沥青路面服役若干年后，服务性能会显著降低，加铺新沥青层成为一种常见维修方案^[1]，然而旧路面结构内部微小裂纹的存在会引起加铺层出现反射裂缝病害，大大缩短了其使用寿命.为预防反射裂缝，土工布在中国、美国、欧洲和澳大利亚等地区的旧沥青路面加铺工程中得到了较为广泛的应用^{[2, 3]}.从20世纪80年代美国首先使用土工布夹层用于延缓反射裂缝，仅1987年就超过6×10⁷ m²的土工布成功应用于路面加铺工程中^[4].另外土工布夹层的加筋作用和密水作用可大大提升沥青加铺结构耐疲劳性能和防水损害性能^[5]，这些优势更为促进了土工布在路面工程中的应用.

土工布防反射裂缝一直以来都是一个热点问题，国内外学者对其进行相关研究.如关于防反射裂缝机理，文献^[6]认为土工布夹层通过自身变形可以吸收裂缝发展所需要的大量能量，起到应力吸收作用，进而阻止裂缝向上传播；文献^[7]利用有限元方法，分析土工织物对沥青路面内部应力应变分布的影响，发现土工织物的设置有效降低了沥青层层底拉应力，从而延长了沥青面层的疲劳寿命.关于土工布夹层防反射裂缝的试验评价方法，文献^[8]应用4点弯曲试验对含有土工布夹层的复合梁试件抗裂性能进行了评价，发现土工布夹层可显著提升试件的疲劳寿命；文献^[9]中开发板疲劳试验装置对土工布夹层防反射裂缝效应进行评价，结果表明不同荷载模式下，对土工布夹层防反射裂缝作用的评价并不一致.关于土工布夹层使用方法和效果，文献^[10]通过现场试验证明，相比15 cm厚的普通沥青加铺层，10 cm厚的含有土工布夹层的沥青加铺结构使用寿命更长而且使用效果好；文献^[11]对土工布铺设最优位置进行研究，发现土工布夹层设置在路面联结层中部时，对反射裂缝的延缓效应最为明显.综合以上文献可以看出，目前针对土工布夹层防反射裂缝机理、防反射裂缝试验评价方法及其现场应用效果的研究较多，而针对土工布夹层防反射裂缝性能影响因素的研究则较少涉及.

通过制备带切缝的复合梁试件模拟旧沥青路面加铺结构，采用动态加载试验方法，比较了土工布夹层设置前后复合梁的抗反射裂缝性能，并研究了粘层油洒布量、路面服役温度、荷载水平等因素对土工布夹层抗反射裂缝性能的影响规律，为土工布夹层进一步研究和应用提供了参考.

1 试验 1.1 原材料

复合梁试件上下层沥青混合料的矿料均采用陕西产石灰岩，级配分别按JTG F-2004《公路沥青路面施工技术规范》中AC-16型中值和AC-20中值设计，沥青为壳牌A-70号沥青，矿料、沥青各项技术指标均符合规范要求.按马歇尔法进行配合比设计，确定上下层沥青混合料最佳油石比分别为4.8%和4.3%，马歇尔试验结果如表 1所示.聚酯无纺长丝土工布由深圳海川新材料有限公司提供，技术性能见表 2.2种粘层油SBS改性沥青、PC-3乳化沥青技术性能分别见表 3、4.

1.2 试件制备

为模拟实际工程中普通旧沥青路面加铺结构，采用“沥青下层+乳化沥青+沥青上层”的组合形式制备试件，作为参考组.为模拟铺设土工布夹层的加铺结构，采用“沥青下层+土工布夹层+沥青上层”的组合形式制备试件，作为试验组.试件具体制备流程如下.

1) 制备300 mm×300 mm×50 mm的AC-20混合料车辙板，待混合料强度形成，在车辙板试件表面均匀涂抹粘层油，并将裁剪好的土工布平整地铺于试件表面，并使用轮碾仪往返碾压5次，以模拟现场施工碾压工序.

2) 将试件放于10 cm厚的车辙模具中，装填AC-16混合料并压实.试验组层间所用粘层油SBS改性沥青洒布量分别为0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 kg/m².成型好的复合车辙板如图 1(a)所示.

3) 参考组制作双层车辙板时无需铺设土工布，层间粘结所用乳化沥青洒布量为0.4 kg/m².

4) 将制作好的车辙板切割为250 mm×50 mm×50 mm的复合梁试件，上层混合料和下层混合料高度分别为25 mm.最后为模拟旧路面带有初始裂缝，在复合梁底部中间位置切割高度为5 mm、宽度为3 mm的缝隙.带有预切缝的复合梁试件如图 1(b)所示.

1.3 测试方法

为模拟车辆荷载诱发的反射裂缝在路面加铺层中的扩展过程，应用MTS液压伺服试验机，对复合梁试件施加频率为10 Hz的动态正弦荷载，原理如图 2所示.

