第36卷第10期2008年10月
华南理工大学学报(自然科学版) Journa l o f South C hina U niversity o f Techno l o g y
(N atura l Science Editi o n)
V o. l 36 N o . 10O ctober 2008
文章编号:1000 565X (2008) 10 0081 05
应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能
薛忠军
1, 2
*
王佳妮 谭忆秋
2
1
(1. 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨150090; 2. 北京市路政局, 北京100053)
摘 要:为了评价应力吸收防水粘结层(SAW I) 的抗反射裂缝能力, 对其进行了性能试
验. 改进的沥青路面分析仪(AP A ) 试验结果表明, SAW I 的疲劳寿命是普通沥青混凝土的3 32倍; 利用改进材料试验系统(MTS)的夹具进行的拉拔试验表明, SAW I 具有很好的层间结合能力; 在与常规的加铺层进行的对比试验中, SA W I 结构表现出了优良的抗反射裂缝能力. 各项性能试验表明, SAW I 具有低模量、高韧性、高粘性、防渗等优点, 可以有效地延缓沥青路面的开裂.
关键词:道路工程; 沥青加铺层; 反射裂缝; 应力吸收防水粘结层; 高弹改性沥青中图分类号:U 416 文献标识码:A
中国早期修建的水泥混凝土路面已接近或超过设计年限, 出现了路面损坏、使用品质下降的情况, 影响了道路的使用功能. 在旧水泥路面上设置沥青加铺层是改善其使用性能最常用的方法之一. 沥青加铺层在使用过程中最主要、最亟待解决的是反射裂缝问题. 路面出现反射裂缝后, 如不及时养护(填封缝隙) 或修补, 雨水会沿裂缝下渗, 在行车荷载作用下将很快使加铺层与旧面层的粘结丧失. 沥青的剥落、裂缝的碎裂和扩展, 导致沥青混凝土加铺层出现严重损坏, 缩短加铺层的寿命. 虽然可以通过增加沥青层的厚度、破碎并压稳原来的旧水泥路面、使用改性沥青、加铺土工织物夹层以及加铺应力吸收膜等多种技术措施来防治反射裂缝, 但目前尚无一种措施可以取得令人满意的防反射裂缝效果. 文中提出一种新型夹层材料, 其具有低模量、高韧性、高粘性、防渗等特点, 可以有效吸收由于旧水泥板运动产生的应力, 阻止反射应力进一步向上传递, 防止水分的进入, 即使面层产生了裂缝仍然可以起到防水的作用, 并且具有很好的层间结合能力, 能使加铺层和旧水泥路面紧密结合. 将具备上述功能的夹层称为 应
[1]
力吸收防水粘结层(SAW I) . SA W I 通常设置在旧水泥路面和沥青加铺层之间, 厚度为(2 0! 0 5) c m.
1 SA W I 材料性能
1. 1 主要技术指标
高弹改性沥青的主要技术指标见表1. SAW I 混
表1 高弹改性沥青主要技术指标1)
T ab le 1 M a j or techn ica l i ndices o fm odified h i gh flex i b ility as
phalt
参数
针入度(25∀, 100g , 5s) /(#0. 1mm )
软化点/∀
延度(5c m /mi n, 5∀) /c m 粘度(135∀) /(Pa ∃s)
60∀的绝对粘度(真空毛细管粘度计测) /(Pa ∃s)
弹性恢复(3m i n 内, 25∀) /%延度2) (5c m /mi n , 5∀) /cm 针入度比2) (25∀) /%弹性恢复2) (3m i n 内, 25∀) /%
数值65>5030000>90%>30>60>75%
1) 关键性指标为:25∀条件下3m i n 弹性恢复[1]; 2) 为旋转薄膜烘箱后残留物数据.
收稿日期:2007 12 01
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50808058); 教育部2006年新世纪优秀人才支持计划项目(2006348); 十一五 国家科技支撑计划重点资助项目(2006BA J18B05)
:, . m j . co
82华南理工大学学报(自然科学版) 第36卷
合料是一种富沥青混合料, 油石比通常为8 5%~10 5%, 是在优质基质沥青中掺入10%SBS 及其它改性剂特制的高弹改性沥青, 具有高弹、低模量, 能很快松弛和吸收由于旧路发生位移产生的水平拉应力和竖向的剪应力.
1/10左右, 为改性沥青混合料的1/4左右.
