摘要：本文对FiberMat作为应力吸收层的应用进行了试验研究，对比了使用和不使用FiberMat结构层的性能，证明了其具有良好的抑制裂缝扩展能力。
关键词：纤维封层 应力吸收层
Evaluation of FiberMat B as a Stress Absorbing Membrane Interlayer
Abstract： An study on the application of FiberMat as stress-absorbing layer，compared with HMA specimens with FiberMat and without FiberMat，proved its good anti-cracking.
Key words：fiberMat；stress-absorbing layer
1引言
FiberMat®，也叫做Fibredec®，是Colas公司的一个专利技术，由Midland沥青材料公司在美国进行推广。FiberMat是通过专用设备将聚合物改性乳化沥青、切碎的玻璃纤维与碎石的组合物同步撒/洒铺到原路面形成的新结构层。FiberMat能显著减少或推迟HMA路面反射裂缝，它有两个类型，当设置在路表作为表面处治层使用时，叫FiberMat A型；当设置在原有的路面表面层和HMA罩面层之间时，作为应力吸收夹层使用，叫FiberMat B型。
本文通过试验量化分析了FiberMat B型作为应力吸收层的优点。下面首先介绍裂缝在罩面层中的扩展破坏形式。
2裂缝在罩面层中的发展形式
研究者（Button，1987；Lytton，1989）总结了与应力释放和增强有关的3种破坏形式：
（1）Mode I – 应力释放 原路面的裂缝有向上扩展试图进入含有应力吸收层的新罩面层。裂缝在应力吸收层停滞一会后，从夹层顶部继续向表面层发展。
图1 Mode I
（2）Mode II – 应力释放 原路面的裂缝有向上扩展试图进入含有应力吸收层的新罩面层。裂缝从罩面层出现，向下发展到应力吸收层。
图2 Mode II
（3）Mode III – 应力增强.原路面的裂缝有向上扩展试图进入含有应力吸收层的新罩面层。裂缝随后向右拐，沿夹层在水平方向扩展。
图3 Mode III
3试验设计
试验设计包括两种试件：对相同的HMA试件，使用和不使用FiberMat处理。不使用FiberMat、但使用普通粘结层的试件，记作“对照”试件。使用TTI罩面试验机测试使用FiberMat的粘结层的试件性能，并与对照试件对比。在测试阶段，需要变化FiberMat的组成材料比例，以确定获得最佳性能时的比率，并分别在3个不同温度下测试。试验初期，研究人员主要采用10℃。每组测3次。
1）评价对象：夹在两个压实HMA层中间的FiberMat。
2）检测设备：德克萨斯州运输协会开发的小型罩面试验机和大型罩面试验机。
3）试验材料：
玻璃纤维：60mm长。
乳化沥青：对照试件使用非改性乳化沥青（CSS-1h，固含量30%的稀释乳液）做粘结层，其它试件使用聚合物改性乳化沥青作为粘结层（CRS-1p，基于PG 52-28等级的沥青）。
HMA沥青混合料：Superpave方法设计，公称最大粒径9.5mm，沥青性能分级PG 64-28，沥青含量5.6%，作为整平层（底层）和罩面层（顶层）。
4）试件制备
TTI拥有一台线性揉压成型仪，可制备长45.72cm，宽31.75cm，1.27-10.16cm厚的HMA板试件。为了模拟现场条件，压实HMA的试件空隙率保持为7%±1%。
第一步，压实成型2.54cm底层（整平层）。制备完，冷却至室温，放置1天；
第二步，制作FiberMat。第一阶段：制作前先用胶带缠绕底层，以避免粘结层溢出，保持板子水平，喷洒适量乳化沥青，刷匀；撒布事先称量好的切碎玻璃纤维；按7kg/m2均匀撒布粒径2.36-4.75mm规格的碎石，并用圆柱体HMA试件滚压，以确保粘结层和松散碎石之间的粘结，破乳后清扫掉未粘结的松散碎石。第二阶段：喷洒乳化沥青，再做一遍粘结层。
第三步，压实成型5.08cm顶层（罩面层）。
图6 试件的制备
5）罩面试验
罩面试验机，是一台位移受控、可反复加载的仪器，有2个钢板：一个是固定的，另一个水平移动以模拟罩面层下面的旧路上的接头或裂缝的开合。以一个周期恒定的三角波形施加荷载。试验通常在室温（25℃）、以受控位移方式（按每10s加载一次、使用最大0.064cm的位移）进行，直至破坏。这个试验需要用环氧树脂把一个组合件粘到钢板上，一个钢板固定，另一个调解成在0.064cm的位移下、6次/min的速率摆动。在以下温度下完成测试：25℃，10℃，0℃。试验温度可通过调节试验机的环境室温度获得。
“试件破坏”的定义：试件裂缝完全穿透所用的次数。理想地，完全破坏被定义为荷载为0时的次数；对于含有土工合成材料或纤维的试件，直到沥青混凝土试件完全开裂之前，荷载通常都是明显可测量的。以时间为函数记录荷载和位移。在试件的两个垂直边，定期测量可见的开裂长度。记录每个试件测试期间的温度。
试验开始时，试件底部产生一个小的裂缝（拉力原因），然后继续重复性的水平移动，这引起裂缝向上扩展穿透试件。这个过程是为了模拟周期温度变化引起的路面周期拉应力。下面是典型罩面试验准备的示意图。
