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1、GSOG应力吸收层抑制反射裂缝能力的研究胡睿、闫国杰、夏庆宇、赫振华、徐韵淳摘要：在杨高路大修工程中使用一种新型间断半开级配的沥青混合料（GSOG）充当应力吸收层，分散板块间的水平温缩应力与竖向剪切力共同作用下的应力集中，延缓反射裂缝产生的速度，在高温稳定性、低温约束试件及嵌入式轴向加载试验中均有良好表现，对比AC20试验段，证明它具备良好的分散集中应力的能力。关键词：GSOG 应力吸收层 反射裂缝0. 前言由于城市道路使用年限及各种超载、施工质量等影响，水泥混凝土路面的破损现象非常普遍，大量的旧水泥混凝土路面需要修复。水泥混凝土路面的修复方法包括简单的路面板挖补处置，及加铺新沥青面层、路面重
2、建等。由于城市道路的特殊性，加上工期和对交通的影响，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是一个较为理想的选择。但是，由旧水泥板块的刚性与新加铺沥青面层的柔性差异较大，容易产生反射裂缝进而影响路面的整体性能。本文通过杨高路大修工程中GSOG应力吸收层的试验段实例对比，结合白加黑应用研究成果，对GSOG抗疲劳、抗剪切应力、抗温缩应力三大功效进行剖析，对比常用加铺方法，对GSOG这种兼具功能性、结构性于一体的新型沥青混和料进行深入探索。1. 工程实例简介1.1 杨高路大修工程开始前情况杨高路为规划城市主干路，自1992年建成后，历经多次改造及加铺工程，目前道路情况是机动车道除桥接坡、部分交叉口、后建立交
3、工程范围及原路基状况不良路段采用沥青混凝土路面外，其余均为水泥混凝土路面；非机动车道为沥青混凝土路面。本次改造段道路全长约19.5km，其中重点改造路段长约8.9km，一般改造路段长约10.6km。在工程开工前对道路情况进行的摸底调查中，旧水泥板块破损、错台现象突出，需要修补或翻挖重铸满足绝对弯沉值0.25mm、相对弯沉差都0.06mm双控指标后方能继续施工。指挥部对比各类“白加黑”的方案的基础上，结合杨高路的实际情况，在对原水泥混凝土路面进行修补后，于2005年10月分别铺筑GSOG与AC-20-I的对比试验段，两种铺装方案见表1，铺装时情况见图1、图2。表 1 两种铺装方案结构表方案一4c
4、mSMA-13（SBS改性）0.5cm稀浆封层5.5cmGSOG-20改性乳化沥青粘结层SBS防水卷材贴缝（骑缝粘贴，宽50cm，厚度3mm）旧混凝土路面加固处理方案二4cmSMA-13（SBS改性）6cmAC-20-I满铺玻璃格栅一道（自粘式）（抗拉强度大于80kN/m）改性乳化沥青粘结层SBS防水卷材贴缝（骑缝粘贴，宽50cm，厚度3mm）旧混凝土路面加固处理表 2 GSOG-20与AC-20-I所用沥青结合料检测结果指标单位技术要求检测目标值GSOG-20AC-20-I针入度（25，100g）0.1mm406053.049软化点（R&B）不小于8082.374延度（5）不小于cm5058
5、.726.5闪点不小于260262236薄膜加热质量变化率 不大于%0.60.290.57薄膜加热针入度残留率不小于%6592.4574薄膜加热延度（5） 不小于cm253221.3粘韧性（25）不小于Nm2020.1/韧性（25）不小于Nm1516/60动力粘度不小于Pas2000054266.71360备注：1.GSOG-20采用壳牌90#沥青 2.AC-20-I采用壳牌70#沥青，符合JTG-F40 2004 聚合物改性沥青I-D标准图 1 两种沥青混合料级配图表 3 两种沥青混合料体积指标混合料类型m（g/cm3）VV（%）VA（%）VFA（%）VMA（%）VCAmix（%）稳定度kN
6、流值0.1mmAC-20-I2.4473.7710.373.214.0-8.0434.60GSOG-202.2378.7113.0660.0121.7737.107.6230.95图 2 SBS防水卷材贴缝图 3 施工时场景1.2 杨高路GSOG铺设后5年的回访情况2010年5月，浦东路桥建设股份有限公司下属工程技术研究所，对杨高路大修工程对比试验段进行每年例行的巡视及路面检测，主要观察反射裂缝产生的速率。由于GSOG应力吸收层并无国家标准及检测规范，唯有通过实地检查对比试验段反射裂缝是否产生的情况来判断工程是否获得预期效果。经过5年大交通流量的负载，方案一试验段基本未见反射裂缝，而方案二试验
