关键词：道路工程 | 严寒地区 | 应力吸收层 | 高黏高弹改性沥青 | 路用性能
河北省张家口市北部坝上地区由于受到内蒙古高压控制，冬季寒冷，冰冻期长。受气候条件和交通荷载影响，当地沥青路面存在严重的反射裂缝问题。通过调查发现，当地公路基层大量采用稳定类半刚性材料，这种材料虽然有着很高的强度和较低的成本，但由于其本身的温缩和干缩裂缝会随着车辆荷载作用而反射到沥青层[1，2]，因而产生了大量的反射裂缝。在当地的旧路加铺改建过程中，许多旧沥青路面加铺沥青面层后，短时间内又出现了大量的反射裂缝，它会影响新铺设的沥青路面的质量，并降低路面完整性和使用寿命。鉴于如何延缓反射裂缝的产生与扩展，国内外已采取了许多措施，并开展了大量研究和工程实践[3－7]。近年来，在欧洲、美国及我国的经验表明，应力吸收层可有效防治反射裂缝。本文主要研究了3种应力吸收层沥青结合料的性能及其混合料的路用性能，为解决河北省张家口市北部坝上地区沥青路面反射裂缝严重的问题提供技术支撑。
沥青原材料
应力吸收层沥青混合料是由大量的细骨料、矿物填料和特殊高含量、高弹性聚合物改性沥青结合料组成，沥青在应力吸收层沥青混合料中所占比重大，其性能直接决定了应力吸收层沥青混合料路用性能的优劣，也是能否实现混合料路用性能优良的保障。本研究通过对不同生产商生产的高黏高弹Ⅰ型改性沥青(以下称A沥青)、高黏高弹Ⅱ型改性沥青(以下称B沥青)和I－DSBS改性沥青(以下称C沥青)的技术性能进行研究，来评价3种沥青结合料。
应力吸收层沥青结合料的常规试验评价
3种改性沥青常规技术指标，试验结果见表1。
从3种沥青的常规指标值来看，3种沥青的软化点和135℃的布氏黏度相差不多，然而，就针入度、延度、60℃的动力黏度及RTFOT老化后的延度等技术指标而言，通过添加各种改性剂制成的A、B两种高黏高弹改性沥青，与普通改性沥青C相比，均有大幅提高。
按PG分级评价应力吸收层沥青结合料
美国SHRP沥青结合料规范主要是根据沥青老化前后的性能变化对沥青结合料进行分级，本研究基于SHRP的分级试验，研究了3种应力吸收层沥青结合料的性能。
(1)高温PG分级
a.原样沥青结合料的高温流变性能研究。
采用动态剪切流变试验对3种沥青原样样品进行检测，试验结果如图1所示。
b.RTFOT残留物沥青结合料高温流变性能研究。
对上述3种沥青原样样品进行旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)，以模拟拌合、运输及施工过程中沥青材料实际发生的短期老化。然后进行老化沥青样品的动态剪切流变试验，试验结果见图2。
沥青结合料的抗车辙因子(G*/sinδ)用来表征沥青的抗车辙变形能力，其值越大，说明其流动变形能力越小，其沥青混合料的抗yong久变形能力越强。从图1和图2可以清楚地看出3种沥青结合料之间的差别，A、B沥青原样的抗车辙因子要显著高于C沥青原样，但经旋转薄膜老化后，这种优势明显减弱。B沥青无论是原样沥青还是经过旋转薄膜老化后的沥青，都具有良好的高温性能(82℃)，A沥青原样表现出了良好的高温性能，但经过短期老化后，其高温性能与C沥青相接近。
(2)低温PG分级
沥青路面在寒冷的气候状况下容易产生裂缝，防裂是应力吸收层的基本功能。沥青结合料的低温变形能力是沥青混合料低温抗裂性能的主要影响因素。为了确定3种沥青结合料的低温性能，对3种沥青进行了RTFOT短期老化和PAV长期老化，然后对老化残留沥青样品进行了弯曲梁试验。试验结果表明:A沥青的低温PG分级为PG34，B、C沥青的低温PG分级为PG22。A沥青的低温性能明显优于B和C，考虑到应力吸收层的结构功能特点，对于坝上气候严寒地区，建议使用具有更好低温性能的A沥青，进行应力吸收层技术的推广应用。
不同应力吸收层沥青混合料路用性能研究
本研究的矿料级配设计采用美国科氏荐的矿料级配范围，矿料合成级配如表2所示。采用8.2%的油石比成型混合料，然后研究其路用性能。
高温稳定性
应力吸收层属于砂粒式沥青混合料，集料偏细，矿粉和沥青用量偏多，它的强度主要是依靠集料跟沥青与矿粉组成的胶浆之间的黏结力。在本文中，车辙试验被用来评价3种应力吸收层沥青混合料的高温稳定性，其试验结果见图3。
