土工格室加筋瀝青混凝土阻裂性能研究*

朱云升 蘇天圣 李小偉 王先镕 張振武

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (蘭州德科材料工程有限公司2) 蘭州 730000)

0 引 言

瀝青路面的面層常因材料本身強(qiáng)度不夠在車輛荷載作用下發(fā)生開裂，是其主要的破損形式[1-2].在道路工程中，采用土工合成材料進(jìn)行加筋來滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性已是一種技術(shù)成熟的手段，其基本應(yīng)用于阻止瀝青面層反射裂縫的產(chǎn)生和進(jìn)一步發(fā)展、提高路面基層的強(qiáng)度、特殊路基的處治、擋土墻加固，以及邊坡防護(hù)等[3-4].土工合成材料設(shè)置在瀝青層間或?yàn)r青層與基層間，較少直接在瀝青層內(nèi)部進(jìn)行加筋，而且這種加固體系需面對層間脫黏的問題[5-6].基于對現(xiàn)有土工合成材料的研究，同時考慮到瀝青混凝土的黏彈性質(zhì)，本研究選擇土工格室對其進(jìn)行加筋，以期形成一種剛度較大、強(qiáng)度較高的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)層，從而提高瀝青路面的承載力和抗變形能力，阻止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，最終提高其使用壽命.

土工格室是由超聲波焊接而成的一種高分子聚合物，其代表性的性質(zhì)是三維蜂窩網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)[7]，這種結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的側(cè)向約束和限制作用，與填料間還會有一定摩阻力，已廣泛應(yīng)用于道路工程的各個領(lǐng)域.Kumawat等[8]用土工格室加筋粉煤灰基層，粉煤灰層的承載力在土工格室加筋后提高了3～4倍.晏長根等[9]將土工格室加筋黃土以此提高其抗剪強(qiáng)度.Li等[10]通過廢舊輪胎和土工格室對路堤邊坡進(jìn)行加固，提高了路堤邊坡的承載力和穩(wěn)定性，減少了不均勻沉降，且有效地增加了附加應(yīng)力的擴(kuò)散角，使得附加應(yīng)力的分布更加均勻.王炳龍等[11]通過土工格室補(bǔ)強(qiáng)路基來整治路基病害.以上眾多研究的結(jié)果都表明利用土工格室加筋可以提高散粒體結(jié)構(gòu)的承載力和抗變形性能，而本研究將格室加筋于瀝青混凝土這種粘結(jié)材料中，其作用機(jī)理是否同樣適用需通過試驗(yàn)驗(yàn)證.

基于此，文中提出了一種新型土工格室加筋瀝青混凝土棱柱體試件成型方法來制作試驗(yàn)所需的試件，通過單軸壓縮試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)來驗(yàn)證格室加筋瀝青混凝土這種黏結(jié)材料的作用機(jī)理和加筋作用，再通過劈裂試驗(yàn)和劈裂疲勞試驗(yàn)，考慮不同溫度條件，對土工格室加筋前后的瀝青混凝土抗裂性能進(jìn)行分析評價(jià).

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 材料基本性質(zhì)

試驗(yàn)瀝青為SBS改性瀝青，粗、細(xì)集料為玄武巖.其性質(zhì)滿足文獻(xiàn)[12]的相關(guān)要求.瀝青混凝土的配合比采用規(guī)范中規(guī)定的AC-13型中級配，最佳瀝青含量為4.4%，毛體積密度為2.491 g/cm3.

