基于Overlay Test 评价应力吸收层抗反射裂缝性能

颜可珍，王绍全，田珊，陈景豪，孙皓

（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙410082）

在我国无论是广泛应用的半刚性基层沥青路面还是“白改黑”工程中的沥青路面加铺层结构，反射裂缝病害始终是我国沥青路面中广泛存在的一种破坏形式.[1-3]为解决沥青路面反射裂缝病害问题，国内外进行了大量研究，其中设置应力吸收层被认为是一种能够有效防止反射裂缝的技术，因而在实际工程中得到了较多的应用[4].但是，对于应力吸收层的抗反射裂缝性能试验研究，大多采用复合试件抗压的疲劳试验来评价其抗裂性能[5]，国内学者对应力吸收层的研究还不够深入和系统.国外学者采用Overlay Test（OT）试验来模拟沥青路面受下部拉力情况下的抗裂性能，OT 试验能较为合理地模拟实际沥青面层受反射裂缝的影响[6].同时国内外学者研究发现，OT 试验能够较好地评价沥青混合料的抗反射裂缝性能[7-8].因此，本文提出采用OT 试验对应力吸收层的抗反射裂缝性能进行深入研究，以期更充分地评价应力吸收层的性能.

1 试验用材料

1.1 改性沥青

研究对象为3 种改性沥青应力吸收层混合料.3种改性沥青分别为SBS 改性沥青、废胶粉（WTR）改性沥青和新型WTR/APAO 复合改性沥青[9].后两种改性沥青由实验室制备得到.

改性沥青所用改性剂有两种，一是国产177 μm（80 目）废旧橡胶粉改性剂；二是美国亨斯迈公司生产的2385 型APAO 改性剂，APAO 是一种非晶态α-烯烃，属于热塑性树脂类改性剂[10].其中WTR 改性沥青由70#基质沥青和15%废胶粉制备而成；WTR/APAO 复合改性沥青由70# 基质沥青、4%APAO 和15%废胶粉制备而成.

采取SBS 改性沥青作为对照组，试验用SBS 改性沥青为国产成品I-D 型.基质沥青和SBS 改性沥青的基本技术指标见表1. WTR 改性沥青和WTR/APAO 改性沥青的性能见表2.

表1 70#基质沥青和SBS 改性沥青基础技术指标Tab.1 Properties of 70#matrix asphalt and SBS modified asphalt

表2 改性沥青基础技术指标Tab.2 Properties of modified asphalt

1.2 集料及级配

试验采用的集料为湖南省产石灰岩，集料性能符合规范要求，见表3.根据唐曦[11]关于改性沥青混合料应力吸收层的研究，选择应力吸收层级配如表4 所示，研究采用连续级配以确保级配的稳定性.同时在此级配下的最佳油石比选取8.8%.应力吸收层混合料的拌合温度为175 ℃，压实温度为170 ℃.

表3 集料基础技术指标Tab.3 Properties of aggregate and mineral powder

表4 应力吸收层级配Tab.4 Gradation of stress-absorption interlayer

2 Overlay Test

2.1 试验方法

根据美国德克萨斯州TEX-248-F 规范要求[12]，对3 种改性沥青应力吸收层混合料通过旋转压实试验制备出一个直径为150 mm，高为（115±5）mm 的圆柱形试件，按照图1 的要求将试件进行切割，最终得到如图2 所示的标准试件.

图1 Overlay Test 试件切割示意图Fig.1 Overlay Test specimen cutting diagram

图2 Overlay Test 标准试件Fig.2 Overlay Test standard test piece

试件长为150 mm，宽为76 mm，厚为38 mm，按规范要求制备平行试件3 个.将切割好的试件用环氧树脂黏结在两块拉伸盘上，如图2 所示.每个试件上施加4.5 N 的压力，待8 h 后认为强度足够，将整个试件安装在UTM-30 设备上，如图3 所示.

