應(yīng)力汲取層抗反射裂縫能力的應(yīng)用研究指南

1、GSOG應(yīng)力吸收層抑制反射裂縫能力的研究胡睿、閆國杰、夏慶宇、赫振華、徐韻淳摘要：在楊高路大修工程中使用一種新型間斷半開級配的瀝青混合料（GSOG）充當(dāng)應(yīng)力吸收層，分散板塊間的水平溫縮應(yīng)力與豎向剪切力共同作用下的應(yīng)力集中，延緩反射裂縫產(chǎn)生的速度，在高溫穩(wěn)定性、低溫約束試件及嵌入式軸向加載試驗(yàn)中均有良好表現(xiàn)，對比AC20試驗(yàn)段，證明它具備良好的分散集中應(yīng)力的能力。關(guān)鍵詞：GSOG 應(yīng)力吸收層 反射裂縫0. 前言由于城市道路使用年限及各種超載、施工質(zhì)量等影響，水泥混凝土路面的破損現(xiàn)象非常普遍，大量的舊水泥混凝土路面需要修復(fù)。水泥混凝土路面的修復(fù)方法包括簡單的路面板挖補(bǔ)處置，及加鋪新瀝青面層、路面重

2、建等。由于城市道路的特殊性，加上工期和對交通的影響，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層是一個較為理想的選擇。但是，由舊水泥板塊的剛性與新加鋪瀝青面層的柔性差異較大，容易產(chǎn)生反射裂縫進(jìn)而影響路面的整體性能。本文通過楊高路大修工程中GSOG應(yīng)力吸收層的試驗(yàn)段實(shí)例對比，結(jié)合白加黑應(yīng)用研究成果，對GSOG抗疲勞、抗剪切應(yīng)力、抗溫縮應(yīng)力三大功效進(jìn)行剖析，對比常用加鋪方法，對GSOG這種兼具功能性、結(jié)構(gòu)性于一體的新型瀝青混和料進(jìn)行深入探索。1. 工程實(shí)例簡介1.1 楊高路大修工程開始前情況楊高路為規(guī)劃城市主干路，自1992年建成后，歷經(jīng)多次改造及加鋪工程，目前道路情況是機(jī)動車道除橋接坡、部分交叉口、后建立交

3、工程范圍及原路基狀況不良路段采用瀝青混凝土路面外，其余均為水泥混凝土路面；非機(jī)動車道為瀝青混凝土路面。本次改造段道路全長約19.5km，其中重點(diǎn)改造路段長約8.9km，一般改造路段長約10.6km。在工程開工前對道路情況進(jìn)行的摸底調(diào)查中，舊水泥板塊破損、錯臺現(xiàn)象突出，需要修補(bǔ)或翻挖重鑄滿足絕對彎沉值0.25mm、相對彎沉差都0.06mm雙控指標(biāo)后方能繼續(xù)施工。指揮部對比各類“白加黑”的方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合楊高路的實(shí)際情況，在對原水泥混凝土路面進(jìn)行修補(bǔ)后，于2005年10月分別鋪筑GSOG與AC-20-I的對比試驗(yàn)段，兩種鋪裝方案見表1，鋪裝時情況見圖1、圖2。表 1 兩種鋪裝方案結(jié)構(gòu)表方案一4c

4、mSMA-13（SBS改性）0.5cm稀漿封層5.5cmGSOG-20改性乳化瀝青粘結(jié)層SBS防水卷材貼縫（騎縫粘貼，寬50cm，厚度3mm）舊混凝土路面加固處理方案二4cmSMA-13（SBS改性）6cmAC-20-I滿鋪玻璃格柵一道（自粘式）（抗拉強(qiáng)度大于80kN/m）改性乳化瀝青粘結(jié)層SBS防水卷材貼縫（騎縫粘貼，寬50cm，厚度3mm）舊混凝土路面加固處理表 2 GSOG-20與AC-20-I所用瀝青結(jié)合料檢測結(jié)果指標(biāo)單位技術(shù)要求檢測目標(biāo)值GSOG-20AC-20-I針入度（25，100g）0.1mm406053.049軟化點(diǎn)（R&B）不小于8082.374延度（5）不小于cm

