兩種土工合成材料加筋瀝青混凝土路面耐久性對(duì)比分析

何勇海

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050001)

0 引言

瀝青路面在車(chē)輛荷載和環(huán)境自然因素的作用下，瀝青混合料的物理、力學(xué)性能受氣候和時(shí)間因素的影響而逐漸衰減，當(dāng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性不足時(shí)，易產(chǎn)生裂縫、車(chē)轍等路面病害［1-4］?；谕凉ず铣刹牧暇哂姓w性強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好、耐久性好等優(yōu)良的物理力學(xué)特點(diǎn)，與瀝青混合料形成瀝青混凝土面層加筋結(jié)構(gòu)后，提高了瀝青混凝土路面的疲勞壽命、抗反射裂縫和抗高溫車(chē)轍能力等，成為瀝青路面路用技術(shù)性能改善的一個(gè)有效途徑［5-7］。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)研究了玻纖格柵和聚酯玻纖布提高瀝青路面低溫抗裂性、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能。

1 原材料

試驗(yàn)采用了無(wú)加筋層、中間加鋪兩種不同剛度的玻纖土工格柵或加鋪聚酯玻纖布進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

玻纖土工格柵包括TGS－B 20－20(縱橫向抗拉強(qiáng)度分別為20 kN/m，斷裂延伸率≤3%)和TGS－B 50－50(縱橫向抗拉強(qiáng)度分別為50 kN/m，斷裂延伸率≤3%)兩種規(guī)格。聚酯玻纖布的性能指標(biāo)如下:單位質(zhì)量為125～155 g/m2，抗拉強(qiáng)度為8 kN/m2，聚酯纖維含量為20% ～40%，無(wú)堿玻纖含量為50% ～70%，粘結(jié)劑含量為0～30%，厚度為≤1.2 mm，熔點(diǎn)為230℃。

2 試驗(yàn)方案

2.1 低溫抗裂試驗(yàn)

試驗(yàn)上層為AC-13、下層為AC-20兩種瀝青混合料級(jí)配，作為對(duì)比設(shè)置普通瀝青混合料、高強(qiáng)度玻纖格柵復(fù)合瀝青混合料、低強(qiáng)度玻纖格柵復(fù)合瀝青混合料及聚酯玻纖布復(fù)合瀝青混合料四種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》先碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm車(chē)轍板，為了符合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，先制做一個(gè)車(chē)轍板試件而后在其上鋪設(shè)土工合成材料，再在其上制作車(chē)轍板(如圖1)。車(chē)轍板成型完成后，隔日脫模，在切割機(jī)上切割成250 mm×35 mm×30 mm小梁試件，切割時(shí)使得土工材料位于車(chē)轍板中部。每塊車(chē)轍板切割6個(gè)小梁作為平行試件，試驗(yàn)采用儀器為WDW-1020微控電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為－10℃，加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄。利用小梁低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)加筋路面的低溫抗裂性能。

圖1 四種結(jié)構(gòu)形式試件制作過(guò)程

2.2 抗高溫車(chē)轍試驗(yàn)

瀝青路面應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性，確保高溫時(shí)期仍具有足夠的強(qiáng)度和剛度。利用車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性能。試驗(yàn)仍采用上層為AC-13、下層為AC-20材料，試樣尺寸為300 mm×300 mm×100 mm車(chē)轍板，試樣制備方法同小梁彎曲試驗(yàn)相同，試驗(yàn)分4組進(jìn)行，每組有3個(gè)平行試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用HYCZ-5A雙輪自動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)儀，試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄。試驗(yàn)通過(guò)板塊狀試件與車(chē)輪之間的反復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使試件在車(chē)輪的重復(fù)荷載作用下，在規(guī)定的溫度條件下，產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動(dòng)而形成轍槽，以轍槽的深度RD(mm)和動(dòng)穩(wěn)定度DS(每產(chǎn)生1 mm轍槽所需碾壓次數(shù))來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動(dòng)變形的能力。

2.3 抗疲勞性能試驗(yàn)

試樣上層采用AC-13，下層為AC-20，分別制做兩塊車(chē)轍板，土工織物夾在兩層之間，試樣制備過(guò)程如圖1所示。試樣脫模后利用切割機(jī)將試樣切割成250 mm×40 mm×40 mm小梁。每個(gè)車(chē)轍板切割成6個(gè)小梁。試驗(yàn)機(jī)采用LDMT-25微機(jī)控制瀝青混合料動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 低溫抗裂試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其評(píng)價(jià)指標(biāo)有抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時(shí)的梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖及破壞時(shí)的彎曲勁度模量SB。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出:

(1)各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型小梁的彎拉強(qiáng)度指標(biāo):3#＞4#＞1#＞2#;彎拉應(yīng)變指標(biāo):3#＞4#＞1#＞2#;勁度模量指標(biāo):2#＞3#＞1#＞4#。加入高強(qiáng)度玻纖格柵及聚酯玻纖布后試件抗彎拉強(qiáng)度及彎拉應(yīng)變均提高，只有聚酯玻纖布彎曲勁度模量減小。加入低強(qiáng)度格柵彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變均減小而勁度模量增大，原因可能是由于加入格柵后減小了小梁試件的有效高度，導(dǎo)致低強(qiáng)度格柵所起的增強(qiáng)幅度小于強(qiáng)度下降的幅度。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，3#試樣的彎曲勁度模量較1#試樣增加了6.8%，而4#的彎曲勁度模量比1#試樣減小了6.0%?？梢?jiàn)，在抗低溫裂縫方面聚酯玻纖布比玻纖格柵更好一些。