7、段则出现较为明显及规律的反射裂缝（反射裂缝的出现位置与水泥板块接缝位置吻合），详情见图 4、图 5。图 4 AC20I裂缝取芯俯视图图 5 AC-20-I整体裂缝情况1.3 原因分析通过图 4、图 5可以看到，AC20I作为应力吸收层所应该发挥的消减应力集中的作用并没有显现，由于其过小的空隙率及用油量，在垂直剪切应力以及板块温缩应力的共同作用下，板块错位而产生的应力集中无法得到分散，自身首先开裂并将裂缝传导至上面层，而GSOG则未出现反射裂缝，究其原因，选用间断半开级配（Gap-Semi-Open-Graded）提高了混合料结构稳定性，支撑了大空隙和高用油量的实施，使应力集中在GSOG层就得到
8、有效的分散。为了证明GSOG与AC20在作为应力吸收层时的差异表现，试验路段前期进行了高温稳定性测试、约束试件温度应力试验及剪切试验，以此剖析GSOG与AC-20-I的优劣。2. 试验段检测2.1 高温稳定性试验段采用轮辙试验仪测试评价沥青混合料的高温稳定性。试验温度为60，测试前试件预热时间不低于5小时，计算、采集混合料试件的动稳定度，以此评价混合料抗高温变形的能力。GSOG-20和AC-20两种混合料的高温稳定性测试结果列于表 4。表 4 沥青混合料高温稳定性测试结果AC-20GSOG-20试件编号空隙率（%）动稳定度（次/mm）试件编号空隙率（%）动稳定度（次/mm）AC-20_DS-1
9、3.81123GSOG-20_DS-18.05744AC-20_DS-23.81280GSOG-20_DS-18.25434由表 4中的试验结果可知，混合料GSOG-20比AC-20-I的动稳定度高了4倍左右，具有很强的高温稳定性。2.2 约束试件温度应力试验沥青混凝土路面的低温开裂问题一直是道路工程界研究的一个热点问题，美国公路研究战略计划（SHRP）采用对现场条件的模拟性、试验结果在力学模型中的应用性、老化和潮湿状态下的适用性、易操作性、仪器成本等指标对以下几种方法进行了评价：直接拉伸试验；间接拉伸试验；直接拉伸蠕变试验；弯曲梁试验；约束试件温度应力试验（TSRST）；热膨胀和收缩系数试验
10、等方法。评价结果表明：只有TSRST试验和热膨胀系数试验两种试验方法能正确地模拟现场状况，其它试验都只是间接测量沥青混凝土的降温响应。因此，美国SHRP提出采用约束试件温度应力试验（TSRST）来研究沥青路面的低温开裂问题。2.2.1 TSRST试验温度应力典型规律SHRP提出的典型的TSRST结果如图 6所示，随着温度的降低，沥青混合料试件中的温度应力逐渐增长直至试件断裂。在断裂点，应力达到最大值，该值称为断裂强度。温度应力-温度曲线的斜率逐渐增长，到达一定温度后，变为常数，温度应力-温度曲线变成直线，直到断裂。把温度应力-温度曲线分成有松弛和无松弛两部分的温度称为转化温度。当温度达到转化温
11、度时，沥青变硬，由降温产生的温度应力不松弛。转化温度和d/dt有可能在评价沥青混合料的低温流变行为时起重要作用。所以，SHRP提出采用断裂温度、断裂强度等指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。图 6 SHRP提出的温度应力典型规律2.2.2 GSOG-20和AC20沥青混合料TSRST试验结果对比分析GSOG-20沥青混合料和AC20沥青混合料温度应力随温度变化关系图如图 7和图 8所示。图 7 GSOG-20沥青混合料温度应力随温度变化关系图图 8 AC20沥青混合料温度应力随温度变化关系图试验数据见表 5。表 5约束试件温度应力试验结果数据结果混合料类型断裂温度（）断裂强度（MPa）应力松弛
12、温度（）温度应力曲线斜率GSOG-20-43.31.434-250.046AC20-32.87.0-200.39通过对表 5、图 7、图 8结合分析可以得到如下结论：1) GSOG20比AC20的应力松弛温度要低约5，说明经RST改性的沥青结合料在初始的降温阶段具有优良的应力松弛能力，能在更宽泛的低温范围内松弛混合料承受的温度应力，优于普通改性结合料。2) GSOG-20混合料断裂温度比AC20低约10.5。此指标与结合料以及混合料的空隙率密切相关，直观地反映了混合料可能承受的最低温度。较高的空隙率降低了GSOG混合料的热传导率，优良的结合料性能也进一步保证了GSOG混合料具有更好的温度收缩性
13、能。3) 在低于应力松弛温度直至断裂为止的温度范围内，GSOG-20混合料具有更小的温度应力曲线斜率。此指标与空隙率密切相关，说明GSOG-20这种具有更高空隙率的混合料类型，能在结合料丧失应力松弛能力后依靠级配的优势继续在低温下保持抵抗温缩的能力。2.3 抗剪切能力分析采用“拟剪切效应动态加载试验”评价沥青混合料抗竖向剪切变形的能力，试验名称为“嵌入式轴向加载试验”，加载设备为诺丁汉沥青测试仪（NU-14）。试验的加载模式和混合料试件的典型变形特征分别如图 9和图10所示。混合料抗剪切性能的评价指标为“拟剪切效应动态劲度模量”。试件在40环境下测试，荷载作用时间和间歇时间分别为1s，重复加载