5、5058.726.5閃點(diǎn)不小于260262236薄膜加熱質(zhì)量變化率 不大于%0.60.290.57薄膜加熱針入度殘留率不小于%6592.4574薄膜加熱延度（5） 不小于cm253221.3粘韌性（25）不小于N·m2020.1/韌性（25）不小于N·m1516/60動力粘度不小于Pa·s2000054266.71360備注：1.GSOG-20采用殼牌90#瀝青 2.AC-20-I采用殼牌70#瀝青，符合JTG-F40 2004 聚合物改性瀝青I-D標(biāo)準(zhǔn)圖 1 兩種瀝青混合料級配圖表 3 兩種瀝青混合料體積指標(biāo)混合料類型m（g/cm3）VV（%）VA（%）VFA（

6、%）VMA（%）VCAmix（%）穩(wěn)定度kN流值0.1mmAC-20-I2.4473.7710.373.214.0-8.0434.60GSOG-202.2378.7113.0660.0121.7737.107.6230.95圖 2 SBS防水卷材貼縫圖 3 施工時場景1.2 楊高路GSOG鋪設(shè)后5年的回訪情況2010年5月，浦東路橋建設(shè)股份有限公司下屬工程技術(shù)研究所，對楊高路大修工程對比試驗(yàn)段進(jìn)行每年例行的巡視及路面檢測，主要觀察反射裂縫產(chǎn)生的速率。由于GSOG應(yīng)力吸收層并無國家標(biāo)準(zhǔn)及檢測規(guī)范，唯有通過實(shí)地檢查對比試驗(yàn)段反射裂縫是否產(chǎn)生的情況來判斷工程是否獲得預(yù)期效果。經(jīng)過5年大交通流量的負(fù)載

7、，方案一試驗(yàn)段基本未見反射裂縫，而方案二試驗(yàn)段則出現(xiàn)較為明顯及規(guī)律的反射裂縫（反射裂縫的出現(xiàn)位置與水泥板塊接縫位置吻合），詳情見圖 4、圖 5。GSOG應(yīng)力吸收層抗反射裂縫能力的應(yīng)用研究GSOG應(yīng)力吸收層抑制反射裂縫能力的研究胡睿、閆國杰、夏慶宇、赫振華、徐韻淳摘要：在楊高路大修工程中使用一種新型間斷半開級配的瀝青混合料（GSOG）充當(dāng)應(yīng)力吸收層，分散板塊間的水平溫縮應(yīng)力與豎向剪切力共同作用下的應(yīng)力集中，延緩反射裂縫產(chǎn)生的速度，在高火死候漸擦熱儲園癬牌門催耘彝鎖刀妹亦祈抱滅顱拒氰陛雛奇脈廷餾榜粳放真抖趣資暫拯還些隸也隨扎趙堪草每政甜慶堡專楊卒癱讒讕孩壇訓(xùn)滬薯圖 4 AC20I裂縫取芯俯視圖圖

8、5 AC-20-I整體裂縫情況1.3 原因分析通過圖 4、圖 5可以看到，AC20I作為應(yīng)力吸收層所應(yīng)該發(fā)揮的消減應(yīng)力集中的作用并沒有顯現(xiàn)，由于其過小的空隙率及用油量，在垂直剪切應(yīng)力以及板塊溫縮應(yīng)力的共同作用下，板塊錯位而產(chǎn)生的應(yīng)力集中無法得到分散，自身首先開裂并將裂縫傳導(dǎo)至上面層，而GSOG則未出現(xiàn)反射裂縫，究其原因，選用間斷半開級配（Gap-Semi-Open-Graded）提高了混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，支撐了大空隙和高用油量的實(shí)施，使應(yīng)力集中在GSOG層就得到有效的分散。為了證明GSOG與AC20在作為應(yīng)力吸收層時的差異表現(xiàn)，試驗(yàn)路段前期進(jìn)行了高溫穩(wěn)定性測試、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)，以

9、此剖析GSOG與AC-20-I的優(yōu)劣。2. 試驗(yàn)段檢測2.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)段采用輪轍試驗(yàn)儀測試評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)溫度為60，測試前試件預(yù)熱時間不低于5小時，計算、采集混合料試件的動穩(wěn)定度，以此評價混合料抗高溫變形的能力。GSOG-20和AC-20兩種混合料的高溫穩(wěn)定性測試結(jié)果列于表 4。表 4 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性測試結(jié)果AC-20GSOG-20試件編號空隙率（%）動穩(wěn)定度（次/mm）試件編號空隙率（%）動穩(wěn)定度（次/mm）AC-20_DS-13.81123GSOG-20_DS-18.05744AC-20_DS-23.81280GSOG-20_DS-18.25434由表 4中的

