应力吸收层处置半刚性基层反射裂缝力学性能分析
时间：2023-06-12 16:10:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王金国，李文良，王海峰，黄 鑫
（1.宁夏交投工程建设管理有限公司，宁夏 银川 750011；
2.山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030006；
3.宁夏公路管理中心，宁夏 银川 750011；
4.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏 银川 750011）
水泥稳定级配碎石基层以水泥作为胶结材料，其早期横向裂缝系由初凝前后干燥失水引起的收缩应变[1]和水化热产生的热应变所引起的，之后的荷载疲劳应力、温度疲劳应力、干湿收缩变形只是加剧了微裂缝的发展。多年施工实践表明，水泥稳定级配碎石基层完工后约30 d 局部路段会产生横向裂缝[2]，其早期开裂和反射裂缝早已成为降低我国沥青路面耐久性的关键瓶颈。近年来，路面设计多采用在半刚性基层和沥青面层间设置热改性沥青碎石封层的措施，以起到防止水分渗入基层、改善层间黏结、减缓基层反射裂缝的作用，业界对碎石封层的研究成果多集中于防水、黏结和抗剪强度研究[3-4]，但碎石封层对于减缓基层反射裂缝的作用并未得到证实。应力吸收层具备优良的抗剪切破坏和弹性恢复能力，能够有效延缓水泥混凝土路面加铺沥青层的反射裂缝，在国内多个“白改黑”项目中得到应用。孙雅珍等[5]应用断裂力学理论对裂缝疲劳扩展寿命的预测分析与复合梁三点弯曲疲劳试验结果较为一致，认为以应力吸收层替换同等厚度的加铺层后，可以提高路面结构疲劳寿命。廖卫东等[6-7]在室内进行了温度疲劳足尺试验，结果表明，STRATA 应力吸收层+沥青混凝土的路面结构形式可以很好地消解水泥混凝土板块接缝处的应力集中，并且在实际应用过程中也取得了良好效果。本文通过室内低温弯曲、四点弯曲疲劳和双层车辙试验以及3 种路面结构（STRATA 应力吸收层、碎石封层、不设功能层）的沥青层底拉应力和弯曲梯度变形计算分析，评价不同功能层对基层反射裂缝的处置性能，并在乌玛高速青铜峡至中卫沙漠段的铺筑（试验段）中成功应用。
我国高速公路大都采用半刚性基层沥青路面结构，为延缓半刚性基层反射开裂，国内路面结构设计的沥青层越来越厚。乌玛高速青铜峡至中卫段全线沥青路面结构为4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm ATB-25+36 cm 水泥稳定碎石+18 cm 水泥稳定碎石，为常用的“4+6+8”路面结构，未采用加厚沥青层的方法来延缓反射裂缝。
乌玛高速青铜峡至中卫段约18 km 穿越腾格里沙漠腹地，沙漠段路基结构为80 cm 砾类土+风积沙路基，其他路段路基结构为砾类土。与整体砾类土路基相比，沙漠段路基（80 cm 砾类土+风积沙路基）回弹模量较低（表1），显然在相同交通荷载下沙漠段路面结构所产生的竖向位移和沥青层底拉应变比非沙漠段更大。沙漠段昼夜温差大、极端气温条件严酷（极端最高气温37.6 ℃，极端最低气温-29.2 ℃），处于沙漠段的半刚性基层更易开裂、更易引发反射裂缝，因此对乌玛高速青铜峡至中卫段的沙漠段沥青路面半刚性基层反射裂缝的防治尤为重要。
表1 不同路基结构回弹模量试验结果
STRATA 应力吸收层沥青和细集料含量都比较高，具有变形能力强、抗疲劳性能好的特性，可有效吸收和消散交通荷载及环境温度变化所产生的应力、应变。本文在不增加沥青路面结构层厚度的前提下，通过室内低温弯曲试验、四点弯曲疲劳试验比较STRATA，ATB-25，AC-20 3 种沥青混合料的低温变形和抗疲劳性能，通过室内车辙试验比较同厚度改性AC-13+STRATA，AC-13，ATB-25 3 种路面结构的抗高温永久变形性能，通过BISAR 3.0 和LTPP（美国联邦公路局Turner-Fairbank 公路研究中心LTPP 项目）的路面低温预估模型进行计算，对比分析STRATA 应力吸收层、碎石封层、不设功能层3种路面结构的沥青层底拉应力和弯曲梯度变形，评价比较不同功能层处置半刚性基层反射裂缝的力学性能。以上结果为乌玛高速青铜峡至中卫沙漠段应力吸收层处置基层反射裂缝试验段的铺筑提供理论依据和试验支撑。
3.1 STRATA 应力吸收层试验结果及分析