14、3600个循环，计算混合料在该条件下的拟剪切效应动态劲度模量值S(40，3600)，以此评价混合料的抗剪切变形能力。图 9 混合料的嵌入式轴向加载模式图10嵌入式加载模式下混合料试件的典型变形特征采用拟剪切效应动态劲度模量S(40，3600)评价两种沥青混合料抗竖向剪切变形的能力，嵌入式轴向加载测试结果列于表 6：表 6 AC-20与GSOG-20混合料的抗剪切性能测试结果AC-20GSOG-20试件编号S(40，3600)（MPa）试件编号S(40，3600)（MPa）AC-20_S-1230.3GSOG-20_S-13047.9AC-20_S-2217.4GSOG-20_S-22675.2
15、AC-20_S-3221.5GSOG-20_S-32842.5通过表 6可以看到，GSOG20的“拟剪切效应劲度模量”非常高，能够有效抵抗由抗竖向剪切变形的能力有显著影响，GSOG-20混合料比AC-20混合料具有更强的抗竖向剪切变形的能力，因此，选用GSOG-20混合料来延缓反射裂缝的发生，其材料力学依据更为充分。根据杨高路“白加黑”技术方案下面层沥青混合料的对比试验研究结果可知：在抵抗竖向剪切破坏和弯拉疲劳破坏方面，混合料GSOG-20表现出比初步设计方案中的下面层材料AC-20远为优异的性能特征；同时，混合料GSOG-20的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等重要路用性能也都超过了混合料A
16、C-20的相应性能，对路面各种因素集中作用下的应力集中的分散、控制都有相当良好的效果，在大修工程5年后的回访中也证明了这一点，使用GSOG20的试验段无反射裂缝的现象。3. 经济效益分析实践证明，水泥路面加铺沥青面层是修复旧水泥混凝土路面的一种有效补强措施，不仅提高了路面的承载能力，而且有效地防止了反射裂缝，改善了路用性能，提高了路面服务水平。只要在设计、施工和管理中加强和注意质量控制，在旧水泥混凝土路面上进行沥青混合料加铺，不仅技术上可行，而且提高了路面的行驶质量，改善了交通条件，延长了道路的使用寿命，缩短了旧路改建的工期。下面列举了四种的“白加黑”结构组合方案的经济性分析。表 7 “白加黑
17、”结构组合方案的经济性分析AC20I说明单价单位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm AC-20I45.36元/m2土工布或玻璃格栅13.48元/m2粘层4.52元/m2水泥混凝土路面合计119.74元/m2Strata说明单价单位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm SUP-1951.23元/m22.5cm 应力吸收层（Strata）50.00元/m2粘层4.52元/m2水泥混凝土路面合计162.13元/m2SUP19说明单价单位4cm SMA-13（改性）56.38元/m26cm SUP-1951.23元/m2土工布或玻璃格栅13.48元/m2粘层4.52元
18、/m2防裂贴6.80元/m2水泥混凝土路面合计132.41元/m2GSOG20说明单价单位4cm SMA-13（改性）56.38元/m20.5cm 稀浆封层13.00元/m25.5cm GSOG-2081.64元/m2防裂贴6.80元/m2粘层4.52元/m2水泥混凝土路面合计162.34元/m2从表 7可以看出：作为本次研究的方案4，与方案2的Strata价格相当，相比方案3的sup19初期建设成本增加22.6%，相比方案1的AC-20I成本增加更多。应该承认，由于RST改性沥青成本费用较高，试验段建设规模也较小，且作为课题开发初期，研究人员主要精力集中于提高性能，在指标上偏保守，导致旧水泥
19、混凝土路面上GSOG-20沥青混凝土加铺路面结构方案直接费用偏高。在后续的研究中，主要的降低成本设想如下：1) 减薄应力吸收层厚度：将现有的5.5cm厚GSOG-20沥青混凝土改为4cm厚GSOG-13沥青混凝土，即沥青加铺层厚度进一步减薄，降低成本。作为本研究的后续，2007年11月，在三林世博会功能区的南码头路和云莲路等数十条线路进行了另外薄层“白加黑”的铺筑。沥青加铺层总厚度7.5cm，上面层为SMA-10，厚度3cm；稀浆封层防水层0.5cm；GSOG-13，厚度4.0cm，总成本降低至130元/m2左右，历经3年使用，目前尚未发现有反射裂缝的产生，详情见图 11、图 12。图 11东
20、明路地铁6号线车站口图 12南码头路路口2) 降低结合料成本：除了1）中提出的调整最大公称粒径、减薄厚度以降低成本的方法外，可以考虑降低沥青结合料成本。有两个途径：首先考虑降低沥青改性剂RST的成本，其次可以采用其他能满足性能要求且价格相对便宜的沥青结合料，如橡胶沥青等。4. 结论通过对GSOG20在杨高路大修工程中的应用，我们清醒的认识到，由于国家在前期大量铺筑的水泥混凝土路面已达到或接近使用年限，导致水泥路面的路用性能大幅度衰减，维护费用增加，如果采用传统翻挖重浇筑的方法，社会与经济效益均不理想，目前采用水泥板块加铺沥青混合料是操作性较强的方法，但刚性的水泥板块之间的应力反应与柔性的加铺沥
