李汝凯，崔立龙，周 刚，王火明，陈 飞

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 道路与岩土工程分院，重庆 400067； 2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

适用于重载交通的高抗拉复合防裂材料研发*

李汝凯1，崔立龙2，周 刚1，王火明1，陈 飞1

(1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司 道路与岩土工程分院，重庆 400067； 2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

首先利用MTS疲劳加载试验和滚动荷载疲劳加载试验,研究了8种普通防裂材料防治复合式路面反射裂缝的效果，然后优选原材料研发出一种适用于重载交通条件的高抗拉复合防裂材料——DGQ材料，并通过室内MTS疲劳加载试验对其防反性能和抗老化性能进行了验证。结果表明：以终裂疲劳加载次数为评判指标，8种普通防裂材料中镀锌铁网防治反射裂缝的效果最好，HZ/ZD-4型防反技术次之，而聚酯玻纤布和玻纤格栅防反效果较差；通过镀锌铁网和H型功能材料研发的DGQ防反性能和抗锈蚀性能十分显著，可做到常温施工，性价比高，具有良好的推广应用前景。

道路工程；复合式路面；重载交通；防反性能；DGQ防裂材料

0 引 言

近年来，随着我国交通量的增大和车辆轴载的增加，“水泥基层+沥青面层”的耐久性复合式路面结构逐步得到推广应用[1-4]。虽然复合式路面具有结构承载力强、路面平整度高、噪音低、行车舒适等优点，但其反射裂缝问题突出[5-7]。反射裂缝本身并不可怕，但雨水或其他腐蚀物可通过反射裂缝渗入基层或路基土，使路基路面进一步产生唧泥、脱空等致命性损坏，严重影响了路面的使用寿命和行车舒适性。针对路面反射裂缝问题，国内外学者做了大量研究，主要集中在加铺防裂材料和应力吸收材料：凌天清等[8]采用车辙试验仪探索研究了土工格栅、经编格栅、聚酯玻纤布、FHGS材料对路面反射裂缝的防治效果，该研究指出，FHGS和经编格栅材料防裂性能相对较好且效果相当，明显优于其它两种防裂材料；周富杰等[9-10]通过室内足尺疲劳加载试验研究了金属网格、APP防水卷材、土工格栅等材料防治路面反射裂缝的性能，结果表明，金属网格防裂效果最好，但其防锈蚀性能较差，耐久性能得不到保障；杨斌等[11]利用MTS材料试验机研究了玻纤格栅和土工布在白改黑路面加铺工程中的防裂效果，该研究指出，玻纤格栅的防反性能优于土工布；李文辉[12-13]采用室内MTS疲劳加载试验和滚动荷载疲劳试验研究了经编复合聚酯防裂布防治新建复合式路面反射裂缝的性能，结果表明，三经三维经编复合聚酯防裂布防反性能较好，同时兼顾了玻纤格栅和聚酯玻纤布的优良防反性能。

从上述研究结果可以看出：现阶段用于复合式路面的防反措施，大都沿用防治半刚性基层沥青路面的防反技术，目前国内尚未专门针对刚柔复合式路面开展专题性防反技术研究，更没有专门用于复合式路面的防反材料。鉴于此，笔者将针对重载条件下复合式路面防反问题，首先探索研究8种普通防裂材料防治复合式路面反射裂缝的性能，并对其优缺点进行分析；其次，优选原材料，自主研发一种适用于重载交通条件的高抗拉复合防裂材料；最后，对防裂新材料的防反性能和耐锈蚀性能进行研究，并寻求实现常温施工的施工工艺。

1 试验方案及加载方式

1.1 试验原材料

面层采用5 cm 厚的AC-16密级配沥青混合料，沥青采用PG82高黏度改性沥青，油石比为4.7%；集料采用石灰岩，矿粉由同批次石灰岩磨制而成；沥青、集料和矿粉的技术指标均满足规范要求。本研究沥青混合料所选级配如表1。

表1 AC-16沥青混合料级配组成

基层采用5 cm厚的C40水泥混凝土板，集料采用石灰岩，最大公称粒径为16 cm；水泥采用P.Ⅱ42.5普通硅酸盐水泥，水为生活用水，原材料质量均满足规范要求。水泥混凝土配合比设计如表2。

