新旧沥青路面拼接工程反射裂缝防治技术研究

一６８一　文章编号：１６７３—６０５２（２０１７）１１—００６８—０４　北　方　交　通　ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂ　ｔ．２０１７．１１．０１９　２０１７年第１１期　新旧沥青路面拼接工程反射裂缝防治技术研究　张　乐　（中建路桥集团有限公司　石家庄市０５０００１）　摘要：结合路面结构的受力特点，设计了一整套裂缝防治技术的性能试验，通过开展材质特性、抗拉拔剪切　性能、抗水损害性能以及疲劳性能等指标试验，综合考察聚酯布、防渗土工布、玻纤格栅、聚酯玻纤布四种裂缝防治　材料的使用性能，为新旧沥青路面拼接工程中裂缝防治技术提供借鉴。　关键词：路面拼接；反射裂缝；力学性能；疲劳特性；累积能耗　中图分类号：Ｕ４１８．６　文献标识码：Ｂ　０　弓ｌ言　性能优越、经济合理的方法是摆在工程技术人员面　前亟需解决的问题。为此，本论文结合路面结构的　高速公路在服务中后期，常常面Ｉ临着交通量急　剧增长所导致的路容不足问题，解决方法之一便是　对已有道路进行拓宽。在已有的旧路面结构一侧，　铺筑新的路面结构层，并采取措施将新旧结构层联　接成整体，共同承担路面荷载、环境因素的作用。将　新旧结构层联接成为整体的关键技术包括路基的拼　接以及路面的拼接，路基的拼接需考虑新老路基不　同的固结程度所造成的沉降差所扩散到面层形成的　受力特点，设计了一整套裂缝防治技术的性能试验，　通过开展材质特性、抗拉拔剪切性能、抗水损害性能　以及疲劳性能等指标试验，综合考察聚酯布、防渗土　工布、玻纤格栅、聚酯玻纤布四种裂缝防治材料的使　用性能，为新旧沥青路面拼接工程中裂缝防治技术　提供借鉴。　１材质特性　沉陷、裂缝。已有的路面拓宽过程中，新旧沥青路面　拼接的反射裂缝的防治技术主要是在结构层中铺设　土工布、土工格栅、聚酯玻纤布、玻纤格栅、橡胶沥青　ＳＡＭＩ、ＳＴＲＡＴＡ等。然而，诸多的防裂措施均存在　裂缝防治材料的材质特性是决定其防裂效果的　首要性能指标，包括材料的物理指标、力学性能等。　同时，裂缝防治材料在使用过程中多用于沥青混合　料层间，使用环境温度多在１４０￣Ｃ以上，其自身抵制　高温损坏的能力需经受考验。因此，材质特性应包　括高温条件下的力学性能。　１．１常温物理指标、力学性能试验　或多或少的缺陷。土工布在热沥青混合料摊铺温度　超过１５０℃时，需要针对其强度和抗蠕变性能进行　试验验证；玻纤格栅防水功能欠缺，其网格能与沥青　混合料形成嵌挤作用，但使用中难以固定，易于膨胀　且不服贴，影响沥青混合料的正常摊铺和其加筋作　用　；ＳＴＲＡＴＡ应力吸收层由于在高温情况下较软，　用于高速公路的土工合成材料的物理指标、力　学性能指标主要包括单位面积质量、厚度、横向拉伸　强力、纵向拉伸强力、横向断裂延伸率、纵向拉伸强　力等。按照《公路工程土工合成材料试验规程》中　的规定，分别对聚酯布、防渗土工布、聚酯玻纤布、玻　纤格栅共四种材料按照上述指标进行试验，结果见　表ｌ所示。　其抗车辙能力会相对较差；聚酯玻纤布在国内的多　条拓宽高速公路的防裂工程中应用较为广泛，其自　身除具备有较强的强度外，还能够提高复合式路面　的抗疲劳性能；橡胶沥青ＳＡＭＩ也是一种应用较为　广泛的防治裂缝的材料，尤其适用于水泥混凝土桥　面铺装。　从表１的数据可以看出：　（１）缘于单位面积质量较大，防渗土工布的力　学性能最佳，但断裂延伸率却最大。　面对如此众多的裂缝防治技术，如何从中选择　２０１７年第１１期　张乐：新旧沥青路面拼接工程反射裂缝防治技术研究　表１土工材料物理力学指标试验结果　（２）对比聚酯玻纤布和聚酯布可以发现，玻璃　纤维的加入，可以起到咬合加筋的作用，从而提高了　材料整体的力学性能，并一定程度上减小材料本身　的断裂延伸率。　１．２高温物理指标、力学性能试验　考验防裂材料的高温抗老化性能，测试过程为　将材料在１３５ｃＣ烘箱中进行２ｈ老化，取出冷却至室　温（２０℃），进行纵向拉伸强力测试。　老化过程中发现，土工布和玻纤格栅材料经高　温作用会发生颈缩，且沿纵向方向发生颈缩的程度　不同。