道路抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的應(yīng)用分析

文/馬東雄、孫輝

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國居民汽車保有量的不斷提升，對(duì)道路的需求量及其質(zhì)量要求越來越高。我國很多早期修建的道路路面多數(shù)為水泥混凝土路面，長時(shí)間使用后路面會(huì)出現(xiàn)裂縫。目前，道路施工中普遍是在原有水泥路面的基礎(chǔ)上使用瀝青集料進(jìn)行鋪設(shè)，但是瀝青路面在長時(shí)間使用過程中逐漸暴露出一些問題，比如高溫環(huán)境下容易出現(xiàn)車轍、低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)裂紋等。這些問題的存在不僅降低了道路路面的使用壽命，還對(duì)路面行車安全構(gòu)成了一定威脅。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在“白改黑”道路路面施工中，在原有路面裂縫部位使用抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層，能顯著改善瀝青路面的性能，提升路面的使用壽命以及行車安全性。本文介紹了道路抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的原理及其應(yīng)用情況，對(duì)于保障瀝青路面施工質(zhì)量具有重要的工程實(shí)踐意義。

2 抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的原理

2.1 降低反射裂縫并推遲疲勞破壞

“白改黑”瀝青路面由于原有路面存在裂縫，經(jīng)長時(shí)間使用后不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同的裂縫，按照裂縫方向可以分為兩種類型：縱向裂縫和橫向裂縫?？v向裂縫主要是車輛載荷過大，導(dǎo)致路面承受過大的剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的；橫向裂縫主要是路面溫度變化導(dǎo)致半剛性基層在水平方向出現(xiàn)位移而產(chǎn)生的。瀝青路面水平方向出現(xiàn)位移使得瀝青加鋪層在部分區(qū)域產(chǎn)生顯著的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力區(qū)域通常在裂縫上側(cè)。剪切位移使得瀝青加鋪層在某些區(qū)域出現(xiàn)顯著的拉彎應(yīng)力，此區(qū)域通常位于接縫的上側(cè)。在瀝青路面施工中，在原有水泥混凝土路面裂縫部位使用抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層可以有效降低反射裂縫出現(xiàn)的概率。因?yàn)橥凉じ駯诺膹椥阅Ａ客ǔＯ鄬?duì)較大，先鋪設(shè)土工格柵再進(jìn)行瀝青混凝土路面鋪設(shè)，能顯著提升瀝青路面的整體結(jié)構(gòu)性能，其抗剪性能和抗拉性能均得到顯著提高。同時(shí)，可將裂縫部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行疏散，將其傳遞到其他端部，甚至將應(yīng)力完全消除，從而制約反射裂縫的擴(kuò)展。

一般而言，瀝青路面行駛的車輛類型非常復(fù)雜。被車輪壓過的路面區(qū)域必然會(huì)承受非常大的方向向下的壓應(yīng)力作用。相反的，未被車輪壓過的區(qū)域通常會(huì)承受對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力。這兩種力存在方向差異，對(duì)應(yīng)兩塊區(qū)域交界的部位會(huì)出現(xiàn)顯著的力的突變，且這種力的變化呈現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)。所以，道路路面容易出現(xiàn)疲勞損傷，最終導(dǎo)致路面開裂的問題。在生產(chǎn)制作土工格柵時(shí)，通常會(huì)在內(nèi)部添加玻璃纖維或鋼纖維，從而保證土工格柵的延伸性能。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，土工格柵的本構(gòu)關(guān)系幾乎呈一條豎線，表明隨著拉應(yīng)力的增加，土工格柵的應(yīng)變量非常小，意味著土工格柵的抗應(yīng)變性能非常好。在道路路面鋪設(shè)中，在車輪碾壓區(qū)域添加土工格柵能極大地提升對(duì)對(duì)應(yīng)區(qū)域路面的抗彎性能，當(dāng)路面載荷相對(duì)較大時(shí)不至于出現(xiàn)明顯的彎沉。另一方面，土工格柵還可以使路面中出現(xiàn)的拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力更加分散，避免出現(xiàn)力的突變的問題，從而有效推遲疲勞破壞問題的出現(xiàn)。

