雙絞合鋼絲加筋網夾層系統(tǒng)的路用性能研究

秦鵬成， 鄧長青， 周翔， 邵生俊， 張會

(1.中國電子工程設計院有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450007；2.河南眾典元素電子工程咨詢有限公司，河南 鄭州 450007;3.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

城市道路舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層，形成復合路面結構是舊路改造(白改黑)[1-3]的一種常見的方法，該法可以有效提高行車安全度和舒適度、道路耐久性及街景景觀效果。然而，在實際情況中，受道路沿線地塊標高限制，加鋪層厚度往往較薄，瀝青加鋪層與舊水泥混凝土面板之間存在明顯的彈性模量差異以及循環(huán)荷載、溫度梯度和濕度梯度等引起的應力和應變差異，水泥混凝土接縫和裂縫處容易出現(xiàn)應力集中，導致瀝青面層出現(xiàn)反射裂縫、車轍病害，防治反射裂縫和抗車轍成為舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層研究的關鍵技術難題。

防治反射裂縫技術研究主要分兩個方向：一是抵抗應力集中引起的反射裂縫，其代表技術為添加土工合成材料技術[4-7]；二是釋放吸收接縫處的應力和應變，減緩或阻止裂縫向上擴展、貫通，該技術被稱為應力吸收類防治反射裂縫技術[8-12]，代表技術為加鋪橡膠瀝青或改性瀝青碎石封層、改性瀝青砂應力吸收層、大孔隙瀝青穩(wěn)定碎石裂縫緩解層、大孔隙水泥穩(wěn)定碎石裂縫緩解層[13]。對于以上防治反射裂縫的代表技術，其中關于土工合成材料技術和應力吸收類夾層技術的研究比較成熟，實際應用較多，但土工格柵的材料剛度大，在其上行車容易引起應力集中，出現(xiàn)局部應力過大的情況；應力吸收類夾層使加鋪層厚度增厚，增加投資，對于豎向高程受限制的路面不宜采用該技術。因此，需設計一種新型路用夾層系統(tǒng)來克服這些缺點。

鋼絲網夾層系統(tǒng)是一種新型路面夾層系統(tǒng)，其中鋼絲的抗拉強度很高，瀝青混凝土混合料的抗拉強度較低，鋼絲網能夠彌補瀝青混凝土混合料受拉破壞開裂的缺陷，提高了其路用性能。目前，對于焊接鋼絲網路面夾層系統(tǒng)的研究較多，但焊接鋼絲網在攤鋪、碾壓定位過程中容易彎扭，焊接處易出現(xiàn)折斷、失穩(wěn)，表面易受到侵蝕，其路用效果不太理想。機編鍍鋅鋼絲網夾層系統(tǒng)很好地解決了焊接鋼絲網在路用中的缺陷。目前，國內關于鋼絲網夾層系統(tǒng)的研究多處于初期探索階段，關于其路用性能的理論依據不成熟，現(xiàn)有的多是基于有限元數(shù)值模型的研究結果，例如黃旭等經分析研究知，當合理的鋪設層位于瀝青面層下基層上時具有很好的路用性能[14]；潘志歆將機編鋼絲網等效成薄鋼帶，用數(shù)值模型分析了加筋后的瀝青路面復合結構的行車荷載影響和溫度應力變化[15]?；谟邢拊獢?shù)值模型研究的初始條件與邊界條件理想化因素多，使其研究結果不符合實際情況。目前，關于機編鍍鋅鋼絲網夾層系統(tǒng)的路用性能，基于室內試驗和現(xiàn)場試驗的研究較少。本文以疲勞破壞理論、斷裂力學及彈性層狀理論為基礎，通過試驗手段，研究雙絞合鋼絲加筋網夾層系統(tǒng)的路用性能，如在提高瀝青加鋪層防反射裂縫和抵抗橫向剪切破壞方面的能力。

1 雙絞合鋼絲加筋網

雙絞合鋼絲加筋網是由經防腐處理的鋼絲(網面鋼絲、邊端鋼絲)由機械編織而成的雙絞合六邊形金屬網[16]，并在其中沿網面橫向以一定間距布置較粗的鋼絲(金屬棒)，以加強鋼絲網的橫向連接強度及網面整體剛度和整體性。其中的鋼絲均經過熱鍍鋅防腐處理，以延長雙絞合鋼絲網的使用年限及提高材料的耐久性能。

