基于Overlay Test 評價應力吸收層抗反射裂縫性能

顏可珍，王紹全，田珊，陳景豪，孫皓

（湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙410082）

在我國無論是廣泛應用的半剛性基層瀝青路面還是“白改黑”工程中的瀝青路面加鋪層結構，反射裂縫病害始終是我國瀝青路面中廣泛存在的一種破壞形式.[1-3]為解決瀝青路面反射裂縫病害問題，國內外進行了大量研究，其中設置應力吸收層被認為是一種能夠有效防止反射裂縫的技術，因而在實際工程中得到了較多的應用[4].但是，對于應力吸收層的抗反射裂縫性能試驗研究，大多采用復合試件抗壓的疲勞試驗來評價其抗裂性能[5]，國內學者對應力吸收層的研究還不夠深入和系統(tǒng).國外學者采用Overlay Test（OT）試驗來模擬瀝青路面受下部拉力情況下的抗裂性能，OT 試驗能較為合理地模擬實際瀝青面層受反射裂縫的影響[6].同時國內外學者研究發(fā)現(xiàn)，OT 試驗能夠較好地評價瀝青混合料的抗反射裂縫性能[7-8].因此，本文提出采用OT 試驗對應力吸收層的抗反射裂縫性能進行深入研究，以期更充分地評價應力吸收層的性能.

1 試驗用材料

1.1 改性瀝青

研究對象為3 種改性瀝青應力吸收層混合料.3種改性瀝青分別為SBS 改性瀝青、廢膠粉（WTR）改性瀝青和新型WTR/APAO 復合改性瀝青[9].后兩種改性瀝青由實驗室制備得到.

改性瀝青所用改性劑有兩種，一是國產177 μm（80 目）廢舊橡膠粉改性劑；二是美國亨斯邁公司生產的2385 型APAO 改性劑，APAO 是一種非晶態(tài)α-烯烴，屬于熱塑性樹脂類改性劑[10].其中WTR 改性瀝青由70#基質瀝青和15%廢膠粉制備而成；WTR/APAO 復合改性瀝青由70# 基質瀝青、4%APAO 和15%廢膠粉制備而成.

采取SBS 改性瀝青作為對照組，試驗用SBS 改性瀝青為國產成品I-D 型.基質瀝青和SBS 改性瀝青的基本技術指標見表1. WTR 改性瀝青和WTR/APAO 改性瀝青的性能見表2.

表1 70#基質瀝青和SBS 改性瀝青基礎技術指標Tab.1 Properties of 70#matrix asphalt and SBS modified asphalt

表2 改性瀝青基礎技術指標Tab.2 Properties of modified asphalt

1.2 集料及級配

試驗采用的集料為湖南省產石灰?guī)r，集料性能符合規(guī)范要求，見表3.根據(jù)唐曦[11]關于改性瀝青混合料應力吸收層的研究，選擇應力吸收層級配如表4 所示，研究采用連續(xù)級配以確保級配的穩(wěn)定性.同時在此級配下的最佳油石比選取8.8%.應力吸收層混合料的拌合溫度為175 ℃，壓實溫度為170 ℃.

表3 集料基礎技術指標Tab.3 Properties of aggregate and mineral powder

表4 應力吸收層級配Tab.4 Gradation of stress-absorption interlayer

2 Overlay Test

2.1 試驗方法

根據(jù)美國德克薩斯州TEX-248-F 規(guī)范要求[12]，對3 種改性瀝青應力吸收層混合料通過旋轉壓實試驗制備出一個直徑為150 mm，高為（115±5）mm 的圓柱形試件，按照圖1 的要求將試件進行切割，最終得到如圖2 所示的標準試件.

圖1 Overlay Test 試件切割示意圖Fig.1 Overlay Test specimen cutting diagram

圖2 Overlay Test 標準試件Fig.2 Overlay Test standard test piece

試件長為150 mm，寬為76 mm，厚為38 mm，按規(guī)范要求制備平行試件3 個.將切割好的試件用環(huán)氧樹脂黏結在兩塊拉伸盤上，如圖2 所示.每個試件上施加4.5 N 的壓力，待8 h 后認為強度足夠，將整個試件安裝在UTM-30 設備上，如圖3 所示.

