复合式路面是在水泥混凝土路面上加铺沥青面层之后形成的，其特点是路面整体刚度大与稳定性好^[1-3]。随着这种路面结构形式不断使用，在行车荷载和环境因素的多重作用下，沥青层逐步出现反射裂缝病害，反射裂缝由内部产生扩展至道路表面贯穿，破坏了其整体性与连续性，削弱了路面结构使用寿命，造成道路大面积网裂、渗水、板底脱空等问题^[4-5]。

为预防路面反射裂缝，复合式路面与应力吸收层的结合被广泛应用于路面反射裂缝防治中，其既能有效延缓反射裂缝形成与扩展，也能够加强路面的密水功能^[6-8]。应力吸收层是一种有效防治路面反射裂缝的薄层材料，通过在水泥混凝土接缝处设置中间夹层，分散应力集中现象并有效延缓反射裂缝发展的速度^[9-11]。国内外研究者针对现阶段防反射材料做了大量的试验研究。李汝凯等^[12]通过疲劳加载试验对比了不同中间层材料的路面防反射效能及优势。在断裂力学理论的基础上，学者们研究了复合式路面结构中应力吸收层的力学响应，分析最不利条件下应力吸收复合夹层(Interlayer Stress Absorbing Composite，ISAC)对复合式结构最不利位置的应力扩散情况，并根据强度因子的降低程度，计算出设置ISAC应力吸收层路面结构的修正系数和设计指标，以提升结构抗反射裂缝能力^[13-14]。国外学者早期研究开发的特殊聚合物夹层STRATA应力吸收层，以加载次数为评价指标，研究结果表明，若沥青层等厚条件下，STRATA抵抗反射裂缝的质量效果远优于在水泥基层上直接铺设沥青层^[15-16]。

应力吸收层是抗反射裂缝中使用较为广泛的路面材料，但同时伴随着抗裂性能弱、延性差、服役寿命短、模量低、设计施工相对复杂等缺陷。由于重载条件下复合路面反射裂缝问题愈发严重，具有较好刚度且保持一定延性的应力吸收层材料逐渐成为学者们关注和研究的内容。不同于传统沥青类柔性应力吸收层和土工类夹层，刚性应力吸收层还具有良好的高温稳定性、耐久性、高模量及防反射性能。学者对此提出了一些防反射刚性材料及方法，作为一种高性能纤维增强水泥材料，高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites，ECC)基于微观力学和断裂力学理论进行设计，通过调整胶凝用量、纤维掺量及优化纤维与基质界面结构等方法来增强性能，细密裂缝特征明显，具有较强的拉应变能力和裂缝控制能力。ECC开裂后，荷载不会骤降，而是经历长时间硬化阶段，表面呈现多条细密的裂纹，并保持一定的R-curve特性，延阻裂缝的扩展^[17-20]。研究表明，使用ECC作为桥面和刚性路面修补的覆盖层，能够抑制反射裂缝并大幅延长疲劳寿命^[21-22]，但目前对于刚性材料ECC应力吸收层抗反射裂缝的设计与研究分析仍非常少。

本研究提出了一种新型的ECC防反射材料，通过加载试验分析研究硅灰掺量、纤维掺量对ECC材料基本力学性能及裂缝控制能力的影响规律，以期作为应力吸收层材料的制备与应用可行性。采用动态加载试验方法，通过小型全支撑弯曲试验、全支撑剪切试验和滚动荷载疲劳试验研究，模拟复合式路面实际情况，测试小型复合路面试件在荷载作用下的开裂行为和疲劳寿命，以评估ECC应力吸收层系统的防反效果和有效性，为ECC材料在复合路面反射裂缝防治方面的进一步应用提供了参考。

采用42.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度≥42.5 MPa，抗折强度≥7 MPa，比表面积≥300 m²/kg；Ⅱ级粉煤灰，粒径为5~10 μm；硅灰中SiO₂含量达80%以上，比表面积≥9 000 m²/kg；细骨料为粒径≤2.36 mm的河砂；聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol，PVA)直径为30~50 μm，长度为10~15 mm，长径比≥200，密度为1.0~1.5 g/cm³，抗拉强度≥1 500 MPa，断裂延伸率为4%~8%；采用的聚合物外加剂为高效聚羧酸类减水剂，固体含量为25%~35%。