试验中为保证加载压头与试件始终接触，避免出现冲击荷载，动态荷载的最小值设为0.01 kN.动态荷载最大值分别设置为0.10、0.15和0.20 kN，以研究应力级别的大小对土工布夹层防反射裂缝性能的影响.带有切口小梁在3点弯曲受力模式下切缝处的应力为^{[12, 13]}

式中：σ_max为切缝尖端应力；σ_norm为名义应力；K_t为应力集中系数；F为动态荷载，L为复合梁跨径，其值为200 mm；B为复合梁宽度，其值为50 mm；h为复合梁高度，其值为50 mm；a为切缝高度，其值为5 mm.名义应力σ_norm是指不考虑应力集中时，小梁在3点弯曲受力模式下跨中梁底的应力值.应力集中系数K_t的取值与切缝的几何尺寸紧密相关，相互关系满足式(2)，且在h/a=10时，m和n的值分别取1.859 04和0.476 92^[12].

综合式(1)、(2)，本研究中复合梁切缝处的应力与施加荷载F的数值关系式为

由式(3)可知动态荷载最大值设定为0.10 kN时计算得到切缝处的应力为0.978 MPa.

根据文献^[14]的研究结论，含裂缝的旧沥青路面加铺10 cm厚沥青层后，标准车载0.7 MPa轴对称作用于路面裂缝位置处时，路面受拉作用最为显著，且最大拉应力出现在裂缝尖端处，其值最高可达到0.5～1 MPa(加铺层模量在1 000~4 000 MPa).可见本实验中设定的动态荷载幅值作用下复合梁预切缝尖端应力级别与实际路面承受拉应力级别基本吻合.

试验温度分别设定为5 ℃和20 ℃，以模拟低温和常温条件下土工布夹层的温度状况.仪器加载过程可自动记录加载次数，裂缝由下层混合料向上扩展至上层混合料表面时，试件的整体结构遭到破坏，MTS试验机检测的荷载波形幅值迅速降低为0，试验结束.

2 结果与分析 2.1 动态加载试验结果

动态加载试验所得结果汇总如表 5所示.复合梁试件抗反射裂缝能力用承载次数N_f表征，土工布夹层防反射裂缝效应使用提升系数IR表征：

式中：N_ft为试验组试件破坏时所能承载次数；N_fc为参考组试件破坏时所能承载次数.

从表 5中可知，绝大部分试验组的提升系数大于0，最高可达到6.80，说明沥青加铺层中铺设土工布夹层后可显著提升路面整体结构的抗反射裂缝性能.但同时也发现在5 ℃、0.15 kN的试验条件下，粘层油为0.3 kg/m ²的试验组其提升系数小于0.这是因为土工布与沥青混合料的材料属性有较大差别，粘层油用量不合理时土工布夹层与路面结构的粘结性能尚不如普通路面结构层间粘结水平^[15].土工布夹层自身虽然能够延缓裂缝发展，对试件抗反射裂缝性能起到积极作用，但当层间粘结性能较差时夹层防裂作用难以充分发挥，且影响试件受力的整体性，以至于试验组承载次数反而小于对应试验条件下参考组的承载次数.

2.2 粘层油洒布量的影响

为说明土工布夹层粘层油用量对其抗反射裂缝能力的影响规律，绘制试验组试件承载次数N_ft随粘层油洒布量的变化曲线，如图 3所示.

从图 3中可以看出，在5 ℃和20 ℃试验温度下，N_ft均表现出随粘层油洒布量的增加而先增加后减小的趋势，不同粘层油用量对应的N_ft最大相差可达到5倍之多，并且在洒布量为1.2 kg/m²时N_ft达到峰值.表明粘层油洒布量会显著影响含土工布夹层复合梁抗反射裂缝的能力，为取得较好的抗反射裂缝性能，土工布夹层粘层油用量存在最佳值.

试件承载次数N_ft随粘层油用量的变化表现出图 3的规律是因为：1)浸渍沥青含量影响土工布夹层的力学特性.随着浸渍沥青含量的增加，土工布夹层的强度和刚度均呈现先增加后降低的趋势^[16]，而土工布夹层刚度、强度决定了其产生一定应变时所吸收能量的大小.当粘层油用量增加，土工布夹层浸渍沥青含量增多，其强度和刚度提升，延缓裂缝的效果随之增强.但土工布中浸渍的沥青含量过高时，其强度和刚度会有所降低，延缓裂缝的能力随之降低，试件承载次数N_ft也就相应降低.2)土工布夹层防反射裂缝作用的发挥依赖于其与沥青层间的粘结性能.土工布夹层与沥青层间粘结性能随粘层油用量增加而先提升后降低，土工布夹层防反射裂缝作用发挥程度表现出相同趋势，则试件N_ft的变化曲线表现出图 3的规律.