由圖3 可知模具中間是一條2～3 mm 的間隙，模具的下部固定而上部向上拉伸，模擬一個下部反射裂縫對應力吸收層的作用.規(guī)范要求以裂縫位移的長度作為控制指標，裂縫的目標位移值為0.635 mm，試驗溫度規(guī)定為25 ℃.試驗荷載的加載波形為三角波，荷載循環(huán)周期為10 s.通過上述荷載變化來模擬實際反射裂縫的閉合運動[8].規(guī)范通過最終試件在達到破壞前所經歷的荷載循環(huán)次數(shù)來評價試件對抗反射裂縫性能的敏感性.規(guī)范中對于試件破壞的認定條件是：當試件在某次循環(huán)的最大荷載與初始循環(huán)最大荷載相比衰減達到了93%以上時，認為試件發(fā)生破壞.同時規(guī)范設定試驗最大運行周期為1 200 次.

圖3 Overlay Test 試件安裝示意圖Fig.3 Overlay Test specimen installation diagram

2.2 試驗方案

除了按照規(guī)范要求對SBS、WTR 和WTR/APAO三種改性瀝青制備的應力吸收層進行常規(guī)條件的OT 試驗外，還對應力吸收層進行浸水以及長期老化處理后的OT 試驗，試驗溫度按照規(guī)范要求均為25℃.浸水和混合料的長期老化試驗按我國規(guī)范JTG E20—2011 中方法進行.

3 試驗結果與分析

UTM-30 設備在進行OT 試驗過程中，會自動記錄試驗周期數(shù)N、荷載損失率R、拉伸荷載、拉伸應力、位移和溫度等參數(shù).本文選取自動記錄的試驗參數(shù)有：試驗周期數(shù)N、荷載損失率R、臨界斷裂能Ec和第一周期最大荷載F.

同時根據(jù)前人研究引入總斷裂能G 來進一步評價應力吸收層的抗反射裂縫性能.總斷裂能由試件的最大荷載-周期曲線下所包圍的面積（即整個周期內所有荷載的總和）表示混合料開裂的總斷裂能[5]，如圖4 所示.

圖4 試件破壞的總斷裂能G 示意圖Fig.4 Total fracture energy of the specimen failure

3.1 常規(guī)條件下OT 結果

常規(guī)條件下3 種應力吸收層的OT 試驗結果見表5，最大荷載-周期變化曲線如圖5 所示.

表5 常規(guī)條件OT 試驗結果Tab.5 OT results under standard conditions

從表5 可發(fā)現(xiàn)在常規(guī)條件下，3 種應力吸收層的試驗周期數(shù)N 均在達到1 200 次時荷載損失率R 值小于93%.當周期數(shù)達到1 200 次時，SBS 的荷載損失是最少的，R 值僅為68.2%；而WTR 和WTR/APAO 的荷載損失率較大且較為相近，R 值分別為87.1%和86.83%. 3 組材料的總斷裂能G 變化規(guī)律為WTR/APAO＞WTR＞SBS. 說明在整個反射裂縫作用周期中，WTR/APAO 破壞所需能量最多.第一周期最大荷載和臨界斷裂能變化規(guī)律一致，均是WTR/APAO＞WTR＞SBS，說明WTR/APAO 應力吸收層需要更多的力和能量才能在初期形成反射裂縫.

從圖5 中可看出，3 種材料的曲線變化規(guī)律相似：試驗初期荷載迅速下降，后期趨于緩慢減小.但是3 種材料的不同之處也較為明顯. SBS 應力吸收層的3 個平行試件的變化曲線較為接近且初始荷載較小.WTR 和WTR/APAO 兩種材料應力吸收層的初始荷載是SBS 的2 倍左右.與SBS 相比同周期數(shù)時的荷載數(shù)值也更大，荷載降低速率也更快. 可以說明最大荷載-周期變化曲線能很好地反映材料在整個承受反射裂縫作用過程中的變化規(guī)律和特點.

圖5 常規(guī)條件下最大荷載-試驗周期變化曲線Fig.5 Maximum load-cycle curve under standard conditions

3.2 浸水后應力吸收層OT 結果

3 種應力吸收層試件在經過水損壞作用后的OT試驗結果見表6，相應的最大荷載-試驗周期變化曲線如圖6 所示.