试验选取相同纤维掺量，硅灰掺量为0%，2%，5%，8%，10%，以及相同硅灰掺量下，不同纤维掺量0%，1%，1.5%，1.8%，2.0%进行性能研究，水胶比为0.262。具体配合比设计如表 1所示。

试块经过养护后，取出试块进行ECC材料立方体抗压强度测试，加载速率为0.2 MPa/s；抗折强度试验采用三点加载的方式，跨距为120 mm，加载速率为0.5 mm/min。根据EEC材料性能试验的结果，不同硅灰掺量对应力吸收层材料抗压性能和抗折强度的影响如图 1所示，不同纤维掺量对应力吸收层材料抗压性能和抗折强度的影响如图 2所示。

图 1 不同硅灰掺量对应力吸收层材料抗压性能和抗折强度的影响 Fig. 1 Influences of different silica fume contents on compressive properties and flexural strength of stress absorbing layer materials

图选项

图 2 不同纤维掺量对应力吸收层材料抗压性能和抗折强度的影响 Fig. 2 Influences of different fiber contents on compressive properties and flexural strength of stress absorbing layer materials

图选项

由图 1可见，随着硅灰掺量的增大，抗压强度显著提高，硅灰掺量为5%时，其抗折强度达到13 MPa以上。图 2结果表明，在各试验组抗压强度保持在相近水平情况下，当PVA纤维掺量为2.0%时，其抗折强度提升达到137.7%，远高于不掺纤维的ECC混凝土材料。

将ECC材料的基本力学性能及裂缝控制能力作为选择应力吸收层材料的制备与应用的关键参考。当硅灰掺量为5%，纤维掺量为2%时，ECC材料既能保持较强的抗压承载能力，还能大幅增强其抗弯拉性能和抗裂性能。ECC材料的裂缝控制效果显著，其表面出现多为细微裂缝，裂缝宽度和裂缝间距有效减少。故选择H3试验组配合比来制作不同厚度的应力吸收层，以ECC材料为基体，以厚度变量为参数，通过小型全支撑弯曲试验、全支撑剪切试验和滚动荷载疲劳试验来评估这种新型应力吸收层材料的防反射效能。

为分析纤维掺量对ECC应力吸收层抗反射裂缝性能的影响，本研究还增加了具有代表性的ECC配合比T2和T3试验组制作的应力吸收层，通过疲劳试验对其复合式路面试件进行进一步分析，探讨ECC应力吸收层最合理有效的厚度设置范围与纤维掺量配比设计。

复合式路面试件主要包括AC-13沥青混合料面层、ECC应力吸收层及普通水泥混凝土底层，试件示意图如图 3所示。

图 3 复合路面组合试件(单位：mm) Fig. 3 Composite pavement specimen (unit: mm)

图选项

复合式路面试件面层为厚度50 mm的AC-13沥青混合料。参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004), 原材料采用改性乳化沥青，最佳油石比为4.9%，空隙率为3%；细集料选用辉绿岩，级配碎石最大粒径为13.2 mm，具体细集料级配设计如表 2所示。本次研究使用的矿粉掺量为2%，比表面积为400 m²/kg。此外，本次面层材料加入1%的水泥，与传统的沥青混合料相比，制作的沥青面层疲劳寿命有效延长，抗车辙性能更强，变形量更小。

将称量好的骨料和乳化沥青放在温度为165 ℃的烘箱内进行加热，然后把烘干的级配碎石搅拌90 s，再加入水泥粉和矿粉搅拌均匀，最后倒入沥青搅拌30 s得到沥青混合料；将混合料装入300 mm×300 mm×50 mm的钢模具中，使用动态轮碾机进行碾压成型。成型过程: 首先把沥青试件放置在轮碾机平台上，放下碾压头施加荷载9 kN；先在一个方向碾压2个往返，卸荷调转方向，再碾压往返12次至所需厚度；放置48 h冷却成型后脱模，将沥青试块切割成试验所需的300 mm×100 mm×50 mm沥青面层试件。

底层由C40普通水泥混凝土制作，将拌制完成的混凝土装入尺寸为300 mm×100 mm×50 mm的定制模具中。模具中间采用厚度为10 mm的木板隔开，模拟混凝土板中间缝，28 d养护后，形成两侧均为145 mm×100 mm×50 mm的试块作为小型复合式路面试件底层。