2 SA W I 路用性能试验
2. 1 加铺层抗裂性能试验
2. 1. 1 加铺层抗裂性能试验方法
加铺层结构的抗疲劳性能是决定能否有效防治反射裂缝的关键. 美国S H RP 研究计划以控制应变模式下的四点弯曲疲劳试验作为室内疲劳试验的标准试验, 模拟的是试件在纯弯曲作用下的疲劳损坏, 并制订了四点弯曲疲劳试验的标准方法(即SHRP M 009和AAS H TO TP 8标准)
[5]
1. 2 集料与级配
SAW I 混合料所用集料主要为细集料、机制砂, 其性能需满足集料质量技术要求所示.
表2 SAW I 混合料推荐级配
T ab l e 2 Co mm ended g radati on for S AW I m i xture
筛孔尺寸/mm
9. 54. 752. 361. 18
0. 6
0. 3
0. 150. 075
[2]
, 通过大量的试
[3 4]
验表明断级配具有优良的性能, 推荐级配如表2
. 四点弯曲试验评
价沥青加铺层结构抗裂性能存在以下不足:加载方式不能模拟旧水泥路面加铺层的受力状况; 该试验采用的试件是由单一材料制成的, 因而只能评价加铺层结构某一层次的疲劳特性, 无法表征加铺层结构的整体抗裂性能. 文中采用改进的沥青路面分析仪(APA) 进行SAW I 的抗裂性能试验, 荷载作用模式接近实际路面受力状态, 改进后的模具能表征加铺层结构的整体疲劳性能, 同时, 开发了水泥路面沥
青加铺层抗反射裂缝能力的实验方法及实时监控系统
[1, 6]
合成级配(通过率) /%10091. 267. 848. 845. 827. 716. 511. 8
1. 3 体积参数
为了保证SAW I 混合料性能稳定, 能较好地发挥其作用, 应对混合料的体积参数进行控制. 体积参数的控制指标要求
[1, 3]
见表3, 采用旋转压实50次
成型, 亦可采用轮碾成型, 在0 7M Pa 压力下, 往复12次, 不建议采用马歇尔击实方法. 由于含油量高, 部分沥青起到了润滑作用, 故击实后体积参数离散性较大.
表3 SAW I 混合料体积参数控制指标
T able 3
Controlling i nd ices o f vo l u m e para m eters f o r S AW I m i x ture
参数空隙率/%矿料间隙率/%
数值0. 5~2. 9>18
参数沥青饱和度/%
粉胶比
数值75~950. 5~1. 7
.
2. 1. 2 加铺层结构抗裂性能对比试验
为了比较不同加铺层结构的抗裂性能, 对3种加铺层结构(见表5) 进行对比试验. APA 设备自身定义疲劳损坏的标准是当前位移比前10次位移的平均值大1mm 试验停止, 此时的试验次数即为疲劳寿命. 由于试验中常伴随塑性变形, 大于1mm 的现象时有发生, 检查试件发现试件边缘处因刚轮作用发生塑性变形, 因此这种标准不能判别加铺层结构是否发生疲劳损坏. 故根据实际路面使用情况, 当试件表面有裂缝出现, 如图1(a) 所示, 即认为加铺层已经发生损坏, 并定义APA 试验疲劳损坏的标准%%%以试件面层出现裂缝时刚轮作用的次数为试件的疲劳寿命. 不同加铺层结构的疲劳试验结果见
表5.
表5 对比试验采用的典型加铺层结构形式及疲劳寿命T ab le 5 S tructures o f typical asphalt overlayers used in co m pa r
ati ve test and co rresponding fati gue life
结构123
面层AC13厚度/cm
664
夹层%土工织物2c m 厚SA W I
旧水泥板厚度/c m
444
橡胶垫
222
疲劳寿命/20. 5250. 1468. 26
厚度/cm (#104次)
1. 4 S AW I 的混合料模量
利用Cooper 疲劳试验机进行四点弯曲疲劳试验来测定劲度模量, 采用应变控制方式, 试验温度为15∀, 加载频率为10H z , 并与普通沥青混合料劲度
模量进行了对比, 试验数据见表4.
