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【摘 要】 在总结国内外已有试验经验的基础上，分析了不同纤维长度对沥青纤维增强封层抗反射裂缝性能的影响及旧路面不同裂缝宽度下是否存在最佳的纤维长度使沥青纤维增强封层的抗反射能力达到最强等，得出旧路面裂缝越宽，纤维长度越长阻裂效果越好；而裂缝宽度较窄，不同纤维长度对阻裂效果影响不大的结论。
【关键词】 纤维；沥青路面；封层；反射裂缝
Experimental study on fiber reinforced asphalt pavement reflective crack sealing layer anti
Xia Ying-zhi
(Henan University of Urban Construction Pingding-shan Henan 467000)
【Abstract】 In summing up the experience at home and abroad on the basis of existing test analyzes the different fiber lengths of fiber reinforced asphalt sealing layer anti-reflective properties under the influence of crack and the crack width old pavement different if there is an optimum fiber length fiber reinforced asphalt sealing layer anti-reflective capacity of the strongest, concluded that the old pavement cracks wider, longer fiber length crack resistance, the better; rather narrow crack width, crack resistance of different fiber lengths with little effect on the impact of the conclusion.
【Key words】 Fiber;Asphalt pavement;Sealing layer;Reflective cracking
1. 引言
旧混凝土路面补强时常在原有路面上加铺一层沥青罩面，当混凝土位移产生的拉应力
超过沥青罩面层的抗拉强度时，罩面层就会开裂，这种裂缝即称为反射裂缝。目前对于沥青加铺层抗反射裂缝的研究采用了很多理论分析方法，有静力分析法、三维有限元分析法和断裂力学及损伤力学等［1］，虽然理论分析方法能够对此问题的研究提供一定的理论依据，但由于旧路面加铺层结构的复杂性、材料参数及计算建模的变异性等因素，仅从理论上分析并不能完全解决反射裂缝的研究问题。尤其是应用断裂力学分析时，材料参数、特别是断裂力学参数很难测定，这是由于旧路面、沥青加铺层等路用材料固有力学物理特定所决定，再者加铺应力吸收层、土工合成材料等夹层后使问题更加复杂。因此，理论分析与实际应用还有一定的差距，为了把两者联系起来，必须通过试验分析。室内试验可以在较短的时间内，控制主要试验因素进行分析研究。
2. 抗反射裂缝试验的目的和试验方案
2.1 在总结国内外已有试验经验的基础上，分析影响沥青纤维增强封层粘结性能因素中，纤维长度影响最大，改性乳化沥青用量次之，纤维用量影响最小［2］，故本文主要讨论不同纤维长度对沥青纤维增强封层抗反射裂缝性能的影响；且分析旧路面不同裂缝宽度下是否存在最佳的纤维长度使沥青纤维增强封层的抗反射能力达到最强。