雙絞合鋼絲加筋網如圖1所示，圖中網孔規(guī)格為8 cm×10 cm[16]，規(guī)格尺寸D是兩個雙絞線鋼絲軸心之間的距離，H是同軸相鄰六邊形起點的間距。雙絞合鋼絲的橫向抗拉強度不小于24 kN/m，縱向抗拉強度不小于28 kN/m。具體規(guī)格值見表1。

表1 雙絞合鋼絲加筋網網孔規(guī)格

2 研究方案

基于力學研究理論，結合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ E20—2011)的試驗方法[17]，研究雙絞合鋼絲加筋網應用于瀝青加鋪層的情況，研究其對抵抗荷載型反射裂縫和溫度型反射裂縫及抗車轍的力學性能。

在相同條件下，通過比較分析未加筋夾層系統(tǒng)和自粘式玻纖格柵夾層系統(tǒng)的瀝青加鋪層的力學、變形情況，來說明雙絞合鋼絲加筋網的良好路用性能。

其中，玻纖格柵夾層系統(tǒng)的玻纖格柵采用改性瀝青表面處理，耐腐蝕性符合《公路土工合成材料應用技術規(guī)范》(JTG/TD 32—2012)的要求，達到優(yōu)異標準，具體技術指標見表2。

表2 玻纖格柵的技術指標

舊水泥混凝土面板加鋪瀝青面層的路用性能研究的試驗方案見表3。

表3 舊水泥混凝土面板加鋪瀝青面層的路用性能研究的試驗方案

3 防治荷載型反射裂縫性能的研究

分析表3中3種夾層系統(tǒng)在車輛循環(huán)荷載作用下，水泥混凝土路面板引起反射裂縫(裂縫、接縫)的擴展情況及抵抗能力，研究未加筋、玻纖格柵、雙絞合鋼絲加筋網對瀝青混凝土混合料加鋪層的抗疲勞性能，依據意大利馬克菲爾公司研究荷載型反射裂縫的試驗方法進行荷載彎曲試驗。

3.1 循環(huán)荷載作用次數(shù)與反射裂縫擴展深度的關系

荷載型彎曲試驗方法依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ E20—2011)[17]，在實驗室預制未加筋瀝青混凝土混合料加鋪層試樣梁(簡稱未加筋試樣)、玻纖格柵加筋瀝青混凝土混合料加鋪層試樣梁(簡稱玻纖格柵試樣)及雙絞合鋼絲加筋網瀝青混凝土混合料加鋪層試樣梁(簡稱雙絞合鋼絲加筋網試樣)，試樣梁尺寸：長×寬×高=400 mm×200 mm×120 mm[18](這個尺寸與文獻[17]的尺寸不同，原因是容易制樣和試驗效果更好)，基層水泥混凝土面板預留接縫，接縫深度10 mm。按文獻[17]的試驗方法進行瀝青混凝土混合料加鋪層試樣梁彎曲試驗，研究瀝青混凝土混合料加鋪層試樣梁在循環(huán)荷載作用下其反射裂縫擴展深度，梁荷載彎曲試驗結果如圖2所示。

圖2 循環(huán)荷載作用次數(shù)與反射裂縫擴展深度的關系

根據圖2所示結果分析知：未加筋試樣、玻纖格柵試樣及雙絞合鋼絲加筋網試樣的荷載型裂縫擴展深度均隨循環(huán)荷載作用次數(shù)的增加而增加；循環(huán)荷載作用次數(shù)增加到一定程度時，荷載型裂縫擴展深度不再增加，出現(xiàn)疲勞破壞。由圖2也可以看出，在相同循環(huán)荷載作用次數(shù)下，未加筋試樣的反射裂縫的擴展深度相對最大，玻纖格柵試樣的其次，雙絞合鋼絲加筋網試樣的反射裂縫的擴展深度相對最小。

3.2 荷載型疲勞破壞時循環(huán)荷載作用次數(shù)與反射裂縫擴展深度的關系

當試驗機的裂縫深度記錄儀記錄的裂縫深度值隨著循環(huán)荷載作用次數(shù)的增加保持不變，即裂縫深度不再繼續(xù)擴展時，即認為試件破壞。未加筋試樣、玻纖格柵試樣及雙絞合鋼絲加筋網試樣在循環(huán)荷載作用下疲勞破壞時的反射裂縫深度如圖3所示。