試驗(yàn)所用土工格室類型為注塑預(yù)定型聚丙烯(polypropylene，PP)土工格室，其由高強(qiáng)土工格室條帶整體編制而成.格室高度為20 mm，兩節(jié)點(diǎn)間距為60 mm，節(jié)點(diǎn)處采用注塑成型工藝.將土工格室加筋到瀝青混凝土中必須考慮熱拌瀝青混凝土室內(nèi)成型和現(xiàn)場施工的溫度要求，對于SBS改性瀝青，室內(nèi)成型時的壓實(shí)溫度需要達(dá)到150～160 ℃.這對土工格室的耐高溫性能提出了較高的要求，基于此對土工格室原材料進(jìn)行改性.改性后的PP格室條帶的維卡軟化溫度為158.8 ℃，即在158.8 ℃下格室的物理力學(xué)性能不發(fā)生變化，其最大能夠承受165 ℃高溫，但此時格室片會受熱稍微向內(nèi)蜷縮，在土工格室內(nèi)進(jìn)行填料時，格室會整體向內(nèi)收縮，這里的收縮變形很小，且不會隨著溫度降低而恢復(fù)，即在水平方向上給瀝青混凝土施加了一個較小的預(yù)應(yīng)壓力，增強(qiáng)了格室的側(cè)向約束力.25 ℃下PP土工格室節(jié)點(diǎn)及條帶的拉伸性能見表1.

表1 在25 ℃下土工格室的拉伸性能

1.2 試件成型

劈裂試驗(yàn)和劈裂疲勞規(guī)定使用的試件均為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，但標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件只能用小尺寸土工格室進(jìn)行加筋，對于本研究使用的AC-13級配的瀝青混凝土，小尺寸土工格室包裹不住足夠的瀝青混凝土來形成加筋復(fù)合層，反而會造成較大的結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙，且土工格室的三維立體結(jié)構(gòu)使得加筋試件難以通過擊實(shí)法來成型.所以在參考水泥混凝土試驗(yàn)后，提出了一種新的土工格室加筋瀝青混凝土試件成型方法.

如果在瀝青路面上進(jìn)行土工格室加筋，考慮到現(xiàn)場施工工法，只能將格室鋪設(shè)在路面底部，且不能進(jìn)行路面全厚度加筋.于是試件的加筋方式為：將格室鋪設(shè)在底部一層很薄的瀝青混合料上，然后再加料填滿格室，見圖1a).接下來再通過靜壓法成型尺寸為40 cm×10 cm×10 cm的梁試件，見圖1b)，脫模后再對梁試件進(jìn)行切割得到邊長為10 cm的棱柱體試件，見圖1c).加筋試件切割后可以從側(cè)面很明顯的看到格室條帶.通過CT掃描技術(shù)對多個不同梁試件切割成的無損加筋棱柱體試件進(jìn)行掃描，其結(jié)果見圖1d)，可以看到在切割后一個棱柱體試件內(nèi)部有3個完整的格室單元.

在梁試件成型過程中，除了尺寸不同，成型的步驟均按照一般靜壓法進(jìn)行.

圖1 土工格室加筋瀝青混凝土試件成型過程

1.3 試驗(yàn)條件

單軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為-10，5，20，35和50 ℃，加載速率為50 mm/min；劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為-10，5，15和25 ℃，加載速率為50 mm/min；劈裂疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為5，15和25 ℃，采用應(yīng)力控制的連續(xù)偏正弦加載模式，加載頻率為10 Hz，即一個加載循環(huán)的時間為0.1 s，為加快試驗(yàn)速度，在相鄰波載間不設(shè)置間歇時間，每個溫度條件根據(jù)相應(yīng)溫度下的劈裂荷載選擇0.3，0.4，0.5和0.6四個應(yīng)力比進(jìn)行加載.以上試驗(yàn)均在MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.在每個試驗(yàn)中，每個溫度條件下有4組平行對照試驗(yàn).

在劈裂試驗(yàn)和劈裂疲勞試驗(yàn)中，原有夾具的壓條為圓弧形，為了防止圓弧形壓條與棱柱體試件接觸時產(chǎn)生應(yīng)力集中，將其表面磨平，壓條截面尺寸為100 mm×20 mm.試驗(yàn)加載設(shè)備見圖2.

圖2 試驗(yàn)加載設(shè)備

2 土工格室加筋瀝青混凝土作用機(jī)理

在傳統(tǒng)研究中，土工格室的作用機(jī)理都是針對于類似土等散粒體材料而言的，其主要表現(xiàn)為以下三個方面.

1) 土工格室的側(cè)向約束力 當(dāng)加筋體受到豎向荷載時，格室壁受到張拉會對格室單元內(nèi)部包裹的材料產(chǎn)生緊箍作用，不同的格室單元之間還會相互產(chǎn)生約束，見圖3.