21、青混合料结合后易产生反射裂缝的问题是国内外研究的方向，GSOG作为一种半开间断级配所特有的应力吸收作用，兼具功能性与结构性于一身，比较好的解决了“白加黑”工程中常见的反射裂缝突出等问题，在经过杨高路大修工程5年来的大荷载交通流量，取得了令人振奋的结果，下一步将立足于增强GSOG的抵抗反射裂缝的效果基础上，进一步降低铺筑成本，使这一技术能够为中国城市化进程提供助力。参考文献：1粘本鹏,赫振华,周晟.GSOG沥青混合料罩层的应用J.工程机械与维修,2007 (2).作者信息：第一作者信息：胡睿，男，1980年生，籍贯： 上海单位：上海浦东路桥建设股份有限公司工程技术研究所单位通讯地址：上海市浦东新
22、区川北公路3011号 邮编：201210 手机：13916470040 传真：021-58551208电子邮箱：alexfreebsdResearch on the Effectiveness of GSOG stress absorbing layer to Resist Reflective-CrackingHurui、YanGuojie、Hezhenhua、XiaQinyuEngineering Research Institute for Shanghai pudong road & bridge construction co, ltd shanghai 201210 )Abstra
23、ct：Using a new type of half-open-graded bituminous paving mixtures to act as stress absorbed layer in YANGGAO ROAD repair engineering，which can Scatter the intraplate concentrated stress under the joint action of Level Temperature Shrinkage Stress and Vertical Shear Force. That can delay the speed o
24、f reflection cracking. The mixtures have good performance at all high-temperature stability test, TRST and embedded axial loading test. Compare with AC-20 testing road to prove that GSOG mixtures have good ability to scatter the concentrated stress.Keyword: GSOG, Stress absorbing layer, reflection c
25、rackinstallation part main including Yunnan province tengchong County yongxing River primary and secondary hydropower station in the of pressure pipe and the power station metal structure, which level power station pressure pipe total about 562t (containing annex); II level power station pressure pi
26、pe about 733 t (containing annex); level power station metal structure about 52.5 t, containing discharge Gate 2 hole, rushed sand Gate 1 hole, water mouth work door and the stopped dirt gate the 1 hole, Qian pool work door and the stopped dirt gate the 1 hole; Secondary power station metal junction