2.2 耐高溫車轍和低溫收縮裂紋

瀝青材料在高溫條件下會(huì)變軟，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的流變性特征。因此在夏季高溫氣候條件下，道路上行駛的汽車會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)流動(dòng)和變形，并且瀝青集料沒有其他物體對(duì)其流動(dòng)和變形情況進(jìn)行限制，所以被車輪碾壓過的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的凹陷，凹陷區(qū)的瀝青集料會(huì)向車輪兩側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致兩側(cè)區(qū)域出現(xiàn)明顯凸起。這種瀝青集料的流動(dòng)現(xiàn)象是不可逆轉(zhuǎn)的，時(shí)間長久后車輪碾壓區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的車轍。瀝青路面施工中使用的抗裂土工格柵通常為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在瀝青路面鋪設(shè)此結(jié)構(gòu)后，一旦瀝青集料出現(xiàn)橫向流動(dòng)，會(huì)在土工格柵上面形成復(fù)合力學(xué)嵌索體系。此力學(xué)體系的形成可以對(duì)瀝青集料的流動(dòng)過程進(jìn)行限制，降低其流動(dòng)程度，防止車輪碾壓區(qū)域的瀝青集料向兩側(cè)區(qū)域流動(dòng)，同時(shí)增加車輪區(qū)域的壓實(shí)度。所以通過使用抗裂土工格柵能顯著提升瀝青路面的耐高溫車轍性能[1]。

受到熱脹冷縮效應(yīng)的影響，瀝青路面結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下體積會(huì)產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致路面出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，張拉應(yīng)力超過了瀝青路面的抗拉強(qiáng)度后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋。再加上車輛載荷的作用。使裂紋不斷地向橫向和縱向方向發(fā)展，最終導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)不可挽回的損壞。通過使用抗裂土工格柵。能在很大程度上提升瀝青路面的抗拉性能，防止路面在寒冷環(huán)境下出現(xiàn)裂縫的問題，另一方面，即便瀝青路面已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫，也能在很大程度上減緩裂縫的擴(kuò)展。所以抗裂土工格柵能起到抵抗低溫收縮裂紋的作用。

3 抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的特點(diǎn)

已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，道路路面施工中在原有路面裂縫部位以及車輪碾壓區(qū)域使用抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層，能起到非常好的效果。其特點(diǎn)和優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，通常道路的板塊接縫部位特別容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，土工格柵可以有效降低此部位的應(yīng)力集中值，改善此部位的受力條件。第二，瀝青路面不管在高溫還是低溫環(huán)境下都容易出現(xiàn)問題，使用土工格柵應(yīng)力吸收層則可以顯著提升瀝青路面在高溫和低溫環(huán)境下的各項(xiàng)性能，出現(xiàn)車轍和裂紋的概率大大降低。第三，可以在一定程度上提升瀝青路面的防水性能，防止過多雨水滲透路基中，對(duì)路基性能造成不良影響，從而提升路面整體的穩(wěn)定性和可靠性。第四，抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的施工過程簡單方便，無須特殊的施工器具，對(duì)施工環(huán)境的要求也相對(duì)較低，所以整體的施工成本不高。第五，土工格柵類材料通常具有良好的性能，且性能比較穩(wěn)定，外部環(huán)境的變化基本不會(huì)對(duì)其物理和力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響。

4 抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層實(shí)踐應(yīng)用

為了對(duì)道路抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本研究中以河北省阜平縣蒼山東路施工工程項(xiàng)目為依托，在其中選取200m 長度的路段作為實(shí)驗(yàn)路段，在此路段中根據(jù)上述的工藝使用土工格柵進(jìn)行鋪設(shè)。為了對(duì)比研究，在相鄰路段同樣設(shè)置200m 的對(duì)比實(shí)驗(yàn)段，此路段使用傳統(tǒng)的SBS 改性瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行鋪設(shè)。其中，實(shí)驗(yàn)組稱為A 組，對(duì)照組稱為B 組，每個(gè)組均設(shè)置5 個(gè)測量點(diǎn)對(duì)其應(yīng)變值進(jìn)行檢測。