圖3 土工格室加筋體的側(cè)向約束和摩阻效應(yīng)

2) 格室的摩阻效應(yīng) 豎向荷載作用下，格室壁與材料之間會產(chǎn)生摩阻力，從而抵消掉部分荷載.

3) 土工格室加筋體復(fù)合結(jié)構(gòu)層的膜效應(yīng) 復(fù)合層在外力作用下由平面變?yōu)榘记妫ㄟ^拉伸變形承受部分凹面上的應(yīng)力，使得凸面上的應(yīng)力降低，見圖4.從而減小了向下傳遞的荷載，也相應(yīng)地減小了復(fù)合層下面層的變形.

圖4 土工格室加筋體的膜效應(yīng)

對于瀝青混凝土這種粘結(jié)材料，本研究通過單軸壓縮試驗(yàn)和CT掃描技術(shù)來對其作用機(jī)理的適用性進(jìn)行驗(yàn)證.

在單軸壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)試驗(yàn)溫度為5，20，35和50 ℃時，格室加筋前后試件的破壞狀態(tài)均見圖5a)～b).對比試件的破壞過程可以發(fā)現(xiàn)，隨著荷載增大，未加筋試件在中面產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越來越大，在短時間內(nèi)就超過了其強(qiáng)度，使得試件中部向外膨脹產(chǎn)生裂縫并迅速發(fā)育貫穿整個試件，試件完全破壞；對于加筋試件，試件同樣會在荷載作用下向四周膨脹并開裂，但裂縫并未擴(kuò)散至加筋復(fù)合層內(nèi)部，相反，加筋區(qū)域由于格室的側(cè)向約束作用而基本保持完好，只有其外表面未被格室包裹住的瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生輕微開裂，見圖5b).當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10 ℃時，未加筋試件在荷載作用下發(fā)生脆性破壞，整個試件在荷載達(dá)到極值時完全碎裂；而加筋試件在非加筋區(qū)域碎裂破壞比較嚴(yán)重，在加筋區(qū)域，土工格室條帶與瀝青混凝土并未脫粘，仍然保持一體化狀態(tài)，使得加筋區(qū)域的瀝青混凝土仍有部分保持完好，見圖5c).格室加筋前后試件的單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表2，由表2可知，格室加筋提高了試件的單軸抗壓強(qiáng)度，且溫度越高，強(qiáng)度提升越大.

圖5 單軸壓縮試驗(yàn)試件破壞狀態(tài)對比

表2 土工格室加筋前后試件的單軸抗壓強(qiáng)度

格室加筋前后試件的兩種破壞狀態(tài)以及單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果說明，在瀝青混凝土這種粘結(jié)材料中進(jìn)行土工格室加筋，由于格室的三大機(jī)理發(fā)揮作用對瀝青混凝土起到了較好的加筋作用，不僅提高了試件的抗壓強(qiáng)度，而且就算當(dāng)荷載超過其強(qiáng)度，在格室的側(cè)向限制作用下，只要加筋試件內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力未超過格室的約束力之前，格室加筋層就不會發(fā)生破壞.還可以發(fā)現(xiàn)，溫度越高，格室的加筋作用發(fā)揮就越好，此時格室對其流動變形產(chǎn)生的限制作用越明顯.

對單軸壓縮破壞后的加筋試件進(jìn)行CT掃描，結(jié)果見圖6.由圖6a)可知，試件破壞后只在格室外側(cè)發(fā)生開裂，格室條帶與其內(nèi)部包裹的瀝青混凝土保持緊密黏結(jié)而形成一個整體，未產(chǎn)生裂縫.由圖6b)可知，格室筋帶與瀝青混凝土之間未出現(xiàn)明顯空隙，且格室加筋層以下部分由于加筋層的膜效應(yīng)降低了荷載，并未破壞.CT掃描的結(jié)果進(jìn)一步說明格室的加筋機(jī)理發(fā)揮了作用，同時展現(xiàn)出格室與瀝青混凝土之間良好的整體性.