27、 at about 19.5 t, containing sand Gate 1 hole, water inlet water gate and trash the 1 hole; their auxiliary hoist equipment and electrical equipment. Concrete pressure pipe, gate, trash and hoisting device project property list 1-11-3. Table 1-1 the main characteristics of the penstock number item p
28、arameter type controller size head a long pipe diameter pipe length 11 hydropower station penstock open-air exposed pipe, single pipe joint water supply 1.3M 931m 0.8M 8.3*2m 22 hydropower station penstock open-air exposed pipe, single pipe joint water supply 1.4m 1063.506 m 0.8M 10*2m table 1-2 hyd
29、ropower station Main characteristics of hydraulic metal structure number project name gate, trash rack, door (gate . Pressure pipe and the metal structure installation 9.1 main engineering profile yongxing river level hydropower station pressure pipe pipeline plane Shang along Ridge is line layout,
30、and slope surface contour close vertical, Guan Po with original ground line changes, used open type Ming tube, single tube joint water way, competent diameter 1.3M, long 931.00m, two root non-symmetric Bu type support tube, diameter 0.8M, single root long 8.3M. Competent to establish 12 town Pier, 1
31、07 buttress, telescopic section 11. Support Pier spacing 8M, side-sliding bearing. Town pier for the closed-end structure of gravity, base surface into bedrock, pipe excavation slope 1:0.75 with M5 grouted rubble slope protection, 0.3M, bottom side sewer, 0.25m wide, deep 0.3m,M5 grouted rubble maso
32、nry, set maintenance step ladder on the left side, 1.0M wide. Yongxinghe- hydropower station penstock pipes arranged along the ridge line on the plane, and nearly vertical slope contour lines, Guan Po changes with the original ground line, with shallow backfill-pipe, single-pipe water supply, the co
33、mpetent 1.4m, long 1063.506m, two asymmetric y pipe, diameter 0.8M, single 10m. Competent to establish 12 town Pier, 8 expansion joint. Town pier for the closed-end structure of gravity, placed on soft rock base surface, pipe concrete C20 on a pedestal. Pipe trench excavation slope 1:0.75, after the installation of steel tube, compacted gravel