2.2 通过对沥青混合料车辙试验仪系统进行改造，提出了一种更为方便的研究加铺层抗反射裂缝能力的方法，可以实现对荷载引起的旧路面上沥青加铺层疲劳裂缝、反射裂缝以及其他裂缝扩展情况的模拟［3］。层间结合状态良好能改善裂缝处拉应力集中，光滑接触有利于降低剪应力集中，但只有保证夹层材料与旧路面和沥青加铺层联结良好，才能保证夹层材料起到加筋作用；而且若夹层材料粘结能力不佳，尽管能有效降低裂缝尖端剪应力集中，但因为增大拉应力集中地作用更强，总的效果更为不利，会加快裂缝的扩展。因此，应该在保证层间粘结状态良好的前提下，来讨论沥青纤维增强封层抗反射裂缝的能力。
（1）试验目的。
考虑到反射裂缝的类型一般为横向裂缝，本试验主要分析了横向裂缝在车轮荷载重复作用下，旧沥青混凝土路面上加铺薄层罩面中反射裂缝产生、扩展及最后贯穿的情况，通过在旧沥青混凝土路面板和沥青加铺层间加铺不同的夹层材，来对比分析不同夹层材料抗反射裂缝性能效果。 首先分析沥青纤维增强封层的组成材料中玻璃纤维长度对其抗反射裂缝能力影响，对于不同的裂缝宽度是否存在最佳的纤维长度，使沥青纤维增强封层抗反射裂缝的能力达到最强。沥青纤维增强封层达到最佳粘结性能时各种材料用量为：纤维用量为 120g•m-2，纤维长度为 6～8cm，改性乳化沥青用量为 1.2k g•m-2，抗裂性能是在保证沥青纤维增强封层具有良好粘结性能下进行讨论的，此处保证纤维用量和改性乳化沥青用量不变，观察纤维长度对抗反射裂缝的影响［4］。
（2）反射裂缝试件制备。
试验试件主要有三层结构组成：最下面为旧沥青混凝土路面、中间为夹层材料和最上面沥青加铺层组成，旧沥青路面的选用材料和级配及制备过程、成型反射裂缝试件具体尺寸见图1 。
将成型好的复合板放置 48h 后，用切割机沿垂直于裂缝方向将复合板切割成大小相等两部分，即试件尺寸为 15cm 30cm 7cm，其中旧路面厚度为 5cm，SMA 加铺层厚度为 2cm。将试件晾干后，即可进行抗反射裂缝的轮碾试验。
（3）试验主要设备。
本试验所用主要设备有：沥青混合料拌和机、轮碾成型机、恒温室和车辙试验机。由于试验特殊要求，自制钢板试模尺寸为 30cm 30cm 10cm，有底板、侧板等组成，可自由拆卸和安装，方便试件成型后完整脱模。车辙试验机本是在 60℃温度下进行沥青混合料车辙试验，但由于本试验的特殊要求需要进行一定程度上的改装，以使自制试模容易拆卸和安装。原本试验台可牢固安装 30cm 30cm 5cm 的试件，但由于自制试模的特殊性，需试验台进行一定改装，使其能牢固的安装 30cm 30cm 10cm 的试模。本试验主要观察反射裂缝扩展情况，不需要检测试件车辙变形情况，且试验温度控制在 15±2℃进行，试件不存在高温下出现车辙变形的问题，故在试验过程中将变形测量装置拆除。
3. 抗反射裂缝试验过程及观测方法
3.1 试验步骤。
（1）将试件连同试模一起置于已达到试验温度 15℃的恒温箱内，由于试验温度较低，做试验时温度也较低，在恒温箱中保温 2h 即可。
（2）将车辙试验机温度调为 15℃，将保温后的试件连同试模一起置于车辙试验机的试验台上，最下面为厚度为 1cm 宽度为 30cm 长度为 30cm 的钢板，上面为 2cm厚宽度为 30cm 长度为 10cm 的两块橡胶板，中间脱空区域为 10cm，具体组合见图2。由于试件宽度为试模宽度的一半，应将试件宽度方向也固定好，已确保在试验过程中试件不发生移动。将试验轮置于试件表面的中间位置，行走的方向与试件成型时的碾压方向一致，垂直于旧沥青混凝土板裂缝的方向。
（3）启动试验机，此时不需要开动车辙变形自动记录仪，试验轮在试件上往返行走，观察 SMA-10 加铺层出现明显裂缝，及裂缝扩展情况。试验时，记录仪会自动记录试验轮往返次数和试验温度，控制好试验温度，记录试验次数。
（4）同一方案至少做两个平行试验，取平均值作为最后试验结果，若两次试验结果偏大，可补做一组试验做进一步论证。
3.2 加载方法和观测方式。