由图3 可知模具中间是一条2～3 mm 的间隙，模具的下部固定而上部向上拉伸，模拟一个下部反射裂缝对应力吸收层的作用.规范要求以裂缝位移的长度作为控制指标，裂缝的目标位移值为0.635 mm，试验温度规定为25 ℃.试验荷载的加载波形为三角波，荷载循环周期为10 s.通过上述荷载变化来模拟实际反射裂缝的闭合运动[8].规范通过最终试件在达到破坏前所经历的荷载循环次数来评价试件对抗反射裂缝性能的敏感性.规范中对于试件破坏的认定条件是：当试件在某次循环的最大荷载与初始循环最大荷载相比衰减达到了93%以上时，认为试件发生破坏.同时规范设定试验最大运行周期为1 200 次.

图3 Overlay Test 试件安装示意图Fig.3 Overlay Test specimen installation diagram

2.2 试验方案

除了按照规范要求对SBS、WTR 和WTR/APAO三种改性沥青制备的应力吸收层进行常规条件的OT 试验外，还对应力吸收层进行浸水以及长期老化处理后的OT 试验，试验温度按照规范要求均为25℃.浸水和混合料的长期老化试验按我国规范JTG E20—2011 中方法进行.

3 试验结果与分析

UTM-30 设备在进行OT 试验过程中，会自动记录试验周期数N、荷载损失率R、拉伸荷载、拉伸应力、位移和温度等参数.本文选取自动记录的试验参数有：试验周期数N、荷载损失率R、临界断裂能Ec和第一周期最大荷载F.

同时根据前人研究引入总断裂能G 来进一步评价应力吸收层的抗反射裂缝性能.总断裂能由试件的最大荷载-周期曲线下所包围的面积（即整个周期内所有荷载的总和）表示混合料开裂的总断裂能[5]，如图4 所示.

图4 试件破坏的总断裂能G 示意图Fig.4 Total fracture energy of the specimen failure

3.1 常规条件下OT 结果

常规条件下3 种应力吸收层的OT 试验结果见表5，最大荷载-周期变化曲线如图5 所示.

表5 常规条件OT 试验结果Tab.5 OT results under standard conditions

从表5 可发现在常规条件下，3 种应力吸收层的试验周期数N 均在达到1 200 次时荷载损失率R 值小于93%.当周期数达到1 200 次时，SBS 的荷载损失是最少的，R 值仅为68.2%；而WTR 和WTR/APAO 的荷载损失率较大且较为相近，R 值分别为87.1%和86.83%. 3 组材料的总断裂能G 变化规律为WTR/APAO＞WTR＞SBS. 说明在整个反射裂缝作用周期中，WTR/APAO 破坏所需能量最多.第一周期最大荷载和临界断裂能变化规律一致，均是WTR/APAO＞WTR＞SBS，说明WTR/APAO 应力吸收层需要更多的力和能量才能在初期形成反射裂缝.

从图5 中可看出，3 种材料的曲线变化规律相似：试验初期荷载迅速下降，后期趋于缓慢减小.但是3 种材料的不同之处也较为明显. SBS 应力吸收层的3 个平行试件的变化曲线较为接近且初始荷载较小.WTR 和WTR/APAO 两种材料应力吸收层的初始荷载是SBS 的2 倍左右.与SBS 相比同周期数时的荷载数值也更大，荷载降低速率也更快. 可以说明最大荷载-周期变化曲线能很好地反映材料在整个承受反射裂缝作用过程中的变化规律和特点.

图5 常规条件下最大荷载-试验周期变化曲线Fig.5 Maximum load-cycle curve under standard conditions

3.2 浸水后应力吸收层OT 结果

3 种应力吸收层试件在经过水损坏作用后的OT试验结果见表6，相应的最大荷载-试验周期变化曲线如图6 所示.