由表6 可知，在經歷過水損壞之后SBS 和WTR應力吸收層試件的試驗周期數(shù)N 仍達到1 200 次而WTR/APAO 試件的試驗周期的均值為815 次且只有一個試件達到1 200 次，同時試驗的VAR 值的離散性較小.這說明水損壞作用對WTR/APAO 應力吸收層的影響較為明顯.3 種材料的荷載損失率R 值較常規(guī)條件下均有所增加.3 組材料的總斷裂能G 的規(guī)律與常規(guī)條件一致，雖然WTR/APAO 的試驗周期數(shù)較少，但在整個過程中卻需要最多的斷裂能來完成裂縫的擴展和發(fā)展.第一周期最大荷載和臨界斷裂能的變化規(guī)律與常規(guī)條件下一致.總體而言，浸水對SBS 和WTR 兩種應力吸收層的破壞并不十分顯著，而對WTR/APAO 應力吸收層有不利的影響.這與應力吸收層較高的壓實度有關，致密的結構會降低水對混合料結構的影響.

表6 浸水后OT 試驗結果Tab.6 OT results after moisture damage

圖6 浸水后OT 最大荷載-試驗周期變化曲線Fig.6 Maximum load-cycle curve after moisture damage

從圖6 中可看出，SBS 在浸水后的曲線變化與常規(guī)條件下無明顯區(qū)別.WTR 的曲線變化特點是在100 次左右完成了荷載的迅速下降，100～800 次周期間是一個速率較緩的荷載下降過程，而800 次之后出現(xiàn)了接近平行緩慢下降的現(xiàn)象. WTR/APAO 3 個試件的變化差別較大，試件在50 次循環(huán)周期內就完成了荷載的迅速下降，然后進入平行緩慢下降過程；試件3 則是在初期荷載迅速下降后，整體以接近45°的下降速率而達到破壞；試件2 則是呈現(xiàn)了常規(guī)的變化規(guī)律，展現(xiàn)了良好的抗反射裂縫性能.

3.3 長期老化后應力吸收層OT 結果

在道路結構中應力吸收層屬于中間層，雖然不與大氣環(huán)境直接接觸，但是由于瀝青混合料的孔隙聯(lián)通，中間層仍會在一定程度上受到環(huán)境等因素的影響產生老化，從而影響使用性能.因此對應力吸收層的老化性能研究便具有一定的必要性.研究進行了應力吸收層在經過長期老化后的OT 試驗，結果見表7，最大荷載-試驗周期變化曲線如圖7 所示.

表7 長期老化后OT 試驗結果Tab.7 OT results after long-term aging

由表7 可發(fā)現(xiàn)，長期老化使WTR 和WTR/APAO的試驗周期數(shù)明顯下降，N 值均下降到了300 次左右.而SBS 在經過長期老化后仍達到了1 200 次，同時荷載損失率只有72.3%.由第一周期最大荷載和臨界斷裂能的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，WTR 應力吸收層的開裂需要更大的力和能量，WTR/APAO 和SBS 所需能量較少，這與常規(guī)和浸水后的規(guī)律有所不同.這說明WTR/APAO 應力吸收層在經過長期老化后喪失了之前的強度，更易開裂.同時由于WTR 和WTR/APAO的過早破壞，導致兩者的總斷裂能結果與SBS 的差距較大.從OT 參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，長期老化作用降低了WTR 和WTR/APAO 兩種應力吸收層的變形性和延展性，兩者的抗裂性能有著明顯的降低.與SBS 應力吸收層的差異，一方面歸結為兩種瀝青材料在制備過程中的高溫對瀝青老化的加?。辉僬呤莾煞N自制材料制備工藝的不成熟導致的改性瀝青性質不均.

圖7 長期老化后OT 最大荷載-試驗周期變化曲線Fig.7 Maximum load-cycle curve after long-term aging

從圖7 中可看出，SBS 在長期老化后的荷載-周期曲線變化與前兩種條件下并無明顯區(qū)別，性質優(yōu)良且穩(wěn)定.WTR 的2 個試件在初期破壞后迅速失效.另一個試件卻展現(xiàn)了不錯的變化趨勢，在經歷了800次循環(huán)后逐漸達到破壞.WTR/APAO 應力吸收層的3 個試件在初期經過荷載的迅速下降后，在200 次周期內便發(fā)生了迅速破壞或在一種臨近破壞的狀態(tài)下平行緩慢下降，這說明在長期老化后WTR/APAO 應力吸收層的抗裂性喪失殆盡.

3.4 不同條件對抗反射裂縫性能的影響

由圖8（a）可知，浸水和老化對SBS 的影響最小，3 種情況下N 值均達到1 200 次. 浸水對WTR/APAO 的影響最大，老化對WTR 和WTR/APAO 的試驗周期次數(shù)影響明顯.