表4 不同沥青混合料的劲度模量T ab l e 4 S tiffness o f d iffe rent aspha ltm i x tures
种类基质沥青混合料改性沥青混合料
SA W I
应变/(#10
2007502000
-6
) 初始模量/MPa
[1**********]32
从试验数据中可以看出, SA W I 沥青混合料具
第10期薛忠军等:应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能83
试验数据表明, 不同的加铺层结构具有不同的疲劳寿命, 使用SAW I 的加铺层与没有使用夹层结构的加铺层其疲劳寿命有较大的差别; 以SA W I 作为夹层, 可以明显提高加铺层的疲劳寿命, 分别是结构1和结构2疲劳寿命的3 32倍和2 44倍. 可见, 使用SAW I 结构可以明显改善加铺层结构的疲劳寿命. 改进后的AP A 疲劳试验能够准确有效地测定不同加铺层的疲劳寿命, 区分不同材料、结构类型的加铺层, 评价其抗裂性能
.
试验主要包括剪切试验及直拉试验, 受正压力的影响, 剪切试验曲线表现为随着界面错动位移的增加,
界面剪应力线性增加, 无峰值出现, 粘结力变化过程没有反映出来, 因此剪切试验不适合单独对粘结层材料的性能进行评价. 相比之下, 直拉试验可以根据试验曲线峰值明确判断粘结层结构的粘结强度, 还可以根据破坏界面清楚地判定粘结层结构体系的薄弱环节.
因此, 文中采用直拉试验对加铺层的层间结合能力进行评价. 图2为目前工程上常采用的一种拉拔设备. 该设备小巧、轻便, 适合野外施工监控, 缺点是需人工加压, 所以加压速度不易控制, 导致拉力施加不稳定, 有冲击力的产生. 为了消除冲击力的产生, 施加稳定的拉拔力, 从而准确评价材料的层间结合能力, 专门加工了拉拔试验的夹具, 如图3所示. 利用M TS 万能材料试验机对不同加铺层结构进行拉拔试验对比, 试验结果见表6.
图2 手动施压拉拔仪
F ig . 2 P ortab le pull out testing apparatus
图1 试件的疲劳开裂F i g . 1 F atigue cracks o f sa mp le
将已发生疲劳破坏的试件从侧面剖开, 对裂缝进一步观察, 裂缝处剖面如图1(b ) 所示. 从图1中
可以清楚地看到, 只有面层产生了裂缝, SAW I 则完好无损, 这说明SAW I 具有较高的使用寿命, 不仅能够有效延长整个加铺层结构的使用寿命, 且其自身抵抗疲劳开裂破坏的能力较强. 即使在面层出现了裂缝的情况下, SA W I 依然保持完好无损, 仍然可以防止水分渗入到路面而进一步破坏路面结构, 因此只需对表面出现的裂缝进行简单的修复便可继续使用, 对路面的使用功能影响很小.
图3 M T S 拉拔夹具
F i g . 3 P ull out fi xture for M TS testing m ach i ne 表6 不同加铺层材料的拉拔试验结果
T ab le 6 D i rect pu ll out test results of different ma teria l s for as
phalt over layer
试验温度/∀203060
普通改性沥青
0. 600. 480. 21
粘结强度/MPa 加铺玻璃格栅
0. 320. 300. 18
加SA W I 1. 321. 010. 81
2. 2 加铺层层间结合能力性能试验
为了抵抗车辆紧急刹车时产生的制动力和车辆行驶过程中的振动作用, 加铺层各层之间应具有较
[7]
84华南理工大学学报(自然科学版) 第36卷
从几种粘结材料的拉拔试验数据来看, SAW I 的粘结能力远远高于其他普通改性沥青. 其主要原因是SAW I 混合料采用了高弹改性沥青, 该沥青除了具有较强弹性恢复能力外, 还具有较高的粘度. 因此, SAW I 不仅有吸收应力的功能, 还能起到粘结层的作用.
造工程, 于2006年10月通车. 沥青加铺层结构总厚度为7 0c m , 其中SA W I 厚2 5c m, AC13磨耗层厚4 5c m. 通车后道路表面功能大大提高, 尤其是行车舒适性与噪音问题得到明显改善. 2007年10月底对路面状况的调查结果显示, 道路表面状况完好, 无反射裂缝、车辙和水损害等病害. 虎门高速公路日交通量超过6万辆, 且80%以上都是重载和超载车辆. 重载及超载作用都将显著加速裂缝的产生和扩展, 繁重的交通量导致裂缝的发生期大为提前. 根据当量轴载计算, 对于虎门高速公路来说, 通车1年内的累积交通量相当于一般高速公路运行3~5年的
[9]
累积交通量. 调查结果表明SAW I 具有良好的防止反射裂缝能力, 并具有较好的综合路用性能. 此外, SA W I 还在广州市一环线、广州北环高速公路等实体工程中得到了应用, 目前使用效果良好.