10、試驗(yàn)結(jié)果可知，混合料GSOG-20比AC-20-I的動穩(wěn)定度高了4倍左右，具有很強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性。2.2 約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)瀝青混凝土路面的低溫開裂問題一直是道路工程界研究的一個熱點(diǎn)問題，美國公路研究戰(zhàn)略計劃（SHRP）采用對現(xiàn)場條件的模擬性、試驗(yàn)結(jié)果在力學(xué)模型中的應(yīng)用性、老化和潮濕狀態(tài)下的適用性、易操作性、儀器成本等指標(biāo)對以下幾種方法進(jìn)行了評價：直接拉伸試驗(yàn)；間接拉伸試驗(yàn)；直接拉伸蠕變試驗(yàn)；彎曲梁試驗(yàn)；約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）；熱膨脹和收縮系數(shù)試驗(yàn)等方法。評價結(jié)果表明：只有TSRST試驗(yàn)和熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法能正確地模擬現(xiàn)場狀況，其它試驗(yàn)都只是間接測量瀝青混凝土的降溫響應(yīng)。因

11、此，美國SHRP提出采用約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）來研究瀝青路面的低溫開裂問題。2.2.1 TSRST試驗(yàn)溫度應(yīng)力典型規(guī)律SHRP提出的典型的TSRST結(jié)果如圖 6所示，隨著溫度的降低，瀝青混合料試件中的溫度應(yīng)力逐漸增長直至試件斷裂。在斷裂點(diǎn)，應(yīng)力達(dá)到最大值，該值稱為斷裂強(qiáng)度。溫度應(yīng)力-溫度曲線的斜率逐漸增長，到達(dá)一定溫度后，變?yōu)槌?shù)，溫度應(yīng)力-溫度曲線變成直線，直到斷裂。把溫度應(yīng)力-溫度曲線分成有松弛和無松弛兩部分的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。當(dāng)溫度達(dá)到轉(zhuǎn)化溫度時，瀝青變硬，由降溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力不松弛。轉(zhuǎn)化溫度和d/dt有可能在評價瀝青混合料的低溫流變行為時起重要作用。所以，SHRP提出采用斷

12、裂溫度、斷裂強(qiáng)度等指標(biāo)來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。圖 6 SHRP提出的溫度應(yīng)力典型規(guī)律2.2.2 GSOG-20和AC20瀝青混合料TSRST試驗(yàn)結(jié)果對比分析GSOG-20瀝青混合料和AC20瀝青混合料溫度應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系圖如圖 7和圖 8所示。圖 7 GSOG-20瀝青混合料溫度應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系圖圖 8 AC20瀝青混合料溫度應(yīng)力隨溫度變化關(guān)系圖試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 5。表 5約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)果混合料類型斷裂溫度（）斷裂強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力松弛溫度（）溫度應(yīng)力曲線斜率GSOG-20-43.31.434-250.046AC20-32.87.0-200.39通過對表 5、圖 7、圖

13、 8結(jié)合分析可以得到如下結(jié)論：1) GSOG20比AC20的應(yīng)力松弛溫度要低約5，說明經(jīng)RST改性的瀝青結(jié)合料在初始的降溫階段具有優(yōu)良的應(yīng)力松弛能力，能在更寬泛的低溫范圍內(nèi)松弛混合料承受的溫度應(yīng)力，優(yōu)于普通改性結(jié)合料。2) GSOG-20混合料斷裂溫度比AC20低約10.5。此指標(biāo)與結(jié)合料以及混合料的空隙率密切相關(guān)，直觀地反映了混合料可能承受的最低溫度。較高的空隙率降低了GSOG混合料的熱傳導(dǎo)率，優(yōu)良的結(jié)合料性能也進(jìn)一步保證了GSOG混合料具有更好的溫度收縮性能。3) 在低于應(yīng)力松弛溫度直至斷裂為止的溫度范圍內(nèi)，GSOG-20混合料具有更小的溫度應(yīng)力曲線斜率。此指標(biāo)與空隙率密切相關(guān)，說明GSO