根据图3的试验数据，由于矿料级配偏细和高沥青含量，3种应力吸收层沥青混合料的动稳定度都比较低，国内技术规范对应力吸收层沥青混合料的高温性能也没相关技术要求，考虑到应力吸收层主要是用来yi制受气候条件影响产生的低温开裂和反复行车荷载造成的疲劳破坏而非高温车辙破坏，对其高温稳定性的要求并不是很严格。此外，应力吸收层主要用作结构层，摊铺在旧沥青路面与沥青加铺层之间，只要设置适当厚度的沥青加铺层，路面整体结构便可以拥有良好的抗车辙能力。
低温弯曲性能
在低温下，沥青混合料的劲度将增加，其抗变形能力将显著降低，比较容易产生开裂。在坝上气候严寒地区，应力吸收层的低温抗裂性能更显得重要。本文采用小梁弯曲试验来对应力吸收层沥青混合料的低温抗裂性能进行评价，试验结果见图4。
从图4的结果可知，A、B两种沥青混合料在–10℃的低温弯拉应变满足冬严寒区≥3000με的技术要求，表明A、B两种高黏高弹改性沥青应力吸收层沥青混合料具有优良的低温抗裂性能，且A沥青混合料的低温弯曲性能明显优于B和C。
水稳定性
水损害在沥青路面损害中较为常见，许多沥青路面的早期破损多是由于水损害而引起的。应力吸收层混合料摊铺在旧沥青路面上，如果水稳定性不好，结构层渗水或混合料自身产生水损害，则会进一步导致原基层的水损害，进而引起整体路面结构的承载力下降。浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验是用来评价沥青混合料水稳定性的2种常用的试验方法，本文也采用这2种试验方法评价3种应力吸收层沥青混合料的水稳定性，试验结果见图5。
根据图5中的试验结果，3种沥青混合料的残留稳定度都高于85%，冻融劈裂残留强度比也都大于80%，三者都具有良好的抗水损害能力。分析其原因，可能与应力吸收层的材料组成特点有关，级配连续、集料细、沥青含量高且孔隙率小，水分很难浸入。综合对比3种沥青混合料的水稳定性，C沥青混合料的水稳定性要优于A和B。
抗疲劳性能
应力吸收层沥青混合料应具备很强的抗疲劳性能，这是其防治反射裂缝的特定功能所bi需的。本文通过四点弯曲疲劳试验，来分析3种沥青混合料的疲劳性能，试验结果如表3所示。
结论
a.从3种沥青的常规指标来看，A、B两种高黏高弹改性沥青的针入度、延度和60℃的动力黏度都要明显高于普通改性沥青C。
b.根据3种沥青结合料的高低温PG分级结果，A沥青的PG分级是76－34，B沥青的PG分级是82－22，C沥青的PG分级是76－22，A沥青的低温性能要优于B和C。
c.从高温车辙试验结果来看，3种应力吸收层沥青混合料由于矿料级配偏细，沥青含量较高，高温稳定性均不是很好。从低温弯曲试验结果来看，A、B两种高黏高弹改性沥青混合料具有良好的低温抗裂性能，且A的低温性能要明显优于B和C。从水稳定性来看来看，3种沥青混合料都具有良好的水稳定性，且C沥青混合料的水稳定性要优于A和B。从四点弯曲疲劳试验的结果来看，3种应力吸收层沥青混合料的疲劳寿命排序为A＞B＞C。
d.通过对3种应力吸收层沥青混合料的路用性能的研究发现，高黏高弹改性沥青混合料相比常规的改性沥青混合料，具有更好的路用性能，荐在河北省张家口市北部坝上地区和国内气候类似地区采用高黏高弹Ⅰ型改性沥青进行应力吸收层技术的推广应用。
参考文献：
[1] 黄明，黄卫东,等.基于疲劳性能的应力吸收层混合料设计指标[J].建筑材料学报，2014，17(1):164-171.
[2] 赵复笑.公路沥青混合料应力吸收层结构性能及其试验研究[D].沈阳:东北大学，2013.
[3] 廖卫东.基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构与材料研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[4] 李祖仲，应力吸收层沥青混合料组成设计及抗裂性能研究[D].西安:长安大学，2009.
[5] 江毅.旧沥青路面加铺力学分析及抗裂措施研究[D].长沙:湖南大学，2009.