（1）STRATA 应力吸收层用改性沥青与SBS 改性沥青主要性能试验结果如表2 所示。由表2 可知，与普通SBS 改性沥青相比，STRATA 应力吸收层使用的改性沥青具有更高的旋转黏度和低温延度，特别是具有很大的老化延度和低温时的延展性。
表2 STRATA 应力吸收层用改性沥青与SBS 改性沥青主要性能试验结果
（2）不同混合料低温弯曲和四点弯曲疲劳试验结果如表3 所示。由表3 可知，STRATA 应力吸收层混合料-12 ℃最大弯曲应变、四点弯曲疲劳寿命远大于改性AC-20、改性ATB-25 混合料，具有良好的低温变形和抗疲劳性能，可以产生较大的拉伸变形，有效提高了裂缝位置处吸收和消散基层开裂所带来应力和应变的能力。
表3 不同混合料低温弯曲和四点弯曲疲劳试验结果
（3）虽然STRATA 混合料不考虑抗车辙性能，但考虑到其厚度相对较大（2.5 cm），除应具有良好的变形和抗疲劳能力外，还必须具有良好的抗车辙变形能力，因此本文通过双层车辙试验验证其组合结构层抗车辙变形能力。本文选择3 种结构进行试验（表4），采用2 次轮碾法成型试件，结构1 采用2.5 cm STRATA 替换结构2 和结构3 中相应厚度和类别的沥青混合料。
由表4 可知，结构1（改性AC-13+STRATA）与结构2（同厚度改性AC-13）的动稳定度试验结果相近，且均远高于结构3（同厚度的ATB-25），表明改性AC-13+STRATA 路面结构并没有显著降低整体抗车辙能力。由于试验的路面结构均在60 ℃进行，考虑到实际路面结构应力吸收层所处位置在下面层之下，工作温度略低于下面层基质沥青混合料且远低于中、上面层改性沥青混合料，因此可以认为，应力STRATA 吸收层足以提供超过基质沥青混合料的抗车辙变形能力，将其设置于基层上不会降低路面整体抗高温永久变形能力。
表4 不同结构双层车辙试验结果
3.2 基层反射裂缝处置分析
水泥稳定级配碎石基层早期已产生横向裂缝，在车辆荷载、温度应力、水分变化作用下会产生2 种形式的变形。①弯拉型裂缝（图1）：在行车荷载作用下，已开裂的水泥稳定级配碎石基层裂缝处会产生较大竖向变形或变形差，在沥青层底产生大的拉应力（拉应变）或剪应力，当基层所产生的拉应力或拉应变超过沥青面层所能承受的抗拉强度（最大允许拉应变）或抗剪切强度时，沥青层将被由下而上拉裂，产生横向裂缝。②拉伸型裂缝（图2）：冬季或在寒冷地区，水分变化、温度变化使得已开裂的水泥稳定级配碎石基层产生水平位移、裂缝变宽问题，对应裂缝处层间结合良好的沥青面层随之产生了大的拉应力或拉应变，低温下沥青层只能承受小的拉应力或拉应变，基层所产生的拉应力或拉应变超过沥青面层所能承受的抗拉强度或最大允许拉应变时，沥青层将被由下而上拉裂，产生横向裂缝。
图1 弯拉型裂缝
图2 拉伸型裂缝
在半刚性基层上设置功能层处置反射裂缝的主要方法有透层、下封层、应力吸收层等，这些方法旨在通过提高功能层的抗疲劳性能减缓反射裂缝。乌玛高速青铜峡至中卫段路面设计文件中，在水泥稳定级配碎石基层上设置了热沥青碎石封层，本文以STRATA 应力吸收层代替热沥青碎石封层，对比分析其对基层反射裂缝的处置能力。
（1）弯拉型基层反射裂缝处置分析。为分析不同功能层在路面结构中减缓基层弯拉型反射裂缝的作用，采用BISAR 3.0 计算沥青层底拉应力，路面结构及参数如表5 所示。计算模型分为3 种路面结构，结构4 在基层上设置了应力吸收层，结构5 在基层上设置了碎石封层，结构6 则不设置功能层。需要注意的是：沥青层底拉应力对功能层弹性模量十分敏感，STRATA 应力吸收层材料20 ℃弹性模量采用试验数据（1 200 MPa）；
同步碎石封层厚度薄，且已与沥青层相互融合为一体，与STRATA 应力吸收层相比，梯度变形能力较弱，严格来说只能作为过渡层和隔离层，所以弹性模量延梯度方向取用1 500 MPa。
表5 路面结构及参数
双圆荷载轴向不同结构沥青层底拉应力计算结果如图3 所示。由图3 可知，基层上设置了碎石封层的结构5 的沥青层底拉应力低于无功能层的结构6，而基层上设置了应力吸收层的结构4 的沥青层底拉应力远低于结构5 和结构6，显然应力吸收层对于降低路面结构沥青层底拉应力具有非常好的效果。
图3 双圆荷载轴向不同结构沥青层底拉应力
（2）拉伸型基层反射裂缝处置分析。半刚性基层材料高温（40～15 ℃）时平均温缩系数为12×10-6～18×10-6με/℃；