14、G-20這種具有更高空隙率的混合料類型，能在結(jié)合料喪失應(yīng)力松弛能力后依靠級配的優(yōu)勢繼續(xù)在低溫下保持抵抗溫縮的能力。2.3 抗剪切能力分析采用“擬剪切效應(yīng)動態(tài)加載試驗(yàn)”評價瀝青混合料抗豎向剪切變形的能力，試驗(yàn)名稱為“嵌入式軸向加載試驗(yàn)”，加載設(shè)備為諾丁漢瀝青測試儀（NU-14）。試驗(yàn)的加載模式和混合料試件的典型變形特征分別如圖 9和圖10所示?；旌狭峡辜羟行阅艿脑u價指標(biāo)為“擬剪切效應(yīng)動態(tài)勁度模量”。試件在40環(huán)境下測試，荷載作用時間和間歇時間分別為1s，重復(fù)加載3600個循環(huán)，計算混合料在該條件下的擬剪切效應(yīng)動態(tài)勁度模量值S(40，3600)，以此評價混合料的抗剪切變形能力。圖 9 混合料的嵌入

15、式軸向加載模式圖10嵌入式加載模式下混合料試件的典型變形特征采用擬剪切效應(yīng)動態(tài)勁度模量S(40，3600)評價兩種瀝青混合料抗豎向剪切變形的能力，嵌入式軸向加載測試結(jié)果列于表 6：表 6 AC-20與GSOG-20混合料的抗剪切性能測試結(jié)果AC-20GSOG-20試件編號S(40，3600)（MPa）試件編號S(40，3600)（MPa）AC-20_S-1230.3GSOG-20_S-13047.9AC-20_S-2217.4GSOG-20_S-22675.2AC-20_S-3221.5GSOG-20_S-32842.5通過表 6可以看到，GSOG20的“擬剪切效應(yīng)勁度模量”非常高，能夠有效抵

16、抗由抗豎向剪切變形的能力有顯著影響，GSOG-20混合料比AC-20混合料具有更強(qiáng)的抗豎向剪切變形的能力，因此，選用GSOG-20混合料來延緩反射裂縫的發(fā)生，其材料力學(xué)依據(jù)更為充分。根據(jù)楊高路“白加黑”技術(shù)方案下面層瀝青混合料的對比試驗(yàn)研究結(jié)果可知：在抵抗豎向剪切破壞和彎拉疲勞破壞方面，混合料GSOG-20表現(xiàn)出比初步設(shè)計方案中的下面層材料AC-20遠(yuǎn)為優(yōu)異的性能特征；同時，混合料GSOG-20的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等重要路用性能也都超過了混合料AC-20的相應(yīng)性能，對路面各種因素集中作用下的應(yīng)力集中的分散、控制都有相當(dāng)良好的效果，在大修工程5年后的回訪中也證明了這一點(diǎn)，使用GSO

17、G20的試驗(yàn)段無反射裂縫的現(xiàn)象。3. 經(jīng)濟(jì)效益分析實(shí)踐證明，水泥路面加鋪瀝青面層是修復(fù)舊水泥混凝土路面的一種有效補(bǔ)強(qiáng)措施，不僅提高了路面的承載能力，而且有效地防止了反射裂縫，改善了路用性能，提高了路面服務(wù)水平。只要在設(shè)計、施工和管理中加強(qiáng)和注意質(zhì)量控制，在舊水泥混凝土路面上進(jìn)行瀝青混合料加鋪，不僅技術(shù)上可行，而且提高了路面的行駛質(zhì)量，改善了交通條件，延長了道路的使用壽命，縮短了舊路改建的工期。下面列舉了四種的“白加黑”結(jié)構(gòu)組合方案的經(jīng)濟(jì)性分析。GSOG應(yīng)力吸收層抗反射裂縫能力的應(yīng)用研究GSOG應(yīng)力吸收層抑制反射裂縫能力的研究胡睿、閆國杰、夏慶宇、赫振華、徐韻淳摘要：在楊高路大修工程中使用一種新

18、型間斷半開級配的瀝青混合料（GSOG）充當(dāng)應(yīng)力吸收層，分散板塊間的水平溫縮應(yīng)力與豎向剪切力共同作用下的應(yīng)力集中，延緩反射裂縫產(chǎn)生的速度，在高火死候漸擦熱儲園癬牌門催耘彝鎖刀妹亦祈抱滅顱拒氰陛雛奇脈廷餾榜粳放真抖趣資暫拯還些隸也隨扎趙堪草每政甜慶堡專楊卒癱讒讕孩壇訓(xùn)滬薯表 7 “白加黑”結(jié)構(gòu)組合方案的經(jīng)濟(jì)性分析AC20I說明單價單位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm AC-20I45.36元/m2土工布或玻璃格柵13.48元/m2粘層4.52元/m2水泥混凝土路面合計119.74元/m2Strata說明單價單位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm SUP-195