2. 3 S AW I 混合料高、低温性能试验
2. 3. 1 SAW I 混合料高温性能评价
由于模量较低, SAW I 混合料的高温性能相对其他性能而言较为薄弱. 为考察其高温稳定性是否满足要求, 按试验规程中沥青混合料车辙试验的方[8]
法, 评价了SAW I 沥青混合料的高温抗车辙能力. 试验结果表明SAW I 混合料的动稳度均大于1000次/mm,满足规范对炎热地区普通沥青混凝土不得低于800次/mm的要求. 2. 3. 2 SAW I 混合料低温性能评价
采用低温弯曲试验(试验温度为-10∀, 加载速率为50mm /min) 的破坏应变作为混合料低温抗
[8]
裂性能控制的指标, 并与普通改性沥青混合料SMA 13进行了对比, 试验数据见表7.
表7 S AW I 与改性沥青混合料低温弯曲试验结果对比T able 7
Compar i son of l ow temperat u re bend i ng resu lts be t w een S AW I and m odified aspha lt m i x ture
级配类型S M A13SA W I
抗弯拉强度/M Pa 7. 9016. 40
弯曲破坏应变/(#10-6)
2966. 5013392. 50
弯曲劲度模量/M Pa 5651. 621439. 72
[2]
4 结语
SAW I 是一种高弹改性沥青、砂粒式富沥青断级配沥青混合料, 设置在旧水泥路面和沥青磨耗层之间, 室内外试验表明SAW I 具有优良的性能, 主要表现在:
(1) 从室内抗裂性能试验、渗水试验来看, 沥青加铺层结构中设置SAW I 不仅可以延缓反射裂缝出现的时间, 还可以防止水分进入到路面结构中.
(2) SA W I 低温破坏应变是规范要求的5 36倍, 具有优良的低温性能, 可以松弛由于温度降低产生的温度应力; SAW I 还具有较强的层间结合能力, 能确保沥青加铺层与旧水泥路面紧密粘结.
(3) 目前多个实体工程的应用表明, SA W I 抗裂效果良好, 但由于观测时间短, 尚需进一步跟踪观测. 此外, 由于目前应用SAW I 的实体工程均位于南方地区, 对于北方寒冷地区的抗裂效果还有待进一步研究. 参考文献:
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[4] B lankenship Iker , D rboh lav . Interlayer and design consi
ra tions &, l
试验结果表明, SAW I 混合料的弯曲破坏应变是改性沥青的4 51倍, 是规范要求改性沥青混合料
-3
最小应变值2 5#10的5 36倍, 故SAW I 混合料具有良好的低温抗裂性能.
2. 4 S AW I 混合料防水性能试验
SAW I 混合料由于沥青用量大, 空隙率小, 因而具有很好的防水性能. 根据T0730%2000沥青混合
[8]
料渗水试验, 进行了渗水系数检验, 采用轮碾成型机制作的车辙试验试件渗水. 试验结果表明, 其渗水系数为0, 说明SAW I 混合料具有很好的防水性能. 采用这种材料, 即使加铺层表面出现裂缝, SAW I 作为夹层不仅自身不会受到损害, 且由于其具有良好的不透水性, 能有效阻止水分进一步渗入, 从而对加铺层结构起到保护作用.
3 试验路应用状况
第10期薛忠军等:应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能85
M ee ti ng CD ROM. [S . . l ]:[s . n . ],2003.
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Perfor m ance of Reflection Crack Resist ance of Stress Absor bi ng
W ater proof Interl ayer
Xue Zhong j u n
1, 2
Wang J ia ni Tan Yi qiu
21
(1. Schoo l of Comm un i cations Sc i ence and Eng i neeri ng , H arb i n Institute of T echno l ogy , H arb i n 150090, H e ilong jiang , Ch i na ;
2. Be iji ng M un i cpa l R oad w ay A d m i nistrati on Bureau , B eiji ng 100053, China)
Abst ract :I n order to evaluate the reflection crack resistance of stress abso r b i n g w aterproo f i n terlayer (SAW I), so m e perfor m ance tests w ere carried ou. t The resu lts obta i n ed w ith an i m proved asphalt pave m ent analyzer (APA ) sho w that the fatigue life of SA W I is 3. 32ti m es t h at of the co mm on asphalt concrete . The pu ll out test results ob tained w ith a m odified m aterial test syste m (MTS)i n dica te that SAW I i s o f good i n terlayer bondi n g capab ility . M o reover , as co m pared w ith t h e control sa m ple , SAW I is of strong pre flecti o n crack resistance . It is t h us concl u ded t h at SA W I can e ffecti v ely delay t h e crack i n g of asphalt pave m ent due to its lo w m odu l u s , high toughness and e las ticity , as w ell as good seepage preventing capab ility .