将老化后的材料平铺时，土工布的边缘向内　翘起，而聚酯布和聚酯玻纤布则不会发生此类现象。　参照《公路工程土工合成材料试验规程》的规　定，在试验取样过程中，避开翘起和收缩部位，在老　化后的材料的完好处裁剪规格的试样２００ｍｍ（纵　向）×ｌＯＯｍｍ（横向），每种材料取５个平行样本，进　行室内拉伸试验，拉伸速率为５０ｍｍ／ｍｉｎ。老化后　拉伸强度、伸长率见表２所示。　表２　防裂材料老化后力学指标试验结果　对比表１和表２的数据可以发现，四种土工材　料在高温老化后纵向拉伸强度均有所变化，且变化　幅度不一。土工布的强度损失最少，延伸率波动较　小；而聚酯布的强度稍有损失，但伸长率却大幅度提　高；玻纤格栅的强度损失最大；聚酯玻纤布的强度损　失较小。　２拉拔和剪切性能　沥青路面结构为多层体系，各层结构物之间依　靠粘层油而联接为一个整体，来抵抗荷载、环境因素　的作用。一旦层间粘结状况被破坏，则路面结构层　会面临着加速破坏的风险，因此，必须保障层间粘结　效果的高强度和耐久性。考虑到裂缝防治材料属于　与沥青混合料不同材质的材料，夹铺于结构层之间，　经受垂直、剪切荷载作用，容易发生脱层、起皮等，因　此必须开展材料的抗拉拔、剪切试验。　试验过程为在高ｌＯｃｍ模具中成型５ｃｍ水泥混　凝土板，将水泥混凝土板放在养护室养护７ｄ强度形　成后，用钢刷除去表层浮浆，均匀撒铺０．８～１．２　Ｌ／ｍ　普通热沥青粘结层，在其上铺设聚酯玻纤布、　聚酯布、土工布、玻纤格栅。铺设过程要求材料不出　现褶皱、转向，与粘结层沥青的粘结充分。采用轮碾　法成型５ｃｍ沥青混合料，室温下冷却，分别取芯　ｑｂｌＯｃｍ×ｌＯｃｍ，对芯样进行２０ｑＣ拉拔试验、２０℃下　４５。斜剪试验。　２．１拉拔试验　拉拔试验的拉拔速率为ｌＯｍｍ／ｍｉｎ，设备采取　自动化读取数据的方式，记录最大拉拔强力，按照式　（１）计算拉拔强度：　＝Ｆ／丢１Ｔｄ　＝１２７．３０７４Ｆ　（１）　式中：盯一拉拔强度；　Ｆ一拉拔抗力。　计算结果见表３所示。　表３复合试件抗拉强度试验结果　分析表中数据，可以得到如下结论：　（１）三种材料中玻纤格栅的强度最高，这可能　与试件成型的方式有关，玻纤格栅的网格状结构决　定了涂层热沥青可以直接接触到上层沥青混合料。　在进行上层混合料碾压时，通过热沥青使上下两层　的压实更充分，强度更好，反而聚酯布、聚酯玻纤布　属于可渗透的聚合物材料，渗透度高时上下层粘结　７０一　北　方　交　通　２０１７年第１１期　则稍强，不渗透时强度最低，此种情况与土工布取芯　无法完成的情况相吻合。　（２）对比三种夹层情况下的抗拉强度变异系　数，玻纤格栅最大，此种情况与高温老化后的材质情　况检测相吻合，表明在１７０￣Ｃ高温粘层沥青影响下，　玻纤格栅粘结情况较其他两种材质差。　２．２剪切试验　剪切试验为４５。斜剪试验，剪切速率１０　ｍｍ／ｍｉｎ，设备采取自动化读取数据的方式，记录最　大竖向压力，按照式（２）计算剪切强度：　下＝ｓｉｎ４５。×Ｆ／Ｓ　（２）　其中，　为抗剪强度，Ｆ为剪切抗力，Ｓ为剪切截　面积，取０．１２５６８ｍ　。计算结果见表４所示。　表４复合试件剪切强度试验结果　６　５　×　×　ｌ　ｌ　从试验结果可以看出，剪切试验的试验结果和　拉拔试验的结果相吻合。　３抗疲劳性能　通过对设有抗裂措施的疲劳梁进行疲劳试验，　研究各种抗裂措施的抗疲劳性能。　目前，国内各研究机构主要采用简单弯曲试验　进行混合料疲劳性能的试验，四点加载是其中使用　较为广泛的一种型式，结合沥青路面接缝位置高应　变的特征，拟采用应变控制的方式进行试验，试验仪　器为ＣＯＯＰＥＲ疲劳试验机，试验停机标准为试件模　量降低为初始模量的５０％。　本研究疲劳试件制备过程为在车辙模具中预先　成型５ｅｍ普通沥青ＡＣ２０混合料，再在其上撒铺普　通热沥青（０．８～１．２Ｌ／ｍ　），铺设聚酯布、聚酯玻纤　布，利用圆辊对防裂材料进行初步碾压使粘结充分，　迅速填人沥青混合料，在轮碾仪上成型带有夹层的　沥青混凝土，总厚度１０ｃｍ。待冷却至室温２４ｈ后，　切割为疲劳小梁，尺寸长×宽×高＝４００ｍｍ×６３ｍｍ　×５０ｍｍ，对复合试件进行疲劳强度试验。每种材料　分别切割３根梁进行平行试验对比。　疲劳试验的试验结果见表５所示。