由表6 可知，在经历过水损坏之后SBS 和WTR应力吸收层试件的试验周期数N 仍达到1 200 次而WTR/APAO 试件的试验周期的均值为815 次且只有一个试件达到1 200 次，同时试验的VAR 值的离散性较小.这说明水损坏作用对WTR/APAO 应力吸收层的影响较为明显.3 种材料的荷载损失率R 值较常规条件下均有所增加.3 组材料的总断裂能G 的规律与常规条件一致，虽然WTR/APAO 的试验周期数较少，但在整个过程中却需要最多的断裂能来完成裂缝的扩展和发展.第一周期最大荷载和临界断裂能的变化规律与常规条件下一致.总体而言，浸水对SBS 和WTR 两种应力吸收层的破坏并不十分显著，而对WTR/APAO 应力吸收层有不利的影响.这与应力吸收层较高的压实度有关，致密的结构会降低水对混合料结构的影响.

表6 浸水后OT 试验结果Tab.6 OT results after moisture damage

图6 浸水后OT 最大荷载-试验周期变化曲线Fig.6 Maximum load-cycle curve after moisture damage

从图6 中可看出，SBS 在浸水后的曲线变化与常规条件下无明显区别.WTR 的曲线变化特点是在100 次左右完成了荷载的迅速下降，100～800 次周期间是一个速率较缓的荷载下降过程，而800 次之后出现了接近平行缓慢下降的现象. WTR/APAO 3 个试件的变化差别较大，试件在50 次循环周期内就完成了荷载的迅速下降，然后进入平行缓慢下降过程；试件3 则是在初期荷载迅速下降后，整体以接近45°的下降速率而达到破坏；试件2 则是呈现了常规的变化规律，展现了良好的抗反射裂缝性能.

3.3 长期老化后应力吸收层OT 结果

在道路结构中应力吸收层属于中间层，虽然不与大气环境直接接触，但是由于沥青混合料的孔隙联通，中间层仍会在一定程度上受到环境等因素的影响产生老化，从而影响使用性能.因此对应力吸收层的老化性能研究便具有一定的必要性.研究进行了应力吸收层在经过长期老化后的OT 试验，结果见表7，最大荷载-试验周期变化曲线如图7 所示.

表7 长期老化后OT 试验结果Tab.7 OT results after long-term aging

由表7 可发现，长期老化使WTR 和WTR/APAO的试验周期数明显下降，N 值均下降到了300 次左右.而SBS 在经过长期老化后仍达到了1 200 次，同时荷载损失率只有72.3%.由第一周期最大荷载和临界断裂能的数据可发现，WTR 应力吸收层的开裂需要更大的力和能量，WTR/APAO 和SBS 所需能量较少，这与常规和浸水后的规律有所不同.这说明WTR/APAO 应力吸收层在经过长期老化后丧失了之前的强度，更易开裂.同时由于WTR 和WTR/APAO的过早破坏，导致两者的总断裂能结果与SBS 的差距较大.从OT 参数可发现，长期老化作用降低了WTR 和WTR/APAO 两种应力吸收层的变形性和延展性，两者的抗裂性能有着明显的降低.与SBS 应力吸收层的差异，一方面归结为两种沥青材料在制备过程中的高温对沥青老化的加剧；再者是两种自制材料制备工艺的不成熟导致的改性沥青性质不均.

图7 长期老化后OT 最大荷载-试验周期变化曲线Fig.7 Maximum load-cycle curve after long-term aging

从图7 中可看出，SBS 在长期老化后的荷载-周期曲线变化与前两种条件下并无明显区别，性质优良且稳定.WTR 的2 个试件在初期破坏后迅速失效.另一个试件却展现了不错的变化趋势，在经历了800次循环后逐渐达到破坏.WTR/APAO 应力吸收层的3 个试件在初期经过荷载的迅速下降后，在200 次周期内便发生了迅速破坏或在一种临近破坏的状态下平行缓慢下降，这说明在长期老化后WTR/APAO 应力吸收层的抗裂性丧失殆尽.

3.4 不同条件对抗反射裂缝性能的影响

由图8（a）可知，浸水和老化对SBS 的影响最小，3 种情况下N 值均达到1 200 次. 浸水对WTR/APAO 的影响最大，老化对WTR 和WTR/APAO 的试验周期次数影响明显.

