

传统的小梁四点疲劳试验用于评价沥青混合料的性能，但夹层对反射裂缝防治的影响，该实验不能很好地反映。西南交通大学艾长发[3]等人改进小梁弯曲疲劳试验的实验试件，在传统的小梁中间加入层间防裂措施，上下部分分别模拟沥青面层和基层。同济大学周富杰[4]将混凝土板作为下层，模拟了刚性基层的路面结构。但是国内外对于半刚性路面结构中抗反射裂缝的层间措施的模拟仍缺乏系统研究，因此本文通过改进优化试验，模拟出水稳基层路面结构，结构图如图1所示。

图1 疲劳试验切缝小梁四点加载示意图Figure 1 Schematic diagram of four-point loading of the trabecular beam of the fatigue test

1.1 试件尺寸

本文设计的切缝小梁疲劳试件与传统小梁尺寸一致，长×宽×高=380 mm×65 mm×50 mm，用UTM-25进行测试。为使小梁试件与实际路面状况一致，将试件中半刚性基层的高度确定为15mm，层间防治措施高度为5mm，沥青面层的高度为30mm。试件如图2所示。

图2 试验试件Figure 2 Test specimen

1.2 试件成型方法

首先成型试件，然后进行养生，将养生后的试件进行刮毛处理，试件中间进行防裂措施；对沥青混合料面层进行静压成型，然后用切割机成型复合梁试件。AASHTO T321标准规定合格试件长为(381±6)mm，宽为(63±6)mm，高为(50±6)mm。故被实验所切割尺寸长为380mm，宽为65mm，高为50mm。

1.3 试验的加载

本文采用控制应变模式作为试验的加载模式。加载过程中，保证试件底部的拉应变恒定，并且保证试件的劲度模量逐渐降低[5-7]，劲度模量变为原始的50%时，停止加载，试件的疲劳寿命即为停止试验时荷载的作用次数。

1.4 频率水平的确定

汽车行驶速度越高，车辆载荷作用于路面的时间越短，反之作用时间越长。通过调查统计得出汽车轮胎在路面横断面的加载时间大约为0.016s，推算出测试的加载频率为10Hz。

1.5 应变水平的确定

四点弯曲疲劳试验的应变水平的大小决定了试件的弯曲变形程度[11]，因此应变水平的大小应合理。所以选择500με、1000με、1500με的应变，进行试验，加载后得到对应应变下的试件的疲劳次数。

1.6 试验步骤

a.试件养护。

试件切割成标准尺寸后，放入15℃的环境箱(我国在道路设计时，常将15℃定为最不利的温度)中进行6h的养护。

b.试件安装。

将养护完成的试件放入四点弯曲疲劳实验装置夹具内，并且观察传感器的位置，是否正确的放置在试件表面。

c.参数设定。

该试验用UTM-25实验设备进行测试，在控制界面中输入试验参数，设置500με，1000με，1500με 这3种应变水平，测试频率为10Hz，并设定当试件的劲度模量下降到初始的50%时结束试验。

2 原材料性能及级配

2.1 沥青混合料面层

a.沥青性能指标。

为更加准确反映层间措施对反射裂缝的处置效果，选用SBS改性沥青，各项指标如表1所示，试验结果符合《公路沥青路面施工技术规范》[8]、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[9]中对改性沥青的相关的规定。

表1 SBS改性沥青试验指标Table 1 SBS modified asphalt test indicators类别针入度(100 g,25 ℃5 s)/0.1 mm针入度指数PI软化点/℃135 ℃运动粘度/(Pa·s)5 ℃延度/cm闪点/℃溶解度/%弹性恢复/%离析,48 h软件点差/℃TFOT残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(5 ℃)/cm质量损失/%指标要求60～80>-0.4≥70.0≤3.0≥30.0≥230.0≥99.0≥65.0≤2.5≤60.0≥20.0≤0.80试验结果62.71.072.82.931.9261.099.187.71.763.121.00.02试验方法T0604-2011

b.集料性能指标。

本实验采用的石料主要是石灰岩，矿料主要为矿粉，石灰岩粒径包括3～5、5～10、10～15 mm。通过测试，石料能够符合《公路工程集料试验规程》[10]的规范要求，粗集料、细集料与矿粉能够满足《公路沥青路面施工技术规范》[11]的规范要求。

c.沥青面层混合料级配。

本文采用AC-13型沥青混合料作为面层，级配设计结果、级配曲线如表2、图3。油石比为4.7%。

表2 沥青面层混合料级配设计结果Table 2 Asphalt surface layer gradation design results筛孔尺寸/mm不同级配的通过率/%级配下限级配上限级配中值合成级配16.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100.0 90.0 68.0 38.0 24.0 15.0 10.0 7.0 5.0 4.0100.0100.0 85.0 68.0 50.0 38.0 28.0 20.0 15.0 8.0100.0 95.0 76.5 53.0 37.0 26.5 19.0 13.5 10.0 6.0100.0 94.1 68.3 42.0 26.3 14.1 11.3 7.9 6.9 5.6