表2 C40水泥混凝土配合比

1.2 加载方式

选取MTS疲劳加载试验和车辙仪滚动荷载疲劳加载试验。MTS分为间接剪切试验和间接弯拉试验，分别模拟路面在弯拉作用与剪切作用下的破坏形式；滚动荷载疲劳加载试验可模拟路面在持续加载过程的破坏形式，与实际路面受力方式更为吻合。

1.2.1 MTS疲劳加载试验

加载设备为810型MTS试验机，采用应力控制模式，施加频率为10 Hz的正弦波，加载压强介于0.7～2.1 MPa，试验温度控制在23 ℃±2 ℃；加载模型如图1，图2。

图1 间接弯拉试验模型Fig. 1 Model of indirect bend-pull test

图2 MTS间接剪切试验模型Fig. 2 Model of indirect shearing test

1.2.2 滚动荷载疲劳试验

加载设备采用车辙试验机，加载压强控制在1.4 MPa±0.1 MPa，加载频率为21次/min，试验温度为23 ℃±2 ℃，试件尺寸为14.5 cm×5 cm×5 cm；具体试验加载模型见图3。 由于滚动荷载试验加载时间过长，此处仅研究了道路抗裂贴YN-50 kN、经编复合聚酯玻纤防裂布、HZ/ZD-4型防反体系、SBS防水卷材和镀锌铁网5种防裂材料的防反性能。

图3 滚动荷载疲劳试验模型Fig. 3 Model of rolling load fatigue test

初裂疲劳加载次数是指试件面层侧面产生的裂缝长度达到5 mm且宽度不小于0.5 mm时所对应的加载次数；终裂疲劳加载次数是指裂缝产生后至少有一条裂缝扩展至面层顶部时所对应的加载次数；而将两者之间的加载次数定义为初裂-终裂疲劳加载次数。

1.3 实施方案

2 普通防裂材料防反性能研究

2.1 普通防裂材料及其技术指标

本研究选取8种普通防裂材料，名称及其关键技术指标见表4。HZ/ZD-4型防反技术是一种新型的防反体系，由YHYD，YHYF，YHYG和YHY 4种功能材料构成，既能防治反射裂缝，又能防止雨水渗漏。镀锌铁网则是将网眼状铁丝浸在锌液中，在铁丝网表面镀一层金属锌，起到防老化和抗锈蚀的作用。

在防反机理方面，玻纤格栅侧重于模拟中等加筋作用防治路面反射裂缝，镀锌铁网侧重于模拟强加筋作用，SBS防水卷材和聚酯玻纤布侧重于模拟应力吸收作用；而HZ/ZD-4型防反体系、经编复合聚酯玻纤防裂布、道路抗裂贴重在模拟“加筋+应力吸收”双重作用防治路面反射裂缝的性能。

2.2 疲劳加载试验结果与分析

图4和图5分别是MTS间接弯拉和间接剪切作用下的试验结果，图6是滚动荷载疲劳加载试验结果。

图4 间接弯拉作用下疲劳加载次数Fig. 4 Fatigue loading times in indirect bend-pull test

图5 间接剪切作用下疲劳加载次数Fig. 5 Fatigue loading times in indirect shear test

从图中可以看出：

1)在复合式路面界面层加铺防裂材料能大幅提高路面结构的防反性能。以MTS终裂疲劳加载次数为评判标准，与未加铺防裂材料相比，加铺玻纤格栅、镀锌铁网等8种防裂材料时，在间接剪切作用下终裂疲劳加载次数分别提高了26%、66%、109%、270%、93%、147%、197%和643%；在MTS间接弯拉试验和滚动荷载疲劳加载试验中可得出同样的结论。这是因为：加铺层间防裂材料都能起到加筋或消散应力的作用，有些防反技术还是两者的有机结合，不仅可限制裂缝处位移的进步扩展，还能削减裂缝处的应力集中程度。

2)相比弯拉作用，复合式路面在剪切作用下更容易产生破坏。从图4和5可以看出，在间接弯拉作用下，各防裂材料终裂疲劳加载次数基本达到15万次，而在间接剪切作用下各材料终裂疲劳加载次数基本都没达到2万次，同一评判标准在两种不同作用下试验结果相差悬殊。