K ey w ords :road eng i n eering ; asphalt overlay ; reflection crack ; stress absorbing w aterpr oof interlayer ; h i g h e las ticity m odified asphalt
第36卷第10期2008年10月
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V o. l 36 N o . 10O ctober 2008
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1, 2
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王佳妮 谭忆秋
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(1. 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨150090; 2. 北京市路政局, 北京100053)
摘 要:为了评价应力吸收防水粘结层(SAW I) 的抗反射裂缝能力, 对其进行了性能试
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关键词:道路工程; 沥青加铺层; 反射裂缝; 应力吸收防水粘结层; 高弹改性沥青中图分类号:U 416 文献标识码:A
中国早期修建的水泥混凝土路面已接近或超过设计年限, 出现了路面损坏、使用品质下降的情况, 影响了道路的使用功能. 在旧水泥路面上设置沥青加铺层是改善其使用性能最常用的方法之一. 沥青加铺层在使用过程中最主要、最亟待解决的是反射裂缝问题. 路面出现反射裂缝后, 如不及时养护(填封缝隙) 或修补, 雨水会沿裂缝下渗, 在行车荷载作用下将很快使加铺层与旧面层的粘结丧失. 沥青的剥落、裂缝的碎裂和扩展, 导致沥青混凝土加铺层出现严重损坏, 缩短加铺层的寿命. 虽然可以通过增加沥青层的厚度、破碎并压稳原来的旧水泥路面、使用改性沥青、加铺土工织物夹层以及加铺应力吸收膜等多种技术措施来防治反射裂缝, 但目前尚无一种措施可以取得令人满意的防反射裂缝效果. 文中提出一种新型夹层材料, 其具有低模量、高韧性、高粘性、防渗等特点, 可以有效吸收由于旧水泥板运动产生的应力, 阻止反射应力进一步向上传递, 防止水分的进入, 即使面层产生了裂缝仍然可以起到防水的作用, 并且具有很好的层间结合能力, 能使加铺层和旧水泥路面紧密结合. 将具备上述功能的夹层称为 应
[1]
力吸收防水粘结层(SAW I) . SA W I 通常设置在旧水泥路面和沥青加铺层之间, 厚度为(2 0! 0 5) c m.
1 SA W I 材料性能
1. 1 主要技术指标
高弹改性沥青的主要技术指标见表1. SAW I 混
表1 高弹改性沥青主要技术指标1)
T ab le 1 M a j or techn ica l i ndices o fm odified h i gh flex i b ility as
phalt
参数
针入度(25∀, 100g , 5s) /(#0. 1mm )
软化点/∀
延度(5c m /mi n, 5∀) /c m 粘度(135∀) /(Pa ∃s)
60∀的绝对粘度(真空毛细管粘度计测) /(Pa ∃s)
弹性恢复(3m i n 内, 25∀) /%延度2) (5c m /mi n , 5∀) /cm 针入度比2) (25∀) /%弹性恢复2) (3m i n 内, 25∀) /%
数值65>5030000>90%>30>60>75%
1) 关键性指标为:25∀条件下3m i n 弹性恢复[1]; 2) 为旋转薄膜烘箱后残留物数据.
收稿日期:2007 12 01
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50808058); 教育部2006年新世纪优秀人才支持计划项目(2006348); 十一五 国家科技支撑计划重点资助项目(2006BA J18B05)
:, . m j . co
82华南理工大学学报(自然科学版) 第36卷
合料是一种富沥青混合料, 油石比通常为8 5%~10 5%, 是在优质基质沥青中掺入10%SBS 及其它改性剂特制的高弹改性沥青, 具有高弹、低模量, 能很快松弛和吸收由于旧路发生位移产生的水平拉应力和竖向的剪应力.
1/10左右, 为改性沥青混合料的1/4左右.
2 SA W I 路用性能试验
2. 1 加铺层抗裂性能试验
2. 1. 1 加铺层抗裂性能试验方法
加铺层结构的抗疲劳性能是决定能否有效防治反射裂缝的关键. 美国S H RP 研究计划以控制应变模式下的四点弯曲疲劳试验作为室内疲劳试验的标准试验, 模拟的是试件在纯弯曲作用下的疲劳损坏, 并制订了四点弯曲疲劳试验的标准方法(即SHRP M 009和AAS H TO TP 8标准)
[5]
1. 2 集料与级配
SAW I 混合料所用集料主要为细集料、机制砂, 其性能需满足集料质量技术要求所示.