圖2 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

高強(qiáng)度玻纖土工格柵和聚酯玻纖布加筋瀝青路面材料使抗拉強(qiáng)度提高，主要原因是材料脆性由于土工合成材料的韌性貢獻(xiàn)而得到緩解，土工合成材料鋪設(shè)在瀝青面層中，由于其具有較強(qiáng)的拉應(yīng)力，提高了面層內(nèi)的橫向拉伸強(qiáng)度，當(dāng)試件底部拉應(yīng)力超過(guò)瀝青混凝土拉伸強(qiáng)度后瀝青底層出現(xiàn)裂縫，裂縫延伸到土工合成材料處時(shí)，由于土工合成材料的存在改變了裂縫尖端的受力狀況，使得應(yīng)力集中得到分散，限制了裂縫的擴(kuò)展。說(shuō)明土工合成材料加筋路面具有良好的韌性，即具有良好的低溫抗裂能力。聚酯玻纖布加緊效果在低溫條件下效果更好，其勁度模量得到明顯降低。

3.2 抗高溫車(chē)轍試驗(yàn)

高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

圖3 復(fù)合瀝青路面結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

(1)路面中加入土工合成材料后，車(chē)轍深度大小依次為2#＞1#＞4#＞3#，動(dòng)穩(wěn)定度大小依次為3#＞4#＞2#＞1#。因此，加入高強(qiáng)度玻纖格柵或聚酯玻纖布后可明顯減小車(chē)轍深度，增大其動(dòng)穩(wěn)定度。

(2)采用一定強(qiáng)度玻纖格柵加筋瀝青混凝土可顯著提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。加入玻纖格柵后，格柵與瀝青混合料由于網(wǎng)孔的作用而相互嵌鎖，限制了集料的移動(dòng)，抑制了塑性變形的累積，從而保持礦質(zhì)骨架的穩(wěn)定。而聚酯玻纖布降低了面層與基層之間的結(jié)合力，與瀝青混合料的整體性結(jié)合弱于玻纖格柵。

3.3 抗疲勞性能試驗(yàn)

試件破壞后如圖4所示。

圖4 瀝青試樣抗疲勞破壞圖

根據(jù)疲勞理論，在應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)中，應(yīng)力與疲勞壽命成雙對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，疲勞方程表達(dá)形式為

式中，Nf為試件破壞時(shí)加載次數(shù);σ為彎曲應(yīng)力;a、b為試驗(yàn)所確定參數(shù)。瀝青混合料疲勞方程中的參數(shù)a、b分別具有不同的意義。a值反映了疲勞曲線(xiàn)線(xiàn)位的高低，a值越大，疲勞曲線(xiàn)線(xiàn)位越高，混合料疲勞性能越好。b值反映了疲勞壽命對(duì)荷載在水平上的敏感性，b值越大，疲勞曲線(xiàn)斜率越大，疲勞壽命對(duì)于荷載水平的變化越敏感。

4種類(lèi)型疲勞方程匯總結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 4種結(jié)構(gòu)類(lèi)型疲勞方程

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)應(yīng)力水平和疲勞壽命兩者之間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下滿(mǎn)足良好的線(xiàn)性關(guān)系。根據(jù)a值的大小得出疲勞性能好壞的順序:3#＞4#＞2#＞1#，根據(jù)b值的大小得到疲勞壽命對(duì)荷載的敏感性程度:3#＞4#＞2#＞1#。由表1可知，玻纖格柵和聚酯玻纖布在各應(yīng)力水平下均能提高瀝青混合料的疲勞破壞壽命。

(2)瀝青路面材料表面層的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，而在荷載作用處面層底部所受的拉應(yīng)力較表面拉應(yīng)力大的多，因此在荷載重復(fù)作用下路面裂縫在面層底面開(kāi)始發(fā)生。在加入土工合成材料后，試件底層向上發(fā)展的裂縫在土工合成材料層位處變?yōu)樵谒椒较蛏习l(fā)展，這說(shuō)明土工合成材料可以有效的阻止裂縫向上發(fā)展的趨勢(shì)，從而減緩了疲勞破壞的速度。

4 結(jié)論

通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)、高溫車(chē)轍試驗(yàn)和小梁疲勞試驗(yàn)對(duì)玻纖格柵復(fù)合瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下:

(1)高強(qiáng)度玻纖格柵加筋與聚酯玻纖布均能提高瀝青路面低溫抗裂性，聚酯玻纖布效果會(huì)好些。

(2)采用一定強(qiáng)度的玻纖格柵加筋瀝青混凝土可顯著提高瀝青路面的抗車(chē)轍能力。

(3)高強(qiáng)度玻纖格柵和聚酯玻纖布均能提高瀝青混合料的疲勞破壞壽命，低強(qiáng)度玻纖格柵效果不明顯。

［1］于炳炎，曹玉玲，李向國(guó).路面長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)的時(shí)序分析模型［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，12(4):66-68.

［2］柳朝印.河北保津高速公路路面病害治理及罩面工程淺析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(2):100-102.

［3］郝利生.玻璃纖維土工格柵在高速公路路面工程中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2005(4):36-37.

［4］蘇凱，孫立軍，石鴻.河北保津高速公路路面病害治理及罩面工程淺析［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20(1):1-5.

［5］肖永亮.玻纖格柵提高瀝青路面技術(shù)性能的研究［D］.北京:北京建筑工程學(xué)院環(huán)境與能源工程學(xué)院，2008.

［6］孫蔚.國(guó)產(chǎn)玻纖格柵加筋瀝青路面抗車(chē)轍性能研究［D］.南京:東南大學(xué)交通學(xué)院，1999.

［7］楊廣慶，隋傳毅.土工格柵與土體界面摩擦特性試驗(yàn)研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，23(2):46-52.