3)在8种普通防裂材料中，镀锌铁网的防反性能最好，在初裂、初裂-终裂、终裂阶段均能提高复合式路面的防反性能，且在各阶段的防反性能远好于其他7种防裂材料。破坏试件裂缝发展形态表明，加铺镀锌铁网后反射裂缝的发展形态以龟裂为主，裂缝呈均匀网状分布，在整个受力区域横纵微裂缝较多，试件破坏后找不到一条明显的主裂缝。这主要是因为镀锌铁网采用强加筋作用防治路面反射裂缝，其极限抗拉强度高达100 kN/m，抗拉效果好；而延伸率不足1.5%，最大程度上限制了裂缝的进步扩展。

4)综合考虑MTS疲劳加载试验结果和滚动荷载疲劳加载试验结果，以终裂疲劳加载次数为评判标准，8种防裂材料防反性能从小到大依次是：玻纤格栅<聚酯玻纤布<经编复合聚酯防裂布

虽然镀锌铁网通过表面镀锌措施对其防锈蚀性能和抗老化性能进行了改进，但其耐锈蚀性能很难得到长期保障，不建议单独采用镀锌铁网作为重载条件复合式路面的防裂加铺材料，需进一步改进，提高长期耐锈蚀性能。

3 DGQ材料制备及其防反性能研究

3.1 DGQ材料制备及其关键技术指标

DGQ防裂材料由镀锌铁网和H型材料(一种功能型应力吸收材料)复配而成，具体复配过程如下所示：在自制3 mm厚成型模具内表面涂刷油分隔离剂→将镀锌铁网放在模具卡槽内→灌入H型材料→静置4 h脱模即可。DGQ结构模型如图7，数字1表示H型材料，数字2表示镀锌铁网；室内合成的DGQ材料见图8。

图7 DGQ材料结构示意Fig. 7 Structure schematic of DGQ material

图8 DGQ材料Fig. 8 DGQ material

由图8可知：由镀锌铁网和H型材料复合而成的DGQ材料在常温下呈固体状态，柔韧度及协调变形性能好，可自由弯曲或对折；耐高温性能好，在230 ℃时不产生变形和熔融破坏，而且将水或有害液体侵蚀物倒在DGQ材料上不会产生渗漏；其技术指标见表5。

表5 DGQ材料关键技术指标

3.2 MTS疲劳加载试验结果与分析

对DGQ材料的防反性能和抗锈蚀性能进行研究，为了增加试验的说服力，选取镀锌铁网为对照组材料。防裂材料的抗锈蚀性能通过加速腐蚀老化试验验证，老化步骤为：将样品材料放在阴暗潮湿的泥土或沙土环境中，每隔两天定期洒水，老化时间分别为2个月和6个月，将老化前后的镀锌铁网和DGQ材料裁成平面尺寸为300 mm×300 mm的层间加铺材料，成型试件，通过MTS疲劳加载试验研究其防反性能，加载方案如表6；为了便于表示，将各方案分别记为A，B，C，D，E，F。

本试验还采用了聚氨酯胶黏剂作为层间黏结材料，实现了DGQ的常温施工，甚至可在低温(-5 ℃)下施工。聚氨酯胶黏剂由M，N两组分常温拌和而成，掺配比例为100∶85，在25 ℃常温下呈液体状态；M为胶黏剂，组分为聚醚多元醇；N为固化剂，组分为聚合物MDI，将该实验方案记为G。

表6 MTS疲劳加载试验方案

图9 耐老化性能试验结果Fig. 9 Test results of anti-aging property

从图9试验结果可以看出：

1)镀锌铁网具有一定的防锈蚀和耐老化性能，但不适于直接用作防裂材料。在间接弯拉作用下，与A组相比，老化2个月和6个月后镀锌铁网的防反性能分别下降了7%和20%；在间接剪切作用下，与A组相比，老化2个月和6个月后防反性能分别下降了6%和23%。这也验证了镀锌铁网并不适合直接用于复合式路面的防裂加铺材料，毕竟其防锈蚀性能得不到长期保障。

2)DGQ材料防反性能显著且优于镀锌铁网，防锈蚀和耐老化性能良好，建议用于重载条件下复合式路面的层间加铺材料。间接弯拉作用下，与D组相比，老化2个月和6个月后DGQ材料的防反性能仅下降了3%和6%；在间接剪切作用下，与D组相比，老化2个月和6个月后其防反性能仅分别下降了4%和5%，因为包裹在外部的H型材料将镀锌铁网与外界环境隔离开来，保证镀锌铁网在长期使用环境中不被锈蚀。