表2 SAW I 混合料推荐级配
T ab l e 2 Co mm ended g radati on for S AW I m i xture
筛孔尺寸/mm
9. 54. 752. 361. 18
0. 6
0. 3
0. 150. 075
[2]
, 通过大量的试
[3 4]
验表明断级配具有优良的性能, 推荐级配如表2
. 四点弯曲试验评
价沥青加铺层结构抗裂性能存在以下不足:加载方式不能模拟旧水泥路面加铺层的受力状况; 该试验采用的试件是由单一材料制成的, 因而只能评价加铺层结构某一层次的疲劳特性, 无法表征加铺层结构的整体抗裂性能. 文中采用改进的沥青路面分析仪(APA) 进行SAW I 的抗裂性能试验, 荷载作用模式接近实际路面受力状态, 改进后的模具能表征加铺层结构的整体疲劳性能, 同时, 开发了水泥路面沥
青加铺层抗反射裂缝能力的实验方法及实时监控系统
[1, 6]
合成级配(通过率) /%10091. 267. 848. 845. 827. 716. 511. 8
1. 3 体积参数
为了保证SAW I 混合料性能稳定, 能较好地发挥其作用, 应对混合料的体积参数进行控制. 体积参数的控制指标要求
[1, 3]
见表3, 采用旋转压实50次
成型, 亦可采用轮碾成型, 在0 7M Pa 压力下, 往复12次, 不建议采用马歇尔击实方法. 由于含油量高, 部分沥青起到了润滑作用, 故击实后体积参数离散性较大.
表3 SAW I 混合料体积参数控制指标
T able 3
Controlling i nd ices o f vo l u m e para m eters f o r S AW I m i x ture
参数空隙率/%矿料间隙率/%
数值0. 5~2. 9>18
参数沥青饱和度/%
粉胶比
数值75~950. 5~1. 7
.
2. 1. 2 加铺层结构抗裂性能对比试验
为了比较不同加铺层结构的抗裂性能, 对3种加铺层结构(见表5) 进行对比试验. APA 设备自身定义疲劳损坏的标准是当前位移比前10次位移的平均值大1mm 试验停止, 此时的试验次数即为疲劳寿命. 由于试验中常伴随塑性变形, 大于1mm 的现象时有发生, 检查试件发现试件边缘处因刚轮作用发生塑性变形, 因此这种标准不能判别加铺层结构是否发生疲劳损坏. 故根据实际路面使用情况, 当试件表面有裂缝出现, 如图1(a) 所示, 即认为加铺层已经发生损坏, 并定义APA 试验疲劳损坏的标准%%%以试件面层出现裂缝时刚轮作用的次数为试件的疲劳寿命. 不同加铺层结构的疲劳试验结果见
表5.
表5 对比试验采用的典型加铺层结构形式及疲劳寿命T ab le 5 S tructures o f typical asphalt overlayers used in co m pa r
ati ve test and co rresponding fati gue life
结构123
面层AC13厚度/cm
664
夹层%土工织物2c m 厚SA W I
旧水泥板厚度/c m
444
橡胶垫
222
疲劳寿命/20. 5250. 1468. 26
厚度/cm (#104次)
1. 4 S AW I 的混合料模量
利用Cooper 疲劳试验机进行四点弯曲疲劳试验来测定劲度模量, 采用应变控制方式, 试验温度为15∀, 加载频率为10H z , 并与普通沥青混合料劲度
模量进行了对比, 试验数据见表4.
表4 不同沥青混合料的劲度模量T ab l e 4 S tiffness o f d iffe rent aspha ltm i x tures
种类基质沥青混合料改性沥青混合料
SA W I
应变/(#10
2007502000
-6
) 初始模量/MPa
[1**********]32
从试验数据中可以看出, SA W I 沥青混合料具
第10期薛忠军等:应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能83
试验数据表明, 不同的加铺层结构具有不同的疲劳寿命, 使用SAW I 的加铺层与没有使用夹层结构的加铺层其疲劳寿命有较大的差别; 以SA W I 作为夹层, 可以明显提高加铺层的疲劳寿命, 分别是结构1和结构2疲劳寿命的3 32倍和2 44倍. 可见, 使用SAW I 结构可以明显改善加铺层结构的疲劳寿命. 改进后的AP A 疲劳试验能够准确有效地测定不同加铺层的疲劳寿命, 区分不同材料、结构类型的加铺层, 评价其抗裂性能
.