圖3 荷載型疲勞破壞時循環(huán)荷載作用次數(shù)與反射裂縫擴展深度的關系

從圖3中可以看出：當未加筋試樣受循環(huán)荷載作用次數(shù)達3×105次時，該試樣出現(xiàn)疲勞破壞，反射裂縫擴展深度為56 mm；當玻纖格柵試樣受循環(huán)荷載作用次數(shù)達4×105次時，該試樣出現(xiàn)疲勞破壞，反射裂縫擴展深度為85 mm；當雙絞合鋼絲加筋網試樣受循環(huán)荷載作用次數(shù)達9×105次時，該試樣出現(xiàn)疲勞破壞，反射裂縫擴展深度為39 mm。

由上述結果可知：雙絞合鋼絲加筋網試樣出現(xiàn)荷載型疲勞破壞時，抵抗循環(huán)荷載的作用次數(shù)相對最多，路用相對最安全，路用耐久性相對最好，使用壽命相對最長，路用效果相對最好。

4 防治溫度型反射裂縫性能的研究

為了研究未加筋加鋪層瀝青路面、玻纖格柵加鋪層瀝青路面、雙絞合鋼絲加筋網加鋪層瀝青路面防治溫度型反射裂縫的性能，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ E20—2011)[17]的瀝青混凝土混合料線收縮系數(shù)試驗方法，結合比利時道路研究中心(Belgium Center for Road Research，BRRC)溫度開裂試驗的經驗[19]，進行夾層系統(tǒng)路用時溫度型反射裂縫的擴展試驗研究。

4.1 基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間與溫度型反射裂縫擴展深度的關系

按照文獻[17]的試件制取方法制取未加筋試樣、玻纖格柵試樣、雙絞合鋼絲加筋網試樣，在-10 ℃的水泥混凝土路面板基層裂縫(包括接縫)張開與閉合循環(huán)作用下，對加鋪層瀝青面層反射裂縫擴展情況進行研究，結果如圖4所示。

圖4 -10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間與溫度型反射裂縫擴展深度的關系曲線

由圖4可知：溫度型反射裂縫擴展深度均隨-10 ℃的基層裂縫張開與閉合循環(huán)作用時間的增加而增加。在相同溫度和基層裂縫張開與閉合循環(huán)作用時間下，未加筋試樣的溫度型反射裂縫擴展深度相對最大，玻纖格柵試樣的溫度型反射裂縫擴展深度位居其次，雙絞合鋼絲加筋網試樣的溫度型反射裂縫擴展深度相對最小，且在試驗期間，雙絞合鋼絲加筋網試樣的溫度型反射裂縫幾乎沒有擴展或者出現(xiàn)，說明雙絞合鋼絲加筋網對防治溫度型反射裂縫的效果相對最佳。

4.2 溫度型疲勞破壞時基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間與反射裂縫擴展深度的關系

未加筋試樣、玻纖格柵試樣及雙絞合鋼絲網試樣在-10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用下疲勞破壞時的反射裂縫深度如圖5所示。

圖5 疲勞破壞時-10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間與溫度型反射裂縫擴展深度的關系

從圖5中可以看出：未加筋試樣在-10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用4.8 h時達到疲勞破壞，該試樣疲勞破壞時溫度型反射裂縫的擴展深度為6.6 cm；玻纖格柵試樣在-10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用45 h時達到疲勞破壞，該試樣疲勞破壞時溫度型反射裂縫的擴展深度為2.51 cm；雙絞合鋼絲加筋網試樣在-10 ℃的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用45 h時達到疲勞破壞，該試樣疲勞破壞時溫度型反射裂縫的擴展深度為0.19 cm；達到疲勞破壞時，雙絞合鋼絲加筋網試樣抵抗反射裂縫擴展的效果相對最好。

5 動穩(wěn)定度性能研究

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ E20—2011)[17]進行表3中3種夾層系統(tǒng)方案的抗車轍試驗，測定雙絞合鋼絲加筋網瀝青混凝土混合料加鋪層的高溫穩(wěn)定性，并與未加筋加鋪層、玻纖格柵加鋪層在相同變形條件下承受荷載能力的差異情況進行對比分析。