根据1.3节试验结果分析ECC强度性能后选出的配合比制作应力吸收层，称取相应份量的原材料。将水泥、硅灰、粉煤灰、河砂倒入罐内搅拌2 min，然后添加水与外加剂的溶解液搅拌10 min(慢速2 min，快速8 min)，最后均匀洒入聚乙烯醇纤维混合搅拌4 min。

把ECC混凝土装入平板模具中浇注厚度为5，10，15 mm的应力吸收层薄板，通过采用湿润后塑料薄膜覆盖的方法养护至28 d，形成用于弯曲试验、剪切试验和滚动疲劳荷载试验的应力吸收层试件，尺寸分别为300 mm×100 mm×5 mm，300 mm×100 mm×10 mm，300 mm×100 mm×15 mm。

ECC材料具有的阻力特性，主要指裂缝扩展过程中，随着裂缝长度与混凝土强度性能的增加，裂缝扩展阻力快速增大，断裂韧性也有效提高，混凝土材料表现出断裂增韧现象，使得裂缝在ECC层内扩展受到“限制”，进而延缓了反射裂缝贯穿的速度。当应力强度因子曲线位于裂缝扩展阻力曲线下方时，材料内部裂缝稳定发展^[23-24]。同时，掺入的PVA纤维具有分散性能和界面黏接性能，一定程度内可以提高水泥基复合材料的抗折性能和裂缝控制性能，在作为路面中间层方面能够发挥加筋作用和应力吸收作用的优势^[25-27]。

根据2.1节将已制作好的上、中、下层材料进行组装，为了研究ECC作为应力吸收层系统的防反射性能，针对每系列的试验制备了6组不同的复合路面试件(见表 3)。对每组复合样品类型制作并测试3个试件，以其平均值作为结果分析。试验温度为(25±3)℃，评价指标为不同时间高速摄像水平拉伸应变图比对、滚动疲劳加载次数及反射裂缝对应的扩展情况。

首先，将沥青混合料面层、ECC应力吸收层和普通混凝土底层试块进行预热15~20 min，然后取出后进行黏结。其中，上层沥青与中间层ECC采用高黏乳化沥青洒布连接，洒布量为0.8 kg/m²，而中间层ECC与下层普通混凝土之间使用环氧聚合物作为黏结层，且黏结方式为不完全黏结。普通混凝土中间接缝位置约有100 mm长度预留不黏结，目的是为了ECC材料更好地进行应力吸收和变形。最后，上、中、下层黏结后放置在平台上，在其组合试件顶部施加10 kg的负载，使得层间黏附更完全, 形成复合式路面试件。

采用万能试验机对各组试块进行小型全支撑弯曲试验，试验模型如图 4所示。以1.0 mm/min的速率在试件中心顶部施加荷载，加载压头面积为100 mm×30 mm。并采用数字图像相关技术进行高速摄像，拍摄频率为0.2 s/次。从开始加载出现反射裂缝，至反射裂缝贯穿整个沥青层后结束，通过试件中部图像来测量其应变，比较不同时刻反射裂缝的扩展模式及应力情况。加载过程中复合式路面试件底部设有30 mm橡胶垫及18 mm钢板底座以模拟路基实况。

图 4 全支撑弯曲试验模型 Fig. 4 Full-support bending test model

图选项

根据高速摄像设备拍摄图像分析获得各组应变分布情况，3个时间点分别为t₁=150 s，t₂=280 s，t₃=400 s。当t₁=150 s时，未设置应力吸收层试件的沥青面层出现较大应变，而设置ECC应力吸收层(5，10，15 mm)的试件在这一阶段应变较小。在t₃=400 s时，未设置应力吸收层试件与设置5 mm应力吸收层试件的水平拉伸应变最大，其反射裂缝已扩展至面层顶部。其次为10 mm应力吸收层试件，15 mm的ECC应力吸收层通过其多裂缝细微开裂特性将应变分布到更广的区域，使其上部沥青层的应变最小，展现出的抗反射裂缝效果更显著。相比其他试验组，铺设15 mm的ECC层的试件(G6组)具有较高的弯曲应力，在裂缝贯穿破坏时应力约为5.4 MPa，比未设置应力吸收层的试件提升30%以上。