19、1.23元/m22.5cm 應(yīng)力吸收層（Strata）50.00元/m2粘層4.52元/m2水泥混凝土路面合計162.13元/m2SUP19說明單價單位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm SUP-1951.23元/m2土工布或玻璃格柵13.48元/m2粘層4.52元/m2防裂貼6.80元/m2水泥混凝土路面合計132.41元/m2GSOG20說明單價單位4cm SMA-13（改性）56.38元/m20.5cm 稀漿封層13.00元/m25.5cm GSOG-2081.64元/m2防裂貼6.80元/m2粘層4.52元/m2水泥混凝土路面合計162.34元/m2從表 7可以看出：

20、作為本次研究的方案4，與方案2的Strata價格相當(dāng)，相比方案3的sup19初期建設(shè)成本增加22.6%，相比方案1的AC-20I成本增加更多。應(yīng)該承認(rèn)，由于RST改性瀝青成本費(fèi)用較高，試驗(yàn)段建設(shè)規(guī)模也較小，且作為課題開發(fā)初期，研究人員主要精力集中于提高性能，在指標(biāo)上偏保守，導(dǎo)致舊水泥混凝土路面上GSOG-20瀝青混凝土加鋪路面結(jié)構(gòu)方案直接費(fèi)用偏高。在后續(xù)的研究中，主要的降低成本設(shè)想如下：1) 減薄應(yīng)力吸收層厚度：將現(xiàn)有的5.5cm厚GSOG-20瀝青混凝土改為4cm厚GSOG-13瀝青混凝土，即瀝青加鋪層厚度進(jìn)一步減薄，降低成本。作為本研究的后續(xù)，2007年11月，在三林世博會功能區(qū)的南碼頭路

21、和云蓮路等數(shù)十條線路進(jìn)行了另外薄層“白加黑”的鋪筑。瀝青加鋪層總厚度7.5cm，上面層為SMA-10，厚度3cm；稀漿封層防水層0.5cm；GSOG-13，厚度4.0cm，總成本降低至130元/m2左右，歷經(jīng)3年使用，目前尚未發(fā)現(xiàn)有反射裂縫的產(chǎn)生，詳情見圖 11、圖 12。圖 11東明路地鐵6號線車站口圖 12南碼頭路路口2) 降低結(jié)合料成本：除了1）中提出的調(diào)整最大公稱粒徑、減薄厚度以降低成本的方法外，可以考慮降低瀝青結(jié)合料成本。有兩個途徑：首先考慮降低瀝青改性劑RST的成本，其次可以采用其他能滿足性能要求且價格相對便宜的瀝青結(jié)合料，如橡膠瀝青等。4. 結(jié)論通過對GSOG20在楊高路大修工程

22、中的應(yīng)用，我們清醒的認(rèn)識到，由于國家在前期大量鋪筑的水泥混凝土路面已達(dá)到或接近使用年限，導(dǎo)致水泥路面的路用性能大幅度衰減，維護(hù)費(fèi)用增加，如果采用傳統(tǒng)翻挖重澆筑的方法，社會與經(jīng)濟(jì)效益均不理想，目前采用水泥板塊加鋪瀝青混合料是操作性較強(qiáng)的方法，但剛性的水泥板塊之間的應(yīng)力反應(yīng)與柔性的加鋪瀝青混合料結(jié)合后易產(chǎn)生反射裂縫的問題是國內(nèi)外研究的方向，GSOG作為一種半開間斷級配所特有的應(yīng)力吸收作用，兼具功能性與結(jié)構(gòu)性于一身，比較好的解決了“白加黑”工程中常見的反射裂縫突出等問題，在經(jīng)過楊高路大修工程5年來的大荷載交通流量，取得了令人振奮的結(jié)果，下一步將立足于增強(qiáng)GSOG的抵抗反射裂縫的效果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低鋪筑成本，使這一技術(shù)能夠?yàn)橹袊鞘谢M(jìn)程提供助力。參考文獻(xiàn)：1粘本鵬,赫振華,周晟.GSOG瀝青混合料罩層的應(yīng)用J.工程機(jī)械與維修,2007 (2).作者信息：第一作者信息：胡睿，男，1980年生，籍貫： 上海單位：上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司工程技術(shù)研究所單位通訊地址：上海市浦東新區(qū)川北公路3011號 郵編：201210 手機(jī)： 傳真：電子郵箱：Research on the Effectiveness of "GSOG" stress absorbing layer to Resist Reflecti