本论文采用　累计能耗率ＤＥＲ的试验分析方法，对疲劳试验结果　进行分析。分别计算不同夹层材料的ＤＥＲ随模量　百分比变化情况，绘制曲线如图１所示。　表５复合试件疲劳试验结果　３　耀　２　者、　１　Ｘ　×　Ｘ　　ｌ　ｌ　１　Ｏ　１００－９５－９０　－８５－８０－７５－７０—６５—６０－５５－５０　荷载作用时模量所达初始模量百分比／％　图１疲劳试验累计能耗随模量变化曲线　特别说明，为了使得图片方便读取，图１中横坐　标转换为负数，认为疲劳试验试件模量达到初始模　量的一５０％时则人为停止试验过程。　从表５和图１中可以看出：　（１）典型的疲劳试验的耗能随模量百分比（荷　载作用时的模量与初始模量的比值）的变化曲线分　为三个阶段，以图中聚酯玻纤布所示曲线为例。第　一阶段累计能耗为一常量，几乎不随模量百分比变　化而变化；第二阶段，累计能耗会随着模量百分比的　增加而增加，不同的材料则表现出不同的增长速率；　第三阶段，与第二阶段存在一明显转折点，累计能耗　随着模量百分比增加的速率较第二阶段有所减小，　直至疲劳试验停止。　（２）三个阶段可以做出这样的解释，即第一阶　段，每次加载循环的能量在试件中衰减，试件此时损　伤可以忽略；第二阶段，试件内产生微裂缝，且每道　微裂纹的产生均消耗掉一定的能量，且耗能不断累　积，累积速率与试件材料特性、混合料特性有关；第　三阶段，裂纹迅速扩张至一定水平，试件开始出现较　４　×　ｌ２０１７年第１１期　张乐：新旧沥青路面拼接工程反射裂缝防治技术研究　大程度的破坏，随着荷载作用次数的增加，不同材　显著的关联关系，关系曲线可以分为三个阶段，第一　料、不同混合料性能的试件所消耗的能量出现差　阶段为无损伤阶段，第二阶段为裂缝出现阶段，第三　异。　阶段为裂缝累积扩张阶段。材料抗疲劳性能的好　（３）夹层材料抗疲劳性能的好坏，关键判别标　坏，关键判别标准在第二阶段和第三阶段。　准在第二阶段和第三阶段，即要达到同样的模量百　参考文献　分比，不同的材料所消耗的能量是不一样的。累积　［１］徐剑．路基拓宽处理技术在沪宁高速公路中的应用研究［Ｄ］．　能耗高的试件，其疲劳特性也相应较好。于是，可以　南京：东南大学，２００５．　看出，在达到第二阶段后，同样达到相同的模量百分　［２］　江毅．旧沥青路面加铺力学分析及防裂措施研究［Ｄ］．长沙：　湖南大学，２００９．　比，聚酯布所需要消耗的能量较聚酯玻纤布高，且能　［３］　中华人民共和国交通部．ＪＴＧ　Ｆ４０—２００４公路沥青路面施工　耗增长的速率较聚酯玻纤布有十分明显的提高。　技术规范［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．　综合以上分析，表明聚酯布的疲劳特性较聚酯　［４］　王炳玲．高速公路路面扩宽铣刨拼接施工技术［Ｊ］．山西建　玻纤布好。　筑，２００７（５）．　４结论　［５］黎志光．高速公路加宽扩建工程新老路衔接的处理措施［Ｊ］．　（１）防裂土工材料中，玻纤格栅的抗高温老化　广东交通科技，２００１（６）．　［６］　Ｊａｍｅｓ　Ｋ．Ｃａｂｌｅ，Ｆｏｕａｄ　Ｓ．Ｆａｎｏｕｓ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　的性能最差，强度损失最严重。　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｆｏｒＣｏｎｃｒｅｔｅ　Ｏｖｅｒｌａｙ　ａｎｄ　Ｉｄｅｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｐａｖｅｍｅｎｔｓ　（２）无纺类防渗土工布在编织紧凑来提高单位　［Ｒ］．ＦＨＷＡ：ＤＴＦＨ６１—０ｌ—Ｘ一０００４２，２００５．　面积质量和力学强度的同时，极差的吸油性造成其　［７］　Ｋａｒｅｎ　Ｓ．Ｂｏｎｎｅｔｔｉ，Ｋｉｔａｅ　Ｎａｍ．Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｆｉｎｉｎｇ　Ｆａｔｉｇｕｅ　自身粘结性能严重降低。　