同步碎石应力吸收层特性研究

同步碎石应力吸收层特性研究
摘要:本文主要对沥青加铺层结构组合中的同步碎石应力吸收层进行研究, 通过MTS疲劳试验模拟不同结构组合类型的加铺层的弯拉型和剪切型发射裂缝的
扩展过程, 评价同步碎石应力吸收层的效果；通过其力学特性和相关资料说明同
步碎石应力吸收层具有良好的防水性、粘结性、低温抗裂、抗拉伸疲劳和流变等
路用特性, 是一种性能良好的新型应力吸收层。

关键词:加铺层结构组合；同步碎石应力吸收层；疲劳试验；力学特性
1 前言
应力吸收层是在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置一层能与上下层粘
结的高塑性形变缓冲层, 由于其具有抗变形能力强和劲度模量低的特点, 变形通
过缓冲层传递至加铺层, 可以起到降低裂缝应力峰值的作用, 因此能预防或延缓
反射裂缝的出现。

同时,同步碎石应力吸收层不光具有延缓反射裂缝和在水泥混
凝土路面与加铺层之间起“承上启下”的粘结作用, 而且还具有良好的防水功能, 是一种性能良好的新型应力吸收层。

同步碎石应力吸收层是一种新型的沥青混合料, 它属于悬浮密实结构, 该混
合料沥青用量较大, 集料细, 矿料用量大, 空隙率小, 石料基本上悬浮于沥青之间, 碾压成型后密实、空隙率小、饱和度大。

同步碎石应力吸收层能有效减少地
表水通过旧水泥混凝土板接缝下渗入下承层, 避免基层顶面软化, 产生破坏, 保
持路基强度的稳定性, 而且又能减少地下水通过旧水泥混凝土板间接缝进入加铺
层中而浸湿加铺层的中面层或上面层, 降低无机结合料稳定类材料的强度, 延缓
沥青面层出现剥落和松散, 延长加铺层结构的使用年限。

同时, 同步碎石应力吸
收层还具有良好的低温抗裂、抗拉伸疲劳和流变等路用特性。

2 MTS疲劳试验
2.1 试验结构及模型
2.1.1 试验结构类型
为了防止和缓解反射裂缝的产生, 试验采用4种不同加铺层结构组合类型(表 1), 并利用MTS材料试验系统模拟旧水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种反射裂缝疲劳开裂发展情况, 试验是以沥青加铺层反射裂缝发展情况与荷载作用次数作为评价指标。

2.1.2 试验模型
试验采用如图 1所示模型, 模拟水泥混凝土路面沥青加铺层弯拉型和剪切型两种反射裂缝情况, 试验采用中荷载和偏荷载2种加载方式，试件长为51.5cm，宽为10cm, 水泥混凝土垫块厚为5cm。

加载模式为在沥青加铺层顶部沿宽度方向加条形荷载, 加载面积为10cm×5cm。

试验首先测定A结构组合类型在中载和偏载作用下的极限破坏荷载，然后取0.4倍的极限荷载分别加载在各结构组合类型上测定其各自的疲劳破坏次数，荷载比为0.1。

加载的波形为半弦波，加载频率为10Hz。

加载值为：中荷载最大值为3.17kN、最小值为0.317kN、极限破坏荷载为7.93kN；偏荷载最大值为3.28kN、最小值为0.328kN、极限破坏荷载为
8.20kN。

2.2试验材料
本试验采用的水泥混凝土垫块的强度等级为C30, 采用的土工布和纤维均由深圳海川公司生产, 沥青混合料和沥青由相关施工单位提供, 同步碎石应力吸收
层采用的玄武岩碎石, 粒径为10mm，碎石撒布量为6 m3/(km)2，沥青洒布量为
1.8kg/m2，采用双层铺设，压实温度控制在165～170℃。

2.3试验结果及分析
在中荷载和偏荷载作用下，分别观测各结构组合类型加铺层反射裂缝的初裂、扩展到1、2、3cm及终裂时的疲劳荷载作用次数。

2.3.1弯拉型疲劳试验
由弯拉型(中荷载加载)疲劳试验可得：
(1)A结构组合类型在荷载作用下，裂缝沿着水泥混凝土接缝处自下而上发展，裂缝无明显分叉，但裂缝发展到2 cm时扩展速度加快。

(2)B结构组合类型在荷载作用下, 裂缝沿着水泥混凝土接缝处自下而上发展, 裂缝无明显分叉, 但裂缝发展到2 cm 处时出现“停滞”现象，裂缝扩展速度比
较缓慢, 终裂时接缝处土工布拉伸较长, 加铺层结构组合还保持良好的粘结性和
整体性, 未出现滑移等破坏现象。

(3)C结构组合类型在荷载作用下, 裂缝呈“摆动”状态自下而上发展, 裂缝
扩展的速度比较缓慢, 裂缝宽度也比较细小。

(4)D结构组合类型设有应力吸收层, 荷载作用下初次裂缝出现的时间比其他
3种组合类型晚, 裂缝发展比较缓慢, 在接缝的周围出现多条细小裂缝, 当裂缝
发展到2 cm后呈“摆动”状态，裂缝呈现细而多的情况。