圖6 加筋試件單軸壓縮破壞的CT掃描剖面圖

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果分析，土工格室的作用機(jī)理適用于瀝青混凝土這種黏結(jié)材料，且具有較好的加筋作用，通過這三種作用機(jī)理，土工格室可以提高瀝青混凝土的強(qiáng)度，有效地約束瀝青混凝土的側(cè)向流動變形.同時，土工格室與瀝青混凝土之間保持著較好的黏結(jié)性，即使試件被破壞也不會出現(xiàn)明顯的脫黏現(xiàn)象，這樣保證了在瀝青混凝土內(nèi)進(jìn)行格室加筋時并不會破壞它的整體性，可以用于實(shí)際路面結(jié)構(gòu).

3 阻裂性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 間接拉伸強(qiáng)度

劈裂試驗(yàn)加載結(jié)束后，試件在土工格室加筋前后的破壞狀態(tài)見圖7，不同溫度的破壞狀態(tài)均是如此，破壞過程卻不盡相同.在不同溫度條件下，未進(jìn)行土工格室加筋的試件在較短時間內(nèi)就發(fā)生了破壞，且伴隨裂縫擴(kuò)散的破壞發(fā)展階段過程也很短，試件在受力面被完全劈開.格室加筋試件在發(fā)生破壞后未被完全劈開，試件裂口呈現(xiàn)“V”形，在破壞發(fā)展階段，從側(cè)面可以清晰地看到裂縫從上至下逐漸擴(kuò)散，擴(kuò)散至格室加筋復(fù)合層后破壞速率就變慢，并維持一段較長的相持階段.產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象的主要原因是土工格室強(qiáng)大的側(cè)向約束力讓土工格室加筋復(fù)合層的整體強(qiáng)度得到了提高，所以雖然在加載后試件的上下面同時受到荷載作用，但試件底部并未開裂，而是上表面先開裂而后向下發(fā)展.在相持階段內(nèi)，格室加筋復(fù)合層里格室包裹的瀝青混凝土已破壞，但格室還是將瀝青混凝土約束著，使其保持部分整體性而未被完全破壞.

圖7 劈裂試驗(yàn)試件破壞狀態(tài)

試件在不同溫度下的劈裂荷載和破壞變形見表3.由表3可知，瀝青混凝土的劈裂荷載在加筋后的值均要比加筋前的大，且溫度越高，強(qiáng)度的提升率越大.這一特性在抵抗變形方面更為明顯，當(dāng)溫度為-10 ℃和5 ℃時，試件在土工格室加筋前后的破壞變形幾乎保持不變；但從15 ℃開始，試件在格室加筋后的破壞變形要比加筋前的大，在15 ℃和25 ℃時分別提高了9.3%和28.5%，這與格室對強(qiáng)度的提升是相對應(yīng)的.圖8為加筋試件曲線的峰值均比相應(yīng)未加筋曲線的大，且破壞后的下降趨勢變得緩慢，這也說明格室的側(cè)向約束發(fā)揮了作用.另當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10 ℃時，由圖8可知，加筋試件的曲線出現(xiàn)了二次峰值，這是由于低溫下瀝青混凝土的材料性質(zhì)由粘彈性變?yōu)閺椥?，在試件破壞時格室加筋復(fù)合層里被格室包裹的瀝青混凝土并未破壞，故當(dāng)荷載作用于加筋復(fù)合層時才會再次出現(xiàn)峰值，而由于試件整體性已被破壞，二次峰值遠(yuǎn)低于第一次.

表3 不同溫度下試件的劈裂荷載和破壞變形

圖8 劈裂試驗(yàn)荷載-變形曲線

3.2 疲勞性能

在進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)時，首先通過手動控制加載桿使壓條與試件緊密垂直接觸，但接觸力不超過500 N，然后啟動程序自動控制加載.試件的破壞狀態(tài)與前面的劈裂試驗(yàn)基本一樣，相比承受重復(fù)荷載被完全劈開的未加筋試件，加筋試件依舊未被完全劈裂開.