图3 沥青面层混合料级配曲线Figure 3 Asphalt surface layer gradation curve

2.2 水稳基层

a.原材料性能。

本文采用以下两类作为水稳基层材料，第一类是废旧水稳碎石材料，一类为粒径分别为0～5、5～10和10～20 mm的石灰岩。首先要求对旧料进行烘干，然后筛分，以4.75 mm粒径大小为界限，大于4.75 mm为粗集料，否则为细集料。

b.水稳碎石基层级配。

通过试验确定对水稳碎石基层的旧料进行整体掺配，其中旧料与新料的使用质量比值为6∶4。级配设计结果见表3，级配曲线见图4。

2.3 SBS沥青混合料应力吸收层

a. SBS沥青原材料性能。

由于SBS沥青较为优良的性能，所以SBS应力吸收层选择的沥青与沥青混合料面层相同，试验结果与技术指标如表1所示。

表3 水稳基层级配设计结果Table 3 Gradation design results of cement stabilized base筛孔尺寸/mm不同级配的通过率/%级配下限级配上限级配中值合成级配26.50019.00016.00013.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075100 90 79 67 52 30 19 12 8 5 3 2100100 92 83 71 50 36 26 19 14 10 7100.0 95.0 85.5 75.0 61.5 40.0 27.5 19.0 13.5 9.5 6.5 4.5100.00 93.14 87.66 78.54 62.12 38.47 27.50 17.58 12.92 9.28 7.15 5.37

图4 水稳基层级配曲线Figure 4 Cement stabilized base gradation curve

b.集料性能指标。

SBS沥青混合料应力吸收层选取的矿料与水稳基层相同，且通过试验符合相关规范要求。

c.应力吸收层级配。

SBS沥青混合料应力吸收层级配设计结果，级配曲线如表4、图5所示。

表4 SBS应力吸收层级配设计结果Table 4 SBS stress absorption layer gradation design results筛孔尺寸/mm不同级配的通过率/%级配下限级配上限级配中值合成级配4.750100100100.0100.02.3601009095.096.51.180755565.066.90.600553545.043.30.300402030.030.90.150281220.018.70.07518712.512.3小于0.0751057.58.0

图5 SBS沥青混合料应力吸收层级配曲线Figure 5 SBS asphalt mixture stress absorption layer grading curve

2.4 土工布及土工格栅

根据现有施工经验，选用土工布及玻璃纤维土工格栅进行试验并与SBS沥青混合料应力吸收层的防反射裂缝效果进行对比。土工布处置方式技术指标为： 质量200 g/m2,厚度3 mm，抗拉强度18.2 kN/m。玻璃纤维土工格栅技术指标为：厚度3 mm，纵横向抗拉强度80 kN/m，最大负荷延伸率3%,网孔尺寸12.7 mm×12.7 mm，网孔形状矩形，耐温性-100 ℃～280 ℃。

3 四点弯曲小梁试验结果分析

经过试验以及数据处理后，试验结果如表5、图6所示。

表5 沥青混合料的四点疲劳试验结果汇总Table 5 Summary of four-point fatigue test results of as-phalt mixture应变ε1/με不同防治措施的疲劳次数Nf /次无措施土工布土工格栅SBS应力吸收层50075 61378 23181 235102 3661 00061 72367 31571 98996 5411 50053 06757 89459 41589 452

图6 疲劳性能对比图Figure 6 Fatigue performance comparison chart

从以上图表可以看出：

a. 通过采用SBS应力吸收层、土工布以及土工格栅对面层反射裂缝的防治措施，小梁的疲劳寿命都有一定的提高。

b. 当应变为1500με时，采用SBS应力吸收层、土工布以及土工格栅，试件的疲劳性能分别提高了68.6%、9.1%以及11.9%。所以SBS应力吸收层对于防止面层反射裂缝效果最佳。

4 结语

本文为了更好地模拟水稳碎石基层路面层间结合措施的疲劳性能，对传统的四点弯曲试验为基础，改进了复合梁试件，并确定水稳基层路面反射裂缝室内试验参数。为了研究不同措施对反射裂缝的防治效果，实验在水稳碎石基层路面结构中间层分别采用SBS应力吸收层、土工布、土工格栅抗反射裂缝措施，通过测试得复合梁试件的疲劳寿命。通过以上试验可知，在500με、1000με、1500με 这3种应变下，采用以上措施，均对延长小梁疲劳寿命产生了效果。其中SBS沥青混合料应力吸收层抗反射裂缝效果最为明显，其次为土工布，最后为土工格栅。通过试验可以得出沥青混合料的疲劳寿命随应变增加而降低，并呈线性下降，故证明3种应变水平下的试验结果具有较好的一致性。