各结构组合类型的弯拉抗裂效果如图 2 所示。

由图2可知:¹D结构组合类型出现裂缝最晚，裂缝发展得最缓慢；④在裂缝
发展到1cm时，土工布对抗弯拉型裂缝的效果体现出来，但随着裂缝的发展，
它的后期效果比设置应力吸收层差；㈣由荷载作用次数与裂缝关系图发现B、C、D结构组合类型都出现拐点现象，C、D结构组合类型的拐点出现在裂缝发展
到
1cm时，B结构组合类型拐点出现在裂缝发展到2 cm时。

当裂缝发展到2 cm 后，C、D结构组合类型荷载作用次数与裂缝关系图近似于正比线性关系。

2.3.2剪切型疲劳试验
由剪切型(偏荷载加载)疲劳试验可得：
(1)A结构组合类型在荷载作用下，裂缝沿着水泥混凝土接缝处自下而上逐渐
发展，裂缝基本上沿垂直方向发展，但在裂缝两侧出现一些细小的的裂痕，当裂缝发展到3 cm后，裂缝发展加快。

(2)B结构组合类型在荷载作用下，裂缝初期发展比较均衡, 当裂缝发展到
3cm后，发展加快，终裂时沥青加铺层完全断裂, 裂缝处土工布拉伸较长, 并伴
有位移和分离情况。

(3)C结构组合类型在荷载作用下, 当出现裂缝后, 裂缝宽度细小, 裂缝数量
较多, 裂缝发展比较均衡。

(4)D结构组合类型设有应力吸收层, 在荷载作用下初次裂缝出现的时间比其
他3种组合类型晚, 裂缝比较细而多, 裂缝发展比较缓慢, 终裂时沥青加铺层出
现多条细小裂缝贯穿, 但加铺层结构组合还保持良好的粘结性和整体性。

各结构组合类型的剪切抗裂效果如图 3所示。

由图 3可知：¹在偏荷载作用下，D结构组合类型抗开裂效果最好, 其次是C
结构组合类型、B 结构组合类型, 最差的是A结构组合类型；④D结构组合类型
荷载作用次数与裂缝关系图在裂缝发展到3 cm前近似于正比线性关系；㈣设置
土工布的加铺层对抗剪切型裂缝效果没有纤维沥青混合料效果好，当裂缝发展到
3 cm后，B结构组合类型抗裂的功能呈下降趋势。

3 力学特性试验
同步碎石应力吸收层具有高强的层间粘结力和抗剪力，它属于一种悬浮密实
结构。

本试验测定不同沥青洒布量和不同碎石撒布量情况同步碎石应力吸收层
的抗剪力和拉拔力。

试验结果见图 4、5。

由图 4、5 可知：
¹当碎石撒布量为6 m3/ (km)2时, 各不同沥青洒布量的同步碎石应力吸收层
的剪切应力达到峰值, 随着碎石撒布量的增加, 同步碎石应力吸收层的剪切应力
会下降；④沥青洒布量为1.6 kg/m2和1.8kg/m2的同步碎石应力吸收层图形呈反
V字形，当碎石撒布量为6 m3/ (km)2时, 沥青洒布量为1.6kg/m2和1.8kg/m2的
同步碎石应力吸收层的拉拔力达到峰值, 沥青洒布量为1.8kg/m2同步碎石应力吸
收层的抗拉拔力最大；当沥青洒布量为1.8 kg/m2和碎石撒布量为 6 m3/(km)2时, 同步碎石应力吸收层抗剪和抗拉力最大。

4 结论
通过对不同结构组合加铺层反射裂缝 MTS疲劳试验和同步碎石应力吸收层的
抗剪力及抗拔应力检测试验得到：
(1)在弯拉型(中荷载加载) 疲劳荷载作用下, 反射裂缝沿水泥混凝土接缝处
沥青加铺层底部自下而上逐渐扩展, 设置同步碎石应力吸收层的加铺层抗弯拉型
反射裂缝最好, 其次是设置土工布应力的加铺层结构组合类型, 而直接加铺普通
沥青混凝土的加铺层结构效果最差。

(2)在剪切型( 偏荷载加载) 疲劳荷载作用下, 主裂缝沿着水泥混凝土接缝处自下而上逐渐扩展, 同时伴有一些小裂缝沿主裂缝两侧斜向扩展。

从最终各加
铺层结构组合类型抵抗剪切型( 偏荷载加载) 疲劳破坏的效果来看, 设置同步碎石应力吸收层的加铺层结构组合类型最好, 其次是纤维沥青混凝土结构组合类型, 最差的是直接加铺普通沥青混凝土的加铺层结构组合类型。

(3)同步碎石应力吸收层具有良好的防水功能, 能够有效地防止地表水通过旧水泥混凝土板接缝下渗入下承层和地下水通过旧水泥混凝土板间接缝侵入加
铺层中。

(4)同步碎石应力吸收层具有较强的粘结作用, 能与水泥混凝土路面和加铺层产生很好的粘结作用, 在水泥混凝土路面与加铺层之间起“承上启下”的粘结
作用。