低温时（15～-20 ℃）时平均收缩系数为1×10-6～9×10-6με/℃[8]。乌玛高速青铜峡至中卫段的沙漠段基层水泥稳定级配碎石水泥剂量为4.5%（P·F 32.5 粉煤灰硅酸盐水泥），在干燥状态下，水泥稳定级配碎石材料的温缩系数比含水状态下的数值小一些，乌玛高速青铜峡至中卫段的沙漠段冬季日最低气温约-21 ℃，日最高气温约-5 ℃，水泥稳定级配碎石基层材料的温缩系数取3×10-6με/℃。
本文使用LTPP 的路面低温预估模型[9]计算基层顶面温度：
式中：Tpav为路面结构层内部低温，℃；
Tair为气温低温，℃；
Lat为中卫地区纬度，中卫地区取37.51°；
H 为路面向下深度，mm；
为预测期空气低温标准差，℃；
Z 为标准正态分布参数，Z=2.055 时可靠度为98%。
拉伸型裂缝变形系由基层温度应力变化所致，根据基层顶面日温度差，取用水泥稳定级配碎石基层材料的温缩系数，使用J.F.Hills 的路面温度应力计算公式[10]计算基层顶面处的温度应力：
式中：σ（Tf）为温度从T0降至Tf时的累积温度应力，MPa；
α（T）为随温度T 而变化的温度收缩系数；
E（T）为温度为T 时的劲度模量，MPa；
T0，Tf分别为初始温度和最终温度，℃；
ΔT 为对变温过程进行离散时的温度间隔，℃。
功能层对于半刚性基层裂缝处所产生的应力、应变的缓解作用，关键在于将基层所产生的拉应力和拉应变被吸收和分散在较大的面积范围（图4）。因此，在基层因温度变化使得裂缝变宽时，弯曲梯度方向的功能层变形Δs 的大小直接反映了其对基层所产生应力、应变的吸收和消散能力。STRATA 应力吸收层在-12 ℃的弯曲应变试验结果为11 132 με；
碎石封层厚度只有1 cm，与沥青层已相互融合为一体，石-石接触结构与STRATA 应力吸收层相比，梯度变形能力较弱，取用ATB-25 最大弯曲应变1 327 με（-12 ℃）的2 倍，计算不同结构弯曲梯度方向基层温度裂缝收缩加宽时功能层梯度变形（Δs=ydΦ）。不同结构基层温度收缩裂缝加宽时功能层梯度变形结果如表6 所示。由表6 可知，结构4（在基层上设置了应力吸收层）在基层裂缝加宽时，其功能层弯曲梯度变形远大于结构5 和结构6，其变形值是结构5（在基层上设置了碎石封层）的6 倍多，显然在基层上设置应力吸收层对于处置基层拉伸型反射裂缝效果良好。
图4 梁底拉伸变形Δs
表6 不同结构基层温度收缩裂缝加宽时功能层梯度变形
基于理论分析和试验结果的支撑，2021 年6 月27 日，工程人员在乌玛高速中卫至青铜峡方向K161+125—K161+625 段基层顶面应用STRATA 应力吸收层铺筑了试验段（图5），验证其处置反射裂缝性能。
图5 STRATA 应力吸收层铺筑效果
STRATA 应力吸收层混合料为细粒式沥青混凝土，油石比为10.0%。判断其油石比是否适宜，长久以来没有好的办法。通过铺筑试验段发现，油石比过大会导致碾压过程中出现内部空气不能有效排出和受热膨胀现象，进而在碾压过程中出现一些气泡的问题。针对该问题，在施工过程中采取了刺破气泡释放的措施。经过研究分析，油石比适宜的STRATA应力吸收层混合料经碾压后每隔几米须出现30 cm左右的油斑，如果不出现油斑则表明用油量偏低。因此，以碾压出现油斑且不出现大量气泡被试验段证明为判断STRATA 应力吸收层混合料油石比是否适宜的标准，这也指导了STRATA 应力吸收层试验段铺筑取得了良好效果。
该试验段于铺筑后已经历一寒一暑的车辆荷载作用，至今未在路面表面观测到基层反射裂缝，但路面应用效果还需长期观测。
（1）与使用同一胶结料的改性AC-20、改性ATB-25 相比，STRATA 应力吸收层混合料具有远远超出对比混合料的变形能力和抗疲劳性能，同时不会降低路面结构层整体抗车辙性能。
（2）对不同结构沥青层底拉应力和弯曲梯度方向的计算分析表明，基层上设置了STRATA 应力吸收层的路面结构相比其他结构具有更低的沥青层底拉应力和更大的变形能力，可有效处置弯拉型和拉伸型反射裂缝。
（3）与当前普遍使用的碎石封层功能层相比，STRATA 应力吸收层混合料变形能力强、抗疲劳性能好，可有效吸收和消散交通荷载及环境温度变化所产生的应力、应变，具备良好的处置基层反射裂缝性能。
（4）基于理论分析和试验结果的支撑，工程人员在乌玛高速中卫至青铜峡方向K161+125—K161+625段基层顶面使用STRATA 应力吸收层铺筑了试验段，经过1 a 的车辆荷载作用，效果良好。
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