（1）横向裂缝在车轮荷载作用过程中，当车轮行驶至裂缝的边缘时，裂缝处的沥青加铺层受到剪应力和拉应力的作用；继续向前行驶，车轮行驶至裂缝正上方时，裂缝处的沥青加铺层受到剪应力的作用［5］，因此，横向裂缝在一次行车荷载的作用过程中，弯拉应力作用只是在行车驶过一瞬间产生，横向裂缝处的沥青加铺层一直处于剪应力和弯拉应力的交替作用下，此处的沥青加铺层最易发生破坏。车辙仪加载如图2所示。
（2）将车辙试验仪的温度控制在 15±2℃，将试件连同试模一起放入车辙仪中，采用标准试验轮，胶轮宽度为 5cm，轮压为标准轴压 0.7MPa，轮行速度为(42±1)次/min，用于模拟行车荷载作用下沥青加铺层中反射裂缝扩展情况，进而分析不同纤维长度对 沥青纤维增强封层 抗反射裂缝性能的影响；不同夹层材料延缓反射裂缝出现的性能。观察沥青加铺层出现裂缝时，记录车轮荷载的碾压次数，及裂缝贯穿沥青加铺层时车轮荷载的碾压次数。试件破坏时的试件形态见图 3。
（3）试验分成两组进行，第一组：裂缝为 0.5cm 和 1cm 两种，不同纤维长度在不同裂缝宽度下进行试验，分析纤维长度是否影响沥青纤维增强封层抵抗反射裂缝的能力，并分析不同宽度裂缝下是否存在最佳的纤维长度；第二组：比较五种不同夹层材料在相同裂缝宽度下的抗反射裂缝能力。在重复荷载作用下，观察加铺层中裂缝的起裂和裂缝扩展等情况，直至裂缝最终贯穿整个加铺层，记录沥青加铺层出现裂缝和贯穿时的作用次数，根据试验结果(即数据)分析抗反射裂缝的性能，见表1。
表1 往复轮碾试验结果
裂缝宽度（cm） 试验号 纤维长度（cm） 初裂平均值 终裂平均值
10.5 1 0-2 812 4450
2 2-4 1121 4532
3 4-6 1312 4765
4 6-8 1612 5764
1 0-2 2109 7654
2 2-4 2532 8243
3 4-6 2612 8547
4 6-8 2089 8123
4. 试验结果及分析
层间结合状态对沥青加铺层有很大的影响，只有保证层间接触良好，夹层材料才能起到加筋作用，延缓反射裂缝的扩展［6］。故在确保沥青纤维增强封层粘结性能的基础上，讨论沥青纤维增强封层的抗反射能力。沥青纤维增强封层达到最佳粘结性能时各种材料用量为:纤维用120g•m-2，纤维长度为 6～8cm，改性乳化沥青用量为1.2k g•m-2，本文主要讨论在保证各材料用量不变的情况下，相同裂缝宽度下不同纤维长度对抗反射裂缝性能影响，以及不同裂缝宽度下相同纤维长度对抗反射裂缝性能影响，对比分析见图4和图5。由上述对比图分析可得：
（1）在 1cm 裂缝宽度下，不论是对初裂还是终裂的影响，纤维长度为 6～8cm 时达到最佳抗裂效果，且相较于其他纤维长度其抗裂效果显著。在 0.5cm 裂缝宽度下，不同纤维长度对阻止初始裂缝和终止裂缝产生效果不显著，4～6cm 纤维长度时阻裂效果稍好。
（2）相同裂缝宽度下，不同纤维长度对阻裂效果不同。旧路面裂缝越宽时，纤维长度越长阻裂效果越好；而裂缝宽度较窄时，不同纤维长度对阻裂效果影响不大。现行《公路沥青路面养护技术规范》和《高速公路养护质量检评方法》(试行)中，都把裂缝宽度为 5mm 作为裂缝轻重程度分界［7］。纤维增强封层一般用于高速公路的预防性养护中，旧路面裂缝宽度一般≤5mm，为了保证沥青纤维增强封层夹层具有良好抗裂效果，且考虑到使其具有良好粘结性能，选用 6～8cm 纤维长度作为沥青纤维增强封层夹层最佳纤维长度。
参考文献
［1］ 赵晓亮. 沥青纤维增强封层配合比设计研究［D］．西安：长安大学，2010.
［2］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.
［3］ 闰修海，于金成，王建国等.纤维封层技术的引进与应用［J］.北方交通，2008(08).
［4］ 陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).