采用与弯曲试验相似的测试方式，采用相同的压头和加载速率对复合式路面试件进行防反射效能测试，并采用DIC技术配合加载试验。与弯曲试验不同的是，小型全支撑剪切试验更好地模拟了在车辆重载作用下，混凝土接缝处底部路基一侧承载良好，另一侧受荷竖向变形大的工况。故本试验中普通混凝土板底部的垫层由全长橡胶板调整为1/2长度布置的钢板和1/2长度橡胶板，使加载过程中产生剪切应力，试验模型如图 5所示。

图 5 全支撑剪切试验模型 Fig. 5 Full-support shear test model

图选项

加载过程中分析试件不同时刻(t₁=120 s，t₂=200 s，t₃=360 s)的水平拉伸应变分布。当t₁=120 s时，不设置应力吸收层的对照组(G1组)已产生明显裂纹，其余试验组沥青面层仅有微裂纹与较小应变；当t₃=360 s时，对照组的反射裂缝扩展情况是单条裂缝由下往上贯穿沥青层，而另外3组试件在有ECC应力吸收层的作用下，将应变分布到更广的区域，开裂模式是由多条裂纹从底部产生，延伸过程中逐渐连接在一起，减少出现宏观反射裂缝。结果表明，ECC应力吸收层厚度对反射裂缝扩展有延缓效果，随着厚度从0增加至15 mm，其反射裂缝的扩展速度有所降低，沥青层水平方向应变减小。

在间接剪切过程中，试件两侧的竖向位移较大，厚度为5 mm和10 mm的应力吸收层由于剪切开裂出现较大变形与裂纹。而15 mm的ECC应力吸收层有弯曲变形但无明显裂纹，其抗剪切变形能力较好，受荷不易失效，对后期减少应力集中和延缓反射裂缝效果更突出。15 mm的ECC材料将应变分散到周围更广的区域，铺设该厚度的ECC应力吸收层能够更好地保持有效性和工作性能。

滚动荷载疲劳试验模拟连续行车荷载作用下连续受力，反射裂缝产生及扩展至断裂过程，更加符合现场路面实际受力过程。试验设备为沥青混合料车辙试验机，滚动橡胶轮宽度为50 mm，设备运行时胶轮对试件施加荷载为(0.70±0.05) MPa，滚动距离为(230±10) mm，速率为21次/min，其中往返计为1次。

通过以滚动加载次数作为应力吸收层防反射效能的评价指标，在试件经历剪切-弯拉-剪切循环加载过程中，记录其出现反射裂缝时的次数、裂缝扩展贯穿时的加载次数，对比不同应力吸收层延缓反射裂缝的效果，为实际工程提供有力参考。滚动加载过程中，试件底部设有橡胶垫板，放置于车辙仪钢板平台上模拟路基层，试验模型设置如图 6所示。根据滚动荷载试验进行记录分析，通过不同试验组滚动疲劳加载次数反映应力吸收层在滚动荷载作用下延缓反射裂缝扩展的能力。

图 6 滚动荷载疲劳试验模型 Fig. 6 Rolling load fatigue test model

图选项

不同厚度应力吸收层试件的滚动加载次数如图 7所示。对于相同的滚动荷载循环加载，未设置应力吸收层的对照组试件在不同阶段的疲劳加载次数最少，沥青层疲劳寿命最短。与不设应力吸收层的对照试验组相比，加铺了纤维掺量均为2%，厚度分别为5，10，15 mm的ECC应力吸收层试验组疲劳寿命明显增加。其中，在防治反射裂缝产生阶段，疲劳加载次数分别提高了120%，403%，829%；在延缓反射裂缝产生至断裂阶段，分别提高了156%，638%，1 463%；在反射裂缝贯穿断裂阶段，疲劳加载次数分别提高了140%，537%，1 189%。结果表明，厚度为15 mm的应力吸收层防反射性能最优，10 mm应力吸收层次之，厚度较小的5 mm应力吸收层有一定防反射效果，但其太薄导致受荷过程中容易断裂，且对混凝土板接缝处应力集中分散效果不显著。因此，ECC应力吸收层抑制反射裂缝扩展的性能与其厚度相关，在不影响路面设计标高和沥青层厚度的情况下，ECC应力吸收层设置为15 mm是有效防治反射裂缝的合理厚度。