采用輪碾成型機制作的長×寬×厚=30 cm×30 cm×5 cm的標準板塊試件，控制條件溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa。板塊試件按文獻[17]的操作步驟安裝就位后，開動車轍變形自動記錄儀，啟動車轍試驗機，試驗輪往返行走1 h時停止試驗，根據車轍自動記錄的變形曲線分別讀取試驗輪往返行走t1=45 min和t2=60 min時的車轍變形d1(mm)和d2(mm)，按下式計算3種夾層系統(tǒng)方案試件的動穩(wěn)定度DS(次/mm)：

式中：C1為試驗機類型修正系數(shù)；C2為試件系數(shù)；N為試驗輪往返碾壓速度，取24次/m。

具有雙絞合鋼絲加筋網加鋪層、未加筋加鋪層及玻纖格柵加鋪層3種夾層系統(tǒng)的試件在試驗溫度60 ℃環(huán)境下，混合料每產生1 mm變形時所承受標準軸載次數(shù)即動穩(wěn)定度如圖6所示。

圖6 不同加鋪層試件的動穩(wěn)定度關系

從圖6中可以看出，未加筋加鋪層試件的動穩(wěn)定度為1 000次/mm；玻纖格珊加鋪層試件的動穩(wěn)定度為2 500次/mm，約為未加筋加鋪層試件的2.5倍；雙絞合鋼絲加筋網加鋪層試件的動穩(wěn)定度為2 800次/mm，約為未加筋加鋪層試件的2.8倍，約為玻纖格柵加鋪層試件的1.12倍。由此可以看出，雙絞合鋼絲加筋網加鋪層試件承受荷載作用的能力強，承受荷載作用的次數(shù)相對最多，抗車轍效果好，高溫穩(wěn)定性相對最優(yōu)。

6 結語

1)通過對城市道路夾層系統(tǒng)的路用性能之荷載型反射裂縫的研究，得到以下結論：隨著循環(huán)荷載作用次數(shù)的增加，雙絞合鋼絲加筋網加鋪層的荷載型反射裂縫的擴展深度也隨著增加。相同循環(huán)荷載作用次數(shù)下，雙絞合鋼絲加筋網加鋪層的荷載型反射裂縫擴展深度相對最小，路用效果相對最好，路用性能相對最佳；未加筋加鋪層的荷載型反射裂縫擴展深度相對最大；玻纖格柵加筋加鋪層的荷載型反射裂縫擴展深度居中。雙絞合鋼絲加筋網加鋪層出現(xiàn)荷載型疲勞破壞時，較玻纖格柵加筋加鋪層、未加筋加鋪層抵抗循環(huán)荷載作用的次數(shù)相對最多，所以雙絞合鋼絲加筋網加鋪層路用時相對最安全。

2)通過對城市道路夾層系統(tǒng)的路用性能之溫度型反射裂縫的研究，得到以下結論：雙絞合鋼絲加筋網加鋪層隨著低溫下基層裂縫溫縮與溫漲循環(huán)作用時間的增加，溫度型反射裂縫的擴展深度也隨著增加。在相同作用時間條件下，雙絞合鋼絲加筋網加鋪層的溫度型反射裂縫擴展深度相對最小，路用效果相對最好，路用性能相對最佳；未加筋加鋪層的溫度型反射裂縫擴展深度相對最大；玻纖格柵加筋加鋪層的溫度型反射裂縫擴展深度居中。雙絞合鋼絲加筋網加鋪層出現(xiàn)溫度型疲勞破壞時，較未加筋加鋪層的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間多，與玻纖格柵加筋加鋪層的基層裂縫張開和閉合循環(huán)作用時間相同，但其溫度型反射裂縫擴展深度最小。

3)雙絞合鋼絲加筋網加鋪層的動穩(wěn)定度相對最大，抗車轍能力和高溫穩(wěn)定性相對最好。

綜上所述：雙絞合鋼絲加筋網夾層系統(tǒng)對防治荷載型、溫度型反射裂縫及抗車轍、高溫穩(wěn)定方面具有很好的路用性能，文中定量化的力學研究成果為進一步指導實踐提供了理論支撐。