本次試驗(yàn)測試工作在冬季運(yùn)行，分別研究了不同溫度、速度以及載荷對(duì)路面變形情況的影響，利用應(yīng)變片檢測了不同工況情況下路面的應(yīng)變值。其中，溫度大小依次為-8℃、-3℃、0℃、3℃，速度大小依次為5km/h、10km/h、20km/h、40km/h，重量載荷依次為139t、10t。通過對(duì)檢測數(shù)據(jù)的整理，可以很好地反映不同工況條件下兩種應(yīng)力吸收層的實(shí)踐應(yīng)用效果，如圖1 和圖2 所示為兩組典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖1 不同速度的結(jié)果對(duì)比

圖2 不同溫度的結(jié)果對(duì)比

從圖中數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著路面行車速度的增加，路面的應(yīng)變值均出現(xiàn)降低的趨勢，隨著環(huán)境溫度的不斷提升，路面應(yīng)變值也出現(xiàn)逐漸提升的趨勢。但是在其他條件均相同的情況下，使用土工格柵類應(yīng)力吸收層，路面應(yīng)變值要比傳統(tǒng)的材料要小很多，但隨著行車速度的不斷增加，兩者之間的差距越來越小。在車輛載荷為10t，行車速度為5km/h 的情況下，土工格柵對(duì)應(yīng)的路面應(yīng)變值要比傳統(tǒng)材料對(duì)應(yīng)的路面應(yīng)變值平均低40%，說明土工格柵在抵抗低溫收縮裂紋方面具有更好的效果?？傮w而言，土工格柵的應(yīng)用效果更加顯著，能更好地改善瀝青路面的穩(wěn)定性和可靠性，防止發(fā)生變形和裂紋問題。

5 實(shí)踐應(yīng)用社會(huì)效益分析

道路路面施工中，在特殊部位，比如原有水泥混凝土路面裂紋和車轍區(qū)域等，使用土工格柵類應(yīng)力吸收層，不僅可以取得很好的效果，其總體投資以及環(huán)保性能也相對(duì)更好。如圖3 所示為SBS 改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)示意圖，由于土工格柵類應(yīng)力吸收層與SBS 改性瀝青混合料施工過程相比較更加簡單便捷，所以可以在一定程度上降低工程總造價(jià)，與傳統(tǒng)的SBS 改性瀝青混合料相比較，其投資成本大約降低10%～15%。在“白改黑”路面施工中，使用土工格柵類應(yīng)力吸收層，可以很好地避免路面出現(xiàn)反射裂紋問題，大大降低了路面后期的維護(hù)和保養(yǎng)成本。從此層面看，抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。另外，在對(duì)老舊路面進(jìn)行重新施工時(shí)，傳統(tǒng)的工藝需要在路面上鋪設(shè)碎石，并用專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行碾壓處理，期間會(huì)產(chǎn)生很大的粉塵和噪聲。使用土工格柵應(yīng)力吸收層進(jìn)行施工時(shí)可以有效規(guī)避以上問題，產(chǎn)生良好的社會(huì)效應(yīng)[2]。

圖3 SBS 改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語

土工格柵類應(yīng)力吸收層是近年來發(fā)展起來的抵抗瀝青路面產(chǎn)生裂紋的新興技術(shù)，雖然此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長，但是在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。通過使用土工格柵能優(yōu)化改善道路路面的受力特征，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。土工格柵的成本不高，施工過程簡單方便，無須特殊的器械裝置，具有非常大的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文通過對(duì)道路抗裂土工格柵類應(yīng)力吸收層的基本工作原理及其應(yīng)用情況進(jìn)行分析，能進(jìn)一步推廣土工格柵在工程實(shí)踐中的應(yīng)用范圍。