试验主要包括剪切试验及直拉试验, 受正压力的影响, 剪切试验曲线表现为随着界面错动位移的增加,
界面剪应力线性增加, 无峰值出现, 粘结力变化过程没有反映出来, 因此剪切试验不适合单独对粘结层材料的性能进行评价. 相比之下, 直拉试验可以根据试验曲线峰值明确判断粘结层结构的粘结强度, 还可以根据破坏界面清楚地判定粘结层结构体系的薄弱环节.
因此, 文中采用直拉试验对加铺层的层间结合能力进行评价. 图2为目前工程上常采用的一种拉拔设备. 该设备小巧、轻便, 适合野外施工监控, 缺点是需人工加压, 所以加压速度不易控制, 导致拉力施加不稳定, 有冲击力的产生. 为了消除冲击力的产生, 施加稳定的拉拔力, 从而准确评价材料的层间结合能力, 专门加工了拉拔试验的夹具, 如图3所示. 利用M TS 万能材料试验机对不同加铺层结构进行拉拔试验对比, 试验结果见表6.
图2 手动施压拉拔仪
F ig . 2 P ortab le pull out testing apparatus
图1 试件的疲劳开裂F i g . 1 F atigue cracks o f sa mp le
将已发生疲劳破坏的试件从侧面剖开, 对裂缝进一步观察, 裂缝处剖面如图1(b ) 所示. 从图1中
可以清楚地看到, 只有面层产生了裂缝, SAW I 则完好无损, 这说明SAW I 具有较高的使用寿命, 不仅能够有效延长整个加铺层结构的使用寿命, 且其自身抵抗疲劳开裂破坏的能力较强. 即使在面层出现了裂缝的情况下, SA W I 依然保持完好无损, 仍然可以防止水分渗入到路面而进一步破坏路面结构, 因此只需对表面出现的裂缝进行简单的修复便可继续使用, 对路面的使用功能影响很小.
图3 M T S 拉拔夹具
F i g . 3 P ull out fi xture for M TS testing m ach i ne 表6 不同加铺层材料的拉拔试验结果
T ab le 6 D i rect pu ll out test results of different ma teria l s for as
phalt over layer
试验温度/∀203060
普通改性沥青
0. 600. 480. 21
粘结强度/MPa 加铺玻璃格栅
0. 320. 300. 18
加SA W I 1. 321. 010. 81
2. 2 加铺层层间结合能力性能试验
为了抵抗车辆紧急刹车时产生的制动力和车辆行驶过程中的振动作用, 加铺层各层之间应具有较
[7]
84华南理工大学学报(自然科学版) 第36卷
从几种粘结材料的拉拔试验数据来看, SAW I 的粘结能力远远高于其他普通改性沥青. 其主要原因是SAW I 混合料采用了高弹改性沥青, 该沥青除了具有较强弹性恢复能力外, 还具有较高的粘度. 因此, SAW I 不仅有吸收应力的功能, 还能起到粘结层的作用.
造工程, 于2006年10月通车. 沥青加铺层结构总厚度为7 0c m , 其中SA W I 厚2 5c m, AC13磨耗层厚4 5c m. 通车后道路表面功能大大提高, 尤其是行车舒适性与噪音问题得到明显改善. 2007年10月底对路面状况的调查结果显示, 道路表面状况完好, 无反射裂缝、车辙和水损害等病害. 虎门高速公路日交通量超过6万辆, 且80%以上都是重载和超载车辆. 重载及超载作用都将显著加速裂缝的产生和扩展, 繁重的交通量导致裂缝的发生期大为提前. 根据当量轴载计算, 对于虎门高速公路来说, 通车1年内的累积交通量相当于一般高速公路运行3~5年的
[9]
累积交通量. 调查结果表明SAW I 具有良好的防止反射裂缝能力, 并具有较好的综合路用性能. 此外, SA W I 还在广州市一环线、广州北环高速公路等实体工程中得到了应用, 目前使用效果良好.