2.3 温度的影响

为分析温度对土工布夹层防反射裂缝效应的影响，在表 6中比较了不同试验温度下试验组的承载次数N_ft和提升系数IR.由于施工过程粘层油洒布量存在一定变异性，表 6N_ft与IR均为粘层油在5个洒布量下对应值的平均值.

由表 6可知，试验组试件承载次数N_ft受温度影响显著，温度越高试件抗反射裂缝性能越差，试验组N_ft在5 ℃和在20 ℃条件下出现最大程度降幅可高达86 %.这是因为当温度升高时沥青混合料强度迅速降低，抵抗荷载型裂缝发展的能力下降^[17]，以至于试件N_ft随温度升高而迅速降低；另外温度升高后土工布夹层与上下沥青层粘结性能下降，对试件结构整体受力不利，也会造成试件N_ft减少.同时需要指出的是，试件在20 ℃的试验条件下承载次数相比5 ℃下有所降低仅能说明材料的抗裂能力下降，并不代表路面结构在20 ℃下更容易产生反射裂缝，这是因为反射裂缝的产生是由材料的抗裂能力和路面实际承受裂缝尖端应力的大小共同决定的，而温度升高后裂缝尖端应力也会有所降低.

从表 6中还可以看出，各试验组5 ℃试验条件下的IR均小于20 ℃试验条件下的IR，不同温度下IR相差达到2~5倍.表明温度可显著影响土工布防反射裂缝效应，而且相比低温条件，常温条件下土工布夹层的防反射裂缝效应更为明显.这是因为参考组试件N_fc和试验组试件N_ft虽然均随温度升高而降低，但N_ft降低幅度要小于N_fc，由式(4)可以看出，IR大小由N_ft和N_fc和的比值决定，两者比值越大IR则越大.以0.15 kN荷载水平为例，参考组N_fc在20 ℃时仅为5 ℃时的7%，而试验组N_ft在20 ℃时可达到5 ℃时的18%，显然在20 ℃下试验组IR值要更大.N_ft降低幅度小于N_fc的原因在于：沥青混合料属热敏性材料，温度升高后其阻裂性能下降较快；反观土工布夹层，组成土工布的聚酯材料在路面服役温度范围内其抗拉性能受温度波动影响较小，其相比混合料对温度敏感程度要低，温度升高时土工布夹层延缓裂缝的能力降低幅度并不像混合料那么剧烈.

2.4 荷载水平的影响

分别绘制lgN_ft和IR随荷载水平的变化曲线以分析荷载水平对含土工布夹层结构抗反射裂缝能力和土工布防反裂缝效应的影响规律，如图 4、5所示.

从图 4中可以看出，在不同温度下，随着荷载水平的提高，试验组试件lg N_ft均呈显著下降趋势，其原因在于，荷载水平增加后，试件底部裂缝尖端处的拉应力增加，试件在高应力作用下达到裂缝向上传播的临界能量需要较少的作用次数.由此也说明，当车辆超载轴重增加时会显著加快路面中反射裂缝向上传播速度，降低路面的寿命.

从图 5中可知，不同温度下，试验组试件IR随荷载升高均呈现递增的趋势，荷载水平从0.10 kN增加到0.20 kN时，IR最高增加2倍.可见荷载水平是影响土工布防反射裂缝效应的重要因素，且土工布在高荷载水平下的防反射裂缝效应更为明显.究其原因是因为土工布夹层有着良好的应力分散作用，改变了试件对荷载的敏感性，应力水平由低变高时，试验组N_ft的降低速率小于参考组N_fc的降低速率.

3 结论

1) 在绝大部分工况下，试验组试件承载次数远大于参考组试件承载次数，表明沥青加铺层中铺设土工布夹层后可显著提升路面整体结构的抗反射裂缝性能.

2) 随着粘层油洒布量增加，含土工布夹层复合梁试件抗反射裂缝能力呈现先增强后减弱的规律，说明粘层油用量存在最佳值.基于防反射裂缝性能考虑时，施工中土工夹层所用SBS改性沥青粘层油用量建议控制在1.2 kg/m²左右.

3) 当路面服役温度由5 ℃升高为20 ℃时，试件承载次数呈现显著降低趋势，但由于土工夹层抗裂能力受温度升高影响相对较小，使得试验组承载次数的下降程度远小于参考组承载次数的下降程度.同时需要指出的是，相比5 ℃，试件在20 ℃条件下承载次数有所降低仅能说明材料的抗裂能力下降，并不代表路面结构常温下更容易产生反射裂缝，这是因为反射裂缝的产生是由材料的抗裂能力和承受的裂缝尖端应力作用的大小共同决定的.

4) 随着试验设置荷载水平提高，试件裂缝尖端应力随之提高，试件承载次数将不断降低，但由于土工布夹层的存在改变了试件对荷载的敏感性，试验组承载次数的下降程度小于参考组的下降程度.