3)DGQ材料老化前后的防反性能均十分显著，其防裂机理可概括为以下两点：① 桥联高强加筋作用。DGQ材料的防反性能主要通过镀锌铁网这种强加筋材料提供，在裂缝扩展过程中的应变能大部分被镀锌铁网消散。② 消能缓冲作用。DGQ材料中的H型材料具有一定的弹塑性变形性能和应力吸收功能，也能消散部分应变能。

4)从D和G两组试验结果可以看出，当采用聚氨酯胶黏剂作为层间黏结材料时，DGQ可实现常温施工，且防反性能与层间选用PG82高黏改性沥青时基本相同。与采用PG82高黏改性沥青作为黏结材料相比，当选用聚氨酯胶黏剂时，间接弯拉和间接剪切作用下终裂疲劳加载次数分别下降了2%和4%。主要是因为两种层间黏结材料的用量不同，聚氨酯胶黏剂用量仅为PG82改性沥青的47%，因为涂布太多胶黏剂容易产生流淌，造成不必要的浪费。

4 结 论

研究了镀锌铁网、道路抗裂贴等8种普通放裂材料的防反性能，并通过镀锌铁网和H型材料研发出一种适用于重载交通条件的高抗拉复合防裂材料——DGQ材料，并对其防反性能、抗锈蚀和耐老化性能进行了研究，取得了一定的成果，概括如下：

1)综合考虑MTS疲劳加载试验结果和滚动荷载疲劳加载试验结果，以终裂疲劳加载次数为评判标准，8种防裂材料防反性能从小到大依次是：玻纤格栅<聚酯玻纤布<经编复合聚酯防裂布

2)由镀锌铁网和H型材料复合而成的DGQ材料常温下呈固体状态，柔韧度及协调变形性能好，可自由弯曲或对折；耐高温性能好，在230 ℃时不产生变形和熔融破坏，而且将水或有害液体侵蚀物倒在DGQ材料上不会产生渗漏。

3)DGQ材料老化前后的防反性能显著且优于镀锌铁网，防锈蚀和耐老化性能良好；其中防反性能主要由镀锌铁网提供，虽然H型材料也能消散部分应变能，但H型材料最主要的作用是将镀锌铁网与外界环境隔离开来，保证内部的强加筋材料在长期使用环境中不被锈蚀，起到抗锈蚀双重保护作用。

4)DGQ材料施工方便，当采用聚氨酯胶黏剂作为层间黏结材料时可实现常温和低温施工，建议将DGQ材料用于解决重载交通下复合式路面的反射裂缝问题。

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(责任编辑：朱汉容)

Research and Development of High-Tensile Composite Materials with Cracking Resistance Performance under Heavy Load Conditions

LI Rukai1，CUI Lilong2，ZHOU Gang1，WANG Huoming1，CHEN Fei1

(1. Roads and Geotechnical Engineering Branch, China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute, Chongqing 400067, P. R. China； 2. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

MTS fatigue loading test and rolling load fatigue loading test were used to evaluate the effect of 8 ordinary anti-cracking materials on the prevention and cure of reflective cracks of composite pavements. And then the best raw materials were selected to develop a new compound material DGQ, which was a kind of high-tensile composite material with cracking resistance performance under heavy load conditions. And its reflective resistance performance and anti-aging performance were verified through indoor MTS fatigue loading test. The results show that：taking final crack loading times as the evaluation criteria, galvanized iron mesh is the material with the best prevention and cure performance of reflective cracks in 8 materials; HZ/ZD-4 is secondary; and fiberglass-polyester cloth and fiberglass geogrid are less effective. The reflective cracking resistance performance and anti-corrosion property of DGQ material developed by galvanized iron mesh and H-typed functional materials are significant, and its construction can be done at room temperature. DGQ material is cost-effective and has good application prospects.

highway engineering; composite pavement; heavy load traffic; reflective crack resistance performance; DGQ anti-cracking materials

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.08

2015-12-31；

2016-01-19

重庆市社会民生科技创新项目(cstc2015shmszx30010)

李汝凯(1989—)，男，山东泰安人，工程师，硕士，主要从事路面结构与材料方面的研究。Email：lirukai@cmhk.com。

U416

A

1674-0696(2017)04-045-06