由图8（b）可知，3 种应力吸收层在经过浸水和老化后荷载损失率均有所增加.对SBS 而言水损坏对R 值的影响大于老化作用.对于WTR 和WTR/APAO 来说，老化作用的影响大于水损坏.在3 种条件下SBS 的荷载损失率都是最小的，而WTR 和WTR/APAO 的荷载损失率均较高且相差不大.

从图8（c）可知，在常规条件下三者在抵抗反射裂缝中所需的总断裂能依次是WTR/APAO＞WTR＞SBS，浸水后三者的总断裂能相差不大，老化后由于WTR 和WTR/APAO 的周期数迅速减少而导致总断裂能下降迅速.在经历过浸水和老化之后3 种应力吸收层的总断裂能均有所下降且老化的影响更加显著（SBS 老化后略有升高）.

图8（d）（e）的变化规律相似，SBS 和WTR 的第一周期最大荷载和临界断裂能均是老化＞浸水＞常规.这说明老化和水损坏导致需要更多的力和能量来产生裂缝.WTR/APAO 在常规和浸水条件下第一周期最大荷载和临界断裂能相似，但是老化后下降明显，这与其他参数的变化规律一致，说明老化造成了试件的硬化和强度降低，基本破坏了试件的抗裂性能.

图8 在不同条件下OT 指标变化规律Fig.8 Change rule of OT index under different conditions

综上可发现试验周期数、荷载损失率和总断裂能指标可以很好地反映和评价试件整体的抗裂性能，而第一周期最大荷载和临界断裂能是评价试件初期裂缝产生时的指标.

3.5 OT 曲线拟合

可以发现图5、图6 和图7 中的3 种应力吸收层在不同条件下的最大荷载-周期曲线符合幂函数变化规律.采用公式（1）对典型的变化曲线进行拟合得到表8 所示拟合结果.

通过表8 可发现在常规和浸水后曲线的变化规律十分符合幂函数的变化规律，变异系数R2达到了0.95 以上. 而长期老化后WTR 和WTR/APAO 由于试件的迅速破坏而导致了曲线的拟合度不高，但是在周期数600 次以上的曲线拟合的变异系数也达到了0.8 以上.这说明应力吸收层的OT 最大荷载-周期曲线变化符合幂函数变化规律.

表8 OT 最大荷载-试验周期曲线拟合结果Tab.8 Fitting result of OT maximum load-cycle curve

幂函数的参数a、b 代表曲线变化的速率，a 值和b 值越大说明荷载衰减得越快.从3 种材料在不同条件下的拟合曲线可发现：荷载衰减的速率为WTR/APAO＞WTR＞SBS.老化和水损坏作用能加大应力吸收层荷载衰减速率，且老化的影响要大于水损坏.与WTR 和WTR/APAO 相比，SBS 受水损坏和老化的影响荷载衰减速率增加得并不明显.

4 结 论

通过对SBS、WTR 和WTR/APAO 3 种改性沥青应力吸收层进行常规、浸水和长期老化后的OT 试验，系统研究了不同条件下3 种应力吸收层的抗反射裂缝性能，新的材料和研究方法为实际工程中的反射裂缝病害防治问题提供了参考.研究得到主要结论如下：

1）OT 试验可以很好地评价应力吸收层的抗反射裂缝性能，试验周期数、荷载损失率和总断裂能能够有效地评价试件整体的抗裂性能，第一周期最大荷载和临界断裂能是评价初期开裂的指标.

2）3 种应力吸收层在常规条件下均有良好的抗反射裂缝性能，但水损坏对WTR/APAO 的抗裂性能影响较大，长期老化后WTR 和WTR/APAO 抗裂性大幅衰减.

3）3 种应力吸收层的最大荷载-周期数曲线符合幂函数变化规律.曲线参数a、b 表征荷载衰减的速率，a 值和b 值越大说明荷载衰减得越快.

4）基于OT 试验指标的评价标准，将不同类型的应力吸收层更恰当地应用到不同条件下的实际道路防反射裂缝工程中，可针对性地防治反射裂缝病害.