Geosynthetic material-土工合成材料 Aluminum plates-铝板 Overlay-罩面层 Level-up整平层 Fixed plate-固定板 Movable plate-移动板 gap-间隙 Ram direction-水平方向
图7 试验准备
用试验室试件，经历了mode Ⅲ类型的裂缝扩展行为后，研究者建议用道路上取的试件测试。Midland沥青材料公司提供了4个不同位置的大梁和15.24cm直径的芯样，所有现场试件均含有FiberMat，没有取到对照试件。仅仅测试了这些试样的上面两层，从底部去掉其它结构层。
4结果及讨论
1）试验室试件
在试验室制备使用和不使用FiberMat的试件，用小型罩面试验机和大型罩面试验机进行测试，试件尺寸分别是6.35×6.35×21.29cm，和6.35×13.97×43.18cm，应力吸收层位于2.54cm底层和3.81cm顶层（罩面层）之间。制备的小试件在本研究的第1阶段进行测试。另外，使用两种罩面试验机检测从4个不同路面上锯下来的试件。
大部分试件，是在25℃或10℃，使用0.064cm的峰值位移进行测试，峰值位移是在10s周期内完成加载和卸载获得的。（在0℃测试的试件仅仅承受0.038cm的峰值位移）。测试期间，每隔0.1s记录两个主要参数，（比如，位移和荷载）。因此，每个加载循环记录100个数据点。当裂缝扩展进试件，测量的荷载减到能维持位移恒定。
测试期间，一个人在场连续记录裂缝扩展。连续试验，直至裂缝完全扩展通过试件。通常，一条裂缝从板子底部靠近缺口开始，从没有加强层或夹层的底部沿垂直方向发展。但使用FiberMat的试件，裂缝垂直向上扩展，直到夹层，然后沿着夹层转向水平方向–Mode Ⅲ。诺丁汉大学以前的研究公布了相同的现象。（Cooper等人，1987）。对于大的长试件，这些横向裂缝在某一点停下，然后继续垂直向上。
对照试件在3个测试温度下都破坏得很快，且在垂直方向上，见图8（a）。可以预期，在较高的温度下，其寿命会更长；而含有完整FiberMat体系（粘结层-纤维-粘结层-石子）的试件，最可能有以横向裂缝形式沿夹层发展的裂缝，见图8（b），其寿命比对照试件更长。
（a）两层压实对照试件 （b）含FiberMat体系试件
图8 破坏后的试件对比
对于大试件，FiberMat的很大提高了抗裂性，总的趋势与小试件类似。显著的差异是，粘结层-碎石-纤维的组合寿命更长。
2）现场路面试件
路面芯样，切割加工成7.62×7.62×15.24cm的试件。将长梁切割成长38.1cm、宽15.24cm的试件。全部试件在25℃和0.064cm的位移下测试，裂缝都没有扩展到罩面层，即使测试进行到2000次。
另一个TTI研究项目，使用小型罩面试验机和大型罩面试验机测试现场压实试件。与这些结果比较，FiberMat显示出有更大的抗裂性。
5结论
本研究的结论[1]-[2]主要有以下几点：
（1）一些试验室制备的试件，尤其是小试件；裂缝扩展沿着水平面，透过FiberMat夹层，而不是在绑带上方沿纵向开裂穿过试件。
（2）在罩面试验机上，与对照试件相比，不同形式FiberMat的试件均提高了抗裂性。小的FiberMat试件，比对照试件多承受3-4次循环加载；大的FiberMat试件，比对照试件多承受14次循环加载。
（3）对于小试件，当聚合物改性粘结替换非改性粘结，加荷到裂缝扩展的循环次数增加了。
（4）对于小试件（对照的和FiberMat的），直到中-高比率改性沥青的粘结层制造的试件裂缝扩展上显示出更高的循环次数。
（5）与大对照试件相比，所有含有FiberMat或改性粘结层的大试件破坏时均经过了更多的循环。含有纤维的试件均在纤维处治界面出现水平开裂。
（6）与另一个项目的现场压实对照试件相比，FiberMat现场试件的寿命更长。
（7）在罩面试验机上，大的试验室试件更可能通过纵向裂缝破坏；而小试件更可能通过横向裂缝沿着加固界面开裂。在罩面试验机（大的、小的）上，当非常硬的增强材料（比如，玻璃纤维）在“整平层”与“罩面层”界面上应用时，经常会看到横向裂缝沿界面扩展。
国内，孙建国[3]采用带车辙板+纤维封层+两块切割板组成的试件研究不同粘结层的抗反射裂缝能力，结论也表明加纤维粘结层的好于不加纤维的，部分印证了上述结果。
参考文献：
[1]Arif Chowdhury，Joe W.Button.Evaluation of FiberMat® Type B as a Stress Absorbing Membrane Interlayer to Minimize Reflective Cracking in Asphalt Pavements[R].Texas Transportation Institute，2007；
[2]Ghassan R.Chehab，Carlos J.Palacios.Evaluation Study of FiberMat® Type B Interlayer System for Roadway Pavement Rehabilitation
[3]孙建国.基于纤维增强封层技术的沥青路面抗裂性能研究[J].低碳世界，2015：283-284
论文作者:黄贤慧
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/7
标签：裂缝论文; 应力论文; 面层论文; 沥青论文; 位移论文; 试验机论文; 测试论文; 《基层建设》2019年第4期论文;