［5］ 孙雅珍， 赵颖华. 新型纤维增强沥青路面的研究［J］. 华东公路， 2002,(02).
［6］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.
［7］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.
［8］ 郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法.北京:人民交通出版社，2003.
［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。
［文章编号］1619-2737（2014）06-05-820
【关键词】 纤维；沥青路面；封层；反射裂缝
Experimental study on fiber reinforced asphalt pavement reflective crack sealing layer anti
Xia Ying-zhi
(Henan University of Urban Construction Pingding-shan Henan 467000)
【Abstract】 In summing up the experience at home and abroad on the basis of existing test analyzes the different fiber lengths of fiber reinforced asphalt sealing layer anti-reflective properties under the influence of crack and the crack width old pavement different if there is an optimum fiber length fiber reinforced asphalt sealing layer anti-reflective capacity of the strongest, concluded that the old pavement cracks wider, longer fiber length crack resistance, the better; rather narrow crack width, crack resistance of different fiber lengths with little effect on the impact of the conclusion.
【Key words】 Fiber;Asphalt pavement;Sealing layer;Reflective cracking
1. 引言
旧混凝土路面补强时常在原有路面上加铺一层沥青罩面，当混凝土位移产生的拉应力
超过沥青罩面层的抗拉强度时，罩面层就会开裂，这种裂缝即称为反射裂缝。目前对于沥青加铺层抗反射裂缝的研究采用了很多理论分析方法，有静力分析法、三维有限元分析法和断裂力学及损伤力学等［1］，虽然理论分析方法能够对此问题的研究提供一定的理论依据，但由于旧路面加铺层结构的复杂性、材料参数及计算建模的变异性等因素，仅从理论上分析并不能完全解决反射裂缝的研究问题。尤其是应用断裂力学分析时，材料参数、特别是断裂力学参数很难测定，这是由于旧路面、沥青加铺层等路用材料固有力学物理特定所决定，再者加铺应力吸收层、土工合成材料等夹层后使问题更加复杂。因此，理论分析与实际应用还有一定的差距，为了把两者联系起来，必须通过试验分析。室内试验可以在较短的时间内，控制主要试验因素进行分析研究。
2. 抗反射裂缝试验的目的和试验方案
2.1 在总结国内外已有试验经验的基础上，分析影响沥青纤维增强封层粘结性能因素中，纤维长度影响最大，改性乳化沥青用量次之，纤维用量影响最小［2］，故本文主要讨论不同纤维长度对沥青纤维增强封层抗反射裂缝性能的影响；且分析旧路面不同裂缝宽度下是否存在最佳的纤维长度使沥青纤维增强封层的抗反射能力达到最强。