[6] 赵云涛，半刚性路面反射裂缝防治中应力吸收层的理论分析与试验研究[D].天津:河北工业大学，2014.
[7] BLANKENSHIP P,IKER N,DRBOHLAV. Interlayer and design considerations to retard reflective cracking[J]. Journal of Transportation Research Board, 1986:177-186.
全文完。发布于《公路工程》2020年4月第45卷。通讯作者：万建军(1991－)，男，甘肃酒泉人，硕士研究生，主要从事沥青路面材料研究。
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Matest-Pavetest的BBR是一种热电型低温沥青弯曲梁流变仪，用于测试沥青胶结料在室温到-40℃（±0.03℃）的弯曲蠕变试验。 荷载由微型伺服控制作动器施加，可施加+25N的负载，加载频率可以从静态到动态25Hz，无需配置空压机供应压缩空气。沥青弯曲梁流变仪通过伺服控制，不需要频繁校准以及重复调节空气轴承的压力。 只需输入所需的荷载数值，伺服控制的作动器就会以难以置信的精度施加并保持所设定的荷载。 使用安装在机器正面的温度控制器可以非常准确地控制温度。用户可以使用控制器或通过软件设置浴温。沥青弯曲梁流变仪系统的核心是Matest-Pavetest的控制和数据采集系统（CDAS2）和（TestLab）软件。
常规应用
•沥青胶结料的弯曲蠕变试验
•受荷载作用下的裂缝密封低温特性
•满足ASTM D6648、 AASHTO T313和SHRP沥青试验规 范的沥青胶结料低温挠曲蠕变测试
产品特点
▍沥青弯曲梁流变仪通过伺服控制的设计不需要经常进行标定和反复 调整空气轴承的压力
▍加载频率从静态到动态 25Hz
▍不需要配套空压机提供压缩空气
▍采用外置式固态 Peltier 帕尔贴系统直接热电制冷 （无氟）
▍设计了单独的空气 - 水热交换器
▍集成的单独式浴槽，使用乙醇作为浴槽介质进行冷却
▍通过软件控制设定和监测水浴温度
▍全自动荷载闭环控制，无需每次开机手动调整满点/零点等旋钮
棱柱体小梁四点弯曲试验是 2011 年交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料规程》增加的评价沥青混合料疲劳性能和测量劲度模量的非常重要的试验方法。该方法可以在DTS多功能动态试验系统中进行，也可以使用单独式系统，搭配 温控环境箱进行试验。尤其对于试验任务量比较大的单位，因为疲劳试验可能持续的时间比较长，几小时到几天、甚至几周。 所以配备一套单独式的沥青混合料疲劳试验系统是非常有必要的。
意大利matest-澳大利亚Pavetest气动伺服四点弯曲疲劳试验机 (4PB) 是采用数字控制高性能伺服阀，提供高达60Hz的准确加载波形的气动伺服试验仪。四点弯曲疲劳试验机可加载半正弦波和正弦波，受控应变或受控正弦应力控制模式，测试多种尺寸沥青混合料小梁的弯曲劲度/模量。
适用规范
▍ AASHTO T 321 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍ ASTM D7460 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳损伤
▍ AG:PT/T233 & ASTM 03 热拌沥青混合料重复弯曲疲劳寿命
▍ EN 12697-24 Annex D- 棱柱体试件的四点弯曲试验
▍ EN 12697-26 Annex B- 棱柱体试件的四点弯曲试验 (4PB-PR)
▍ T0739-2011 沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验
产品特点
▍试样通过伺服电机驱动滚珠丝杠牢固夹紧，可始终维持预 定的夹紧力，并保证测试过程中试样在产生屈服变形时仍能被持续夹紧，夹紧力可通过调节电机电流控制
▍两个夹紧开关在仪器前方，用于试样梁的左右两侧和中间侧夹紧点的夹紧和放松。四个试样夹紧框可实现所有加载点和反力点的旋转和横向移动
▍顶部夹紧块的标志线，可帮助操作者在夹紧前横向对中试样梁
▍气动伺服系统使用底部气动加载作动器，配备高性 能气动伺服阀，PID 闭环控制，运行中的自适应控制，可始终维持测试所需的应力/应变
▍薄型高性能不锈钢圆形荷载传感器，用于实时测量和 控制荷载。主轴位移传感器可实现中间加载框架的准确定位
▍试样表面位移传感器(On-specimen LVDT)可按设定进行控制并测量试样梁有效范围内的整体弯曲变形（而不是悬浮式的测量部分变形的方法），符合相关标准的要求。
▍基于 Windows 的 TestLab 软件提供的用户界面，简单、效率高并符合有关国际标准。
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