2. 3 S AW I 混合料高、低温性能试验
2. 3. 1 SAW I 混合料高温性能评价
由于模量较低, SAW I 混合料的高温性能相对其他性能而言较为薄弱. 为考察其高温稳定性是否满足要求, 按试验规程中沥青混合料车辙试验的方[8]
法, 评价了SAW I 沥青混合料的高温抗车辙能力. 试验结果表明SAW I 混合料的动稳度均大于1000次/mm,满足规范对炎热地区普通沥青混凝土不得低于800次/mm的要求. 2. 3. 2 SAW I 混合料低温性能评价
采用低温弯曲试验(试验温度为-10∀, 加载速率为50mm /min) 的破坏应变作为混合料低温抗
[8]
裂性能控制的指标, 并与普通改性沥青混合料SMA 13进行了对比, 试验数据见表7.
表7 S AW I 与改性沥青混合料低温弯曲试验结果对比T able 7
Compar i son of l ow temperat u re bend i ng resu lts be t w een S AW I and m odified aspha lt m i x ture
级配类型S M A13SA W I
抗弯拉强度/M Pa 7. 9016. 40
弯曲破坏应变/(#10-6)
2966. 5013392. 50
弯曲劲度模量/M Pa 5651. 621439. 72
[2]
4 结语
SAW I 是一种高弹改性沥青、砂粒式富沥青断级配沥青混合料, 设置在旧水泥路面和沥青磨耗层之间, 室内外试验表明SAW I 具有优良的性能, 主要表现在:
(1) 从室内抗裂性能试验、渗水试验来看, 沥青加铺层结构中设置SAW I 不仅可以延缓反射裂缝出现的时间, 还可以防止水分进入到路面结构中.
(2) SA W I 低温破坏应变是规范要求的5 36倍, 具有优良的低温性能, 可以松弛由于温度降低产生的温度应力; SAW I 还具有较强的层间结合能力, 能确保沥青加铺层与旧水泥路面紧密粘结.
(3) 目前多个实体工程的应用表明, SA W I 抗裂效果良好, 但由于观测时间短, 尚需进一步跟踪观测. 此外, 由于目前应用SAW I 的实体工程均位于南方地区, 对于北方寒冷地区的抗裂效果还有待进一步研究. 参考文献:
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ra tions &, l
试验结果表明, SAW I 混合料的弯曲破坏应变是改性沥青的4 51倍, 是规范要求改性沥青混合料
-3
最小应变值2 5#10的5 36倍, 故SAW I 混合料具有良好的低温抗裂性能.
2. 4 S AW I 混合料防水性能试验
SAW I 混合料由于沥青用量大, 空隙率小, 因而具有很好的防水性能. 根据T0730%2000沥青混合
[8]
料渗水试验, 进行了渗水系数检验, 采用轮碾成型机制作的车辙试验试件渗水. 试验结果表明, 其渗水系数为0, 说明SAW I 混合料具有很好的防水性能. 采用这种材料, 即使加铺层表面出现裂缝, SAW I 作为夹层不仅自身不会受到损害, 且由于其具有良好的不透水性, 能有效阻止水分进一步渗入, 从而对加铺层结构起到保护作用.
3 试验路应用状况
第10期薛忠军等:应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能85
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Perfor m ance of Reflection Crack Resist ance of Stress Absor bi ng
W ater proof Interl ayer
Xue Zhong j u n
1, 2
Wang J ia ni Tan Yi qiu
21
(1. Schoo l of Comm un i cations Sc i ence and Eng i neeri ng , H arb i n Institute of T echno l ogy , H arb i n 150090, H e ilong jiang , Ch i na ;
2. Be iji ng M un i cpa l R oad w ay A d m i nistrati on Bureau , B eiji ng 100053, China)
Abst ract :I n order to evaluate the reflection crack resistance of stress abso r b i n g w aterproo f i n terlayer (SAW I), so m e perfor m ance tests w ere carried ou. t The resu lts obta i n ed w ith an i m proved asphalt pave m ent analyzer (APA ) sho w that the fatigue life of SA W I is 3. 32ti m es t h at of the co mm on asphalt concrete . The pu ll out test results ob tained w ith a m odified m aterial test syste m (MTS)i n dica te that SAW I i s o f good i n terlayer bondi n g capab ility . M o reover , as co m pared w ith t h e control sa m ple , SAW I is of strong pre flecti o n crack resistance . It is t h us concl u ded t h at SA W I can e ffecti v ely delay t h e crack i n g of asphalt pave m ent due to its lo w m odu l u s , high toughness and e las ticity , as w ell as good seepage preventing capab ility .
K ey w ords :road eng i n eering ; asphalt overlay ; reflection crack ; stress absorbing w aterpr oof interlayer ; h i g h e las ticity m odified asphalt