由圖8（b）可知，3 種應力吸收層在經過浸水和老化后荷載損失率均有所增加.對SBS 而言水損壞對R 值的影響大于老化作用.對于WTR 和WTR/APAO 來說，老化作用的影響大于水損壞.在3 種條件下SBS 的荷載損失率都是最小的，而WTR 和WTR/APAO 的荷載損失率均較高且相差不大.

從圖8（c）可知，在常規(guī)條件下三者在抵抗反射裂縫中所需的總斷裂能依次是WTR/APAO＞WTR＞SBS，浸水后三者的總斷裂能相差不大，老化后由于WTR 和WTR/APAO 的周期數(shù)迅速減少而導致總斷裂能下降迅速.在經歷過浸水和老化之后3 種應力吸收層的總斷裂能均有所下降且老化的影響更加顯著（SBS 老化后略有升高）.

圖8（d）（e）的變化規(guī)律相似，SBS 和WTR 的第一周期最大荷載和臨界斷裂能均是老化＞浸水＞常規(guī).這說明老化和水損壞導致需要更多的力和能量來產生裂縫.WTR/APAO 在常規(guī)和浸水條件下第一周期最大荷載和臨界斷裂能相似，但是老化后下降明顯，這與其他參數(shù)的變化規(guī)律一致，說明老化造成了試件的硬化和強度降低，基本破壞了試件的抗裂性能.

圖8 在不同條件下OT 指標變化規(guī)律Fig.8 Change rule of OT index under different conditions

綜上可發(fā)現(xiàn)試驗周期數(shù)、荷載損失率和總斷裂能指標可以很好地反映和評價試件整體的抗裂性能，而第一周期最大荷載和臨界斷裂能是評價試件初期裂縫產生時的指標.

3.5 OT 曲線擬合

可以發(fā)現(xiàn)圖5、圖6 和圖7 中的3 種應力吸收層在不同條件下的最大荷載-周期曲線符合冪函數(shù)變化規(guī)律.采用公式（1）對典型的變化曲線進行擬合得到表8 所示擬合結果.

通過表8 可發(fā)現(xiàn)在常規(guī)和浸水后曲線的變化規(guī)律十分符合冪函數(shù)的變化規(guī)律，變異系數(shù)R2達到了0.95 以上. 而長期老化后WTR 和WTR/APAO 由于試件的迅速破壞而導致了曲線的擬合度不高，但是在周期數(shù)600 次以上的曲線擬合的變異系數(shù)也達到了0.8 以上.這說明應力吸收層的OT 最大荷載-周期曲線變化符合冪函數(shù)變化規(guī)律.

表8 OT 最大荷載-試驗周期曲線擬合結果Tab.8 Fitting result of OT maximum load-cycle curve

冪函數(shù)的參數(shù)a、b 代表曲線變化的速率，a 值和b 值越大說明荷載衰減得越快.從3 種材料在不同條件下的擬合曲線可發(fā)現(xiàn)：荷載衰減的速率為WTR/APAO＞WTR＞SBS.老化和水損壞作用能加大應力吸收層荷載衰減速率，且老化的影響要大于水損壞.與WTR 和WTR/APAO 相比，SBS 受水損壞和老化的影響荷載衰減速率增加得并不明顯.

4 結 論

通過對SBS、WTR 和WTR/APAO 3 種改性瀝青應力吸收層進行常規(guī)、浸水和長期老化后的OT 試驗，系統(tǒng)研究了不同條件下3 種應力吸收層的抗反射裂縫性能，新的材料和研究方法為實際工程中的反射裂縫病害防治問題提供了參考.研究得到主要結論如下：

1）OT 試驗可以很好地評價應力吸收層的抗反射裂縫性能，試驗周期數(shù)、荷載損失率和總斷裂能能夠有效地評價試件整體的抗裂性能，第一周期最大荷載和臨界斷裂能是評價初期開裂的指標.

2）3 種應力吸收層在常規(guī)條件下均有良好的抗反射裂縫性能，但水損壞對WTR/APAO 的抗裂性能影響較大，長期老化后WTR 和WTR/APAO 抗裂性大幅衰減.

3）3 種應力吸收層的最大荷載-周期數(shù)曲線符合冪函數(shù)變化規(guī)律.曲線參數(shù)a、b 表征荷載衰減的速率，a 值和b 值越大說明荷載衰減得越快.

4）基于OT 試驗指標的評價標準，將不同類型的應力吸收層更恰當?shù)貞玫讲煌瑮l件下的實際道路防反射裂縫工程中，可針對性地防治反射裂縫病害.