图 7 不同厚度应力吸收层试件的滚动加载次数 Fig. 7 Rolling loading times of stress absorbing layer specimens with different thicknesses

图选项

不同纤维掺量应力吸收层试件的滚动加载次数如图 8所示。图中反映了不同纤维掺量、相同厚度的ECC应力吸收层的试验组与对照组相比，其防反射效能的提高程度存在一定差距。其中，疲劳加载次数在防治反射裂缝产生阶段分别提高了408%，675%，829%；在裂缝扩展阶段分别提高了574%，946%，1 463%；在断裂阶段疲劳加载次数分别提高了502%，830%，1 190%。结果表明，不设置ECC应力吸收层时裂缝扩展速度最快。纤维掺量为2.0%的ECC应力吸收层对反射裂缝延缓效果比掺量为1.5%和1.0%的应力吸收层更佳。纤维掺量为2.0%ECC应力吸收层材料自身具有较强的延性和抗折性能，而后者脆性和耐久性相对较差，滚动试验加载后期观察到部分吸收层出现断裂。

图 8 不同纤维掺量应力吸收层试件的滚动加载次数 Fig. 8 Rolling loading times of stress absorbing layer specimens with different fiber contents

图选项

从延缓反射裂缝扩展的角度来看，PVA纤维掺量影响着应力吸收层的防反射性能，这说明纤维的掺入对ECC材料产生加筋作用和应力吸收作用，从而使其抗裂性能和抗反射裂缝的性能增强，有利于提高复合式路面的疲劳寿命。

此外，在滚动荷载试验中发现，不同厚度和纤维变量的ECC应力吸收层对组合结构车辙动稳定度均有影响。改性沥青也具有较高的弹性恢复能力，应力吸收层与改性沥青混合料的结合对路面结构抗车辙性能起到进一步的加强作用。通过分析试验获得沥青混合料的动稳定度数据，如图 9所示。

图 9 各组试件沥青混合料的动稳定度 Fig. 9 Dynamic stability for each group of asphalt mixture specimen

图选项

由图 9可知，在滚轮荷载作用下，加铺ECC应力吸收层可以有效减缓沥青混合料的变形，增强复合式路面沥青面层的抗车辙性能。与不设置ECC应力吸收层的试件相比，加铺了应力吸收层时组合结构车辙动稳定度分别提升了20.8%，39.3%，50.9%，48.0%，63.8%。由此可得，设置ECC应力吸收层是提高沥青混合料稳定度的有效方法，15 mm的ECC应力吸收层对加强路面结构抗车辙性能更加显著，实现对复合式路面抗车辙性能和防治反射裂缝性能的综合提高。

本研究提出采用ECC材料作为复合式路面的防反应力吸收层，利用ECC材料较高的抗裂能力和应力吸收能力来解决复合式路面开裂的问题。结合理论基础与试验分析2个方面对路面应力吸收层的抗反射裂缝性能进行了较详细的研究。

(1) 在复合式路面中铺设ECC应力吸收层能大幅提高结构的疲劳寿命，有效延缓反射裂缝的产生和扩展，并进一步加强路面结构的抗车辙性能。故在路面实体工程中，设置ECC应力吸收层具有很大的实用性和创新性。

(2) 在连续荷载作用下，ECC防反性能提升幅度受厚度变化影响。结果表明，当ECC应力吸收层的合理厚度设置为15 mm时，其防治反射裂缝的性能优于厚度5 mm和10 mm的应力吸收层，且与不设置应力吸收层相比，路面结构疲劳寿命增加达10倍以上。

(3) 在一定体积掺量范围内，ECC应力吸收层的纤维掺量越大，其抗裂性能和防治反射裂缝性能越强，二者不成比例但具有相关性，纤维掺量是保证ECC应力吸收层延缓反射裂缝的重要组份。

(4) 根据本试验研究的结果证明了ECC材料作为应力吸收层防治反射裂缝的可行性和巨大应用前景。本研究为室内加载试验，与实际工况环境存在部分差别，后期将进行实体工程试验路段验证及ECC应力吸收层长期测试评估。