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　Ｏｆ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｂｉｎｄｅｒｓ．Ｔｒａｎｓｐｏ￣ａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｂｏａｒｄ　８１　ｔｈ　（３）聚酯布和聚酯玻纤布含量较高的纤维提供　Ａｎｎｕａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ　ＤＣ，２００２．　［８］　中华人民共和国交通部．ⅢＥ５０—２００６公路工程土工合成材　了层间粘结的媒介作用，大大提高了材料的抗拉拔　料试验规程［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００６．　强度和抗剪切强度。　［９］　袁燕，张肖宁，陈育书．改性沥青胶浆的疲劳评价研究现状　（４）复合试件的疲劳累积能耗与模量变化存在　［Ｊ］．中外公路，２００５（８）．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｃｒａｃｋ　ｏｆ　Ｎｅｗ　ａｎｄ　Ｏｌｄ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｊｏｉｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｅ　（ＣＳＣＥＣ　Ｒｏａｄ　ａｎｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｓ　ｏｎ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｃｒａｃｋ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｒａｃｋ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｌｉｋｅ　ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ　ｃｌｏｔｈ，ｓｅｅｐａｇｅ—ｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｌｏｔｈ，ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｇｒｉｌｌｅ　ａｎｄ　ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ—ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ　ｐａｖｉｎｇ　ｍａｔ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｓｕｒｖｅｙｅｄ　ｂｙ　ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ｌｉｋｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｔｉ—ｐｕｌｌ—　ｏｕｔ　ｓｈｅａｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｔｉ—ｗａｔｅｒ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｃｒａｃｋ　ｉｎ　ｎｅｗ　ａｎｄ　ｏｌｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｊｏｉｎｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｊｏｉｎｔ；Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｒａｃｋ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