2.2 通过对沥青混合料车辙试验仪系统进行改造，提出了一种更为方便的研究加铺层抗反射裂缝能力的方法，可以实现对荷载引起的旧路面上沥青加铺层疲劳裂缝、反射裂缝以及其他裂缝扩展情况的模拟［3］。层间结合状态良好能改善裂缝处拉应力集中，光滑接触有利于降低剪应力集中，但只有保证夹层材料与旧路面和沥青加铺层联结良好，才能保证夹层材料起到加筋作用；而且若夹层材料粘结能力不佳，尽管能有效降低裂缝尖端剪应力集中，但因为增大拉应力集中地作用更强，总的效果更为不利，会加快裂缝的扩展。因此，应该在保证层间粘结状态良好的前提下，来讨论沥青纤维增强封层抗反射裂缝的能力。
（1）试验目的。
考虑到反射裂缝的类型一般为横向裂缝，本试验主要分析了横向裂缝在车轮荷载重复作用下，旧沥青混凝土路面上加铺薄层罩面中反射裂缝产生、扩展及最后贯穿的情况，通过在旧沥青混凝土路面板和沥青加铺层间加铺不同的夹层材，来对比分析不同夹层材料抗反射裂缝性能效果。 首先分析沥青纤维增强封层的组成材料中玻璃纤维长度对其抗反射裂缝能力影响，对于不同的裂缝宽度是否存在最佳的纤维长度，使沥青纤维增强封层抗反射裂缝的能力达到最强。沥青纤维增强封层达到最佳粘结性能时各种材料用量为：纤维用量为 120g•m-2，纤维长度为 6～8cm，改性乳化沥青用量为 1.2k g•m-2，抗裂性能是在保证沥青纤维增强封层具有良好粘结性能下进行讨论的，此处保证纤维用量和改性乳化沥青用量不变，观察纤维长度对抗反射裂缝的影响［4］。
（2）反射裂缝试件制备。
试验试件主要有三层结构组成：最下面为旧沥青混凝土路面、中间为夹层材料和最上面沥青加铺层组成，旧沥青路面的选用材料和级配及制备过程、成型反射裂缝试件具体尺寸见图1 。
将成型好的复合板放置 48h 后，用切割机沿垂直于裂缝方向将复合板切割成大小相等两部分，即试件尺寸为 15cm 30cm 7cm，其中旧路面厚度为 5cm，SMA 加铺层厚度为 2cm。将试件晾干后，即可进行抗反射裂缝的轮碾试验。
（3）试验主要设备。
本试验所用主要设备有：沥青混合料拌和机、轮碾成型机、恒温室和车辙试验机。由于试验特殊要求，自制钢板试模尺寸为 30cm 30cm 10cm，有底板、侧板等组成，可自由拆卸和安装，方便试件成型后完整脱模。车辙试验机本是在 60℃温度下进行沥青混合料车辙试验，但由于本试验的特殊要求需要进行一定程度上的改装，以使自制试模容易拆卸和安装。原本试验台可牢固安装 30cm 30cm 5cm 的试件，但由于自制试模的特殊性，需试验台进行一定改装，使其能牢固的安装 30cm 30cm 10cm 的试模。本试验主要观察反射裂缝扩展情况，不需要检测试件车辙变形情况，且试验温度控制在 15±2℃进行，试件不存在高温下出现车辙变形的问题，故在试验过程中将变形测量装置拆除。
3. 抗反射裂缝试验过程及观测方法
3.1 试验步骤。
（1）将试件连同试模一起置于已达到试验温度 15℃的恒温箱内，由于试验温度较低，做试验时温度也较低，在恒温箱中保温 2h 即可。
（2）将车辙试验机温度调为 15℃，将保温后的试件连同试模一起置于车辙试验机的试验台上，最下面为厚度为 1cm 宽度为 30cm 长度为 30cm 的钢板，上面为 2cm厚宽度为 30cm 长度为 10cm 的两块橡胶板，中间脱空区域为 10cm，具体组合见图2。由于试件宽度为试模宽度的一半，应将试件宽度方向也固定好，已确保在试验过程中试件不发生移动。将试验轮置于试件表面的中间位置，行走的方向与试件成型时的碾压方向一致，垂直于旧沥青混凝土板裂缝的方向。
（3）启动试验机，此时不需要开动车辙变形自动记录仪，试验轮在试件上往返行走，观察 SMA-10 加铺层出现明显裂缝，及裂缝扩展情况。试验时，记录仪会自动记录试验轮往返次数和试验温度，控制好试验温度，记录试验次数。
（4）同一方案至少做两个平行试验，取平均值作为最后试验结果，若两次试验结果偏大，可补做一组试验做进一步论证。
3.2 加载方法和观测方式。
（1）横向裂缝在车轮荷载作用过程中，当车轮行驶至裂缝的边缘时，裂缝处的沥青加铺层受到剪应力和拉应力的作用；继续向前行驶，车轮行驶至裂缝正上方时，裂缝处的沥青加铺层受到剪应力的作用［5］，因此，横向裂缝在一次行车荷载的作用过程中，弯拉应力作用只是在行车驶过一瞬间产生，横向裂缝处的沥青加铺层一直处于剪应力和弯拉应力的交替作用下，此处的沥青加铺层最易发生破坏。车辙仪加载如图2所示。