試驗(yàn)得到的典型疲勞試驗(yàn)曲線(時間-位移)見圖9.由圖9可知，疲勞曲線明顯的分為3個變化階段：快速變形階段、平穩(wěn)變形階段和破壞變形階段.這里將曲線進(jìn)入破壞變形階段的時間點(diǎn)判定為試件疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)，不同溫度和應(yīng)力比下試件在土工格室加筋前后的疲勞壽命結(jié)果見表4.

圖9 典型疲勞曲線

表4 不同溫度和應(yīng)力比下試件的疲勞壽命

由表4可知，在土工格室加筋后，試件的疲勞壽命對比未加筋時均得到了提高，而根據(jù)疲勞失效標(biāo)準(zhǔn)，同時也說明了加筋試件進(jìn)入破壞變形階段的時間點(diǎn)晚于加筋前.說明當(dāng)試件承受波形循環(huán)荷載作用時，土工格室強(qiáng)大的側(cè)向約束作用和復(fù)合層的整體膜效應(yīng)發(fā)揮了主要作用，降低了試件產(chǎn)生的不可恢復(fù)的強(qiáng)度衰減所導(dǎo)致的變形積累，從而抑制了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)散.或者說，土工格室加筋后，試件在每個荷載循環(huán)作用下所積累的不可恢復(fù)變形都要小于未加筋試件，故土工格室加筋后試件能承受更多周次的循環(huán)荷載.

圖10為清晰的看到試件在不同溫度和應(yīng)力比下的疲勞壽命變化趨勢.當(dāng)溫度為5 ℃和15 ℃時，在0.4和0.5的應(yīng)力水平下，疲勞壽命的提升幅度超過了1倍；當(dāng)溫度為25 ℃時，不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命則均提升了1倍以上，應(yīng)力水平為0.6時甚至達(dá)到了225.7%，而且此時土工格室加筋試件的疲勞壽命在不同應(yīng)力水平下均比15 ℃時未加筋試件的大.說明當(dāng)溫度越高，未加筋試件所能承受的荷載循環(huán)次數(shù)越小，土工格室的加筋效果越明顯，這與劈裂試驗(yàn)得出的結(jié)論相同.其原因?yàn)椋瑴囟仍礁?，格室對劈裂荷載的強(qiáng)度提升越大，那么相比未加筋試件，加筋試件在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生強(qiáng)度衰減至破壞的時間就越長.

圖10 疲勞壽命-應(yīng)力比曲線

4 結(jié) 論

1) 針對土工格室的三維結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土的室內(nèi)試件成型方法，提出了一種新的土工格室加筋瀝青混凝土試件成型方法，即先成型瀝青混凝土梁形試件，再切割成棱柱體試件.從試驗(yàn)結(jié)果來看，雖然現(xiàn)有的公式無法將利用非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件得到的荷載值進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度，但也可以反映土工格室加筋前后瀝青混凝土的抗變形性能.

2) 通過單軸壓縮試驗(yàn)和對破壞后的加筋試件進(jìn)行CT掃描，驗(yàn)證了在瀝青混凝土這種粘結(jié)材料中進(jìn)行土工格室加筋，格室的作用機(jī)理仍然可以發(fā)揮作用，并且對瀝青混凝土具有較好的加筋作用.還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由于格室與瀝青混凝土之間較好的粘結(jié)性使得瀝青混凝土自身的完整性并不會被破壞，土工格室可以用于實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中.

3) 用耐高溫土工格室加筋瀝青混凝土，格室以其獨(dú)特的加筋機(jī)理提高了瀝青混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和承受重復(fù)劈裂荷載的疲勞壽命，從而提高了其抗變形性能，抑制了瀝青混凝土在靜載和循環(huán)荷載作用下裂縫的產(chǎn)生和發(fā)育.且隨著溫度的增高，格室對瀝青混凝土的加筋作用更明顯，此時格室的側(cè)向約束作用能更好的限制瀝青混凝土在高溫下的流動變形.

4) 土工格室加筋后會與瀝青混凝土形成一層等同格室高度的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，復(fù)合層具有較大的強(qiáng)度和剛度，可以提高整個試件的強(qiáng)度和抗變形性能，并有效地抑制瀝青混凝土破壞后的裂縫擴(kuò)散.