（2）将车辙试验仪的温度控制在 15±2℃，将试件连同试模一起放入车辙仪中，采用标准试验轮，胶轮宽度为 5cm，轮压为标准轴压 0.7MPa，轮行速度为(42±1)次/min，用于模拟行车荷载作用下沥青加铺层中反射裂缝扩展情况，进而分析不同纤维长度对 沥青纤维增强封层 抗反射裂缝性能的影响；不同夹层材料延缓反射裂缝出现的性能。观察沥青加铺层出现裂缝时，记录车轮荷载的碾压次数，及裂缝贯穿沥青加铺层时车轮荷载的碾压次数。试件破坏时的试件形态见图 3。
（3）试验分成两组进行，第一组：裂缝为 0.5cm 和 1cm 两种，不同纤维长度在不同裂缝宽度下进行试验，分析纤维长度是否影响沥青纤维增强封层抵抗反射裂缝的能力，并分析不同宽度裂缝下是否存在最佳的纤维长度；第二组：比较五种不同夹层材料在相同裂缝宽度下的抗反射裂缝能力。在重复荷载作用下，观察加铺层中裂缝的起裂和裂缝扩展等情况，直至裂缝最终贯穿整个加铺层，记录沥青加铺层出现裂缝和贯穿时的作用次数，根据试验结果(即数据)分析抗反射裂缝的性能，见表1。
表1 往复轮碾试验结果
裂缝宽度（cm） 试验号 纤维长度（cm） 初裂平均值 终裂平均值
10.5 1 0-2 812 4450
2 2-4 1121 4532
3 4-6 1312 4765
4 6-8 1612 5764
1 0-2 2109 7654
2 2-4 2532 8243
3 4-6 2612 8547
4 6-8 2089 8123
4. 试验结果及分析
层间结合状态对沥青加铺层有很大的影响，只有保证层间接触良好，夹层材料才能起到加筋作用，延缓反射裂缝的扩展［6］。故在确保沥青纤维增强封层粘结性能的基础上，讨论沥青纤维增强封层的抗反射能力。沥青纤维增强封层达到最佳粘结性能时各种材料用量为:纤维用120g•m-2，纤维长度为 6～8cm，改性乳化沥青用量为1.2k g•m-2，本文主要讨论在保证各材料用量不变的情况下，相同裂缝宽度下不同纤维长度对抗反射裂缝性能影响，以及不同裂缝宽度下相同纤维长度对抗反射裂缝性能影响，对比分析见图4和图5。由上述对比图分析可得：
（1）在 1cm 裂缝宽度下，不论是对初裂还是终裂的影响，纤维长度为 6～8cm 时达到最佳抗裂效果，且相较于其他纤维长度其抗裂效果显著。在 0.5cm 裂缝宽度下，不同纤维长度对阻止初始裂缝和终止裂缝产生效果不显著，4～6cm 纤维长度时阻裂效果稍好。
（2）相同裂缝宽度下，不同纤维长度对阻裂效果不同。旧路面裂缝越宽时，纤维长度越长阻裂效果越好；而裂缝宽度较窄时，不同纤维长度对阻裂效果影响不大。现行《公路沥青路面养护技术规范》和《高速公路养护质量检评方法》(试行)中，都把裂缝宽度为 5mm 作为裂缝轻重程度分界［7］。纤维增强封层一般用于高速公路的预防性养护中，旧路面裂缝宽度一般≤5mm，为了保证沥青纤维增强封层夹层具有良好抗裂效果，且考虑到使其具有良好粘结性能，选用 6～8cm 纤维长度作为沥青纤维增强封层夹层最佳纤维长度。
参考文献
［1］ 赵晓亮. 沥青纤维增强封层配合比设计研究［D］．西安：长安大学，2010.
［2］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.
［3］ 闰修海，于金成，王建国等.纤维封层技术的引进与应用［J］.北方交通，2008(08).
［4］ 陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).
［5］ 孙雅珍， 赵颖华. 新型纤维增强沥青路面的研究［J］. 华东公路， 2002,(02).
［6］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.
［7］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.
［8］ 郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法.北京:人民交通出版社，2003.
［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。
［文章编号］1619-2737（2014）06-05-820