不同材料土工布防治反射裂縫效果試驗研究

劉溪溪， 謝海巍， 劉尊青， 宿松亞

(新疆農(nóng)業(yè)大學 交通與物流工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

采用半剛性基層的瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫，尤其是反射裂縫，多通過在瀝青層和水穩(wěn)層之間加鋪土工布來緩解反射裂縫的產(chǎn)生。張晶等通過監(jiān)測基層預鋸縫對應位置處路面結構層的應變、變形、溫度及路面橫縫密度，對防裂基布的防裂效果進行了評價；布窮通過室內(nèi)試驗模擬反射裂縫的產(chǎn)生，分析了不同荷載作用次數(shù)下防裂基布的防反射裂縫效果；辛順超等以瀝青混合料黏彈性理論為基礎，通過彎拉和劈裂強度試驗，對比分析了不同裂縫防治方案下路面結構的強度特性，結果表明采用防裂基布可提高瀝青砼路面的耐疲勞損傷性能；嚴勝紅對比分析了防裂基布復合式應力吸收層與應力吸收層對反射裂縫的防護性能，結果表明防裂基布的鋪設能有效分擔水平荷載，延緩由基層反射裂縫引起的開裂破壞；馮振中通過理論數(shù)值分析、室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗，提出了土工布防治瀝青路面反射裂縫方案；丁一軍等通過反射裂縫足尺試驗評價玻璃纖維土工格柵抑制反射裂縫的效果，結果表明加入聚酯纖維和在基層與面層之間鋪設玻璃纖維格柵可抑制反射裂縫的發(fā)展；Walubita L. F.等基于瀝青混合料拉伸試驗研究不同土工合成材料基層的抗裂性能，結果證明土工合成材料可減輕反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展；Neves J.等通過數(shù)值模擬驗證了土工合成材料在路基中的加固作用；Norambuena-Contreras J.等對土工合成材料防反射裂縫的有效性進行了驗證；Yi Chao Jue等闡述了聚酯玻璃纖維布對瀝青路面反射裂縫的防治作用。土工合成材料對延緩反射裂縫的產(chǎn)生和擴展有一定效果，但不同材料土工布的防裂效果差異有待進一步研究。該文選取新型防裂基布(聚丙烯類)和聚酯玻璃纖維布(聚酯類)2種不同材料土工布，通過室內(nèi)試驗測試其關鍵指標，對比分析其防裂效果。

1 半剛性基層裂縫成因分析

半剛性基層裂縫可分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫主要是由基層承受的荷載超過基層材料的抗拉強度而引起；非荷載型裂縫主要為干縮和溫縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生與自身材料性能有關。經(jīng)過拌合壓實的材料由于水分蒸發(fā)和無機結合料與集料遇水發(fā)生水化反應，混合料含水量不斷下降，引發(fā)無機結合料穩(wěn)定材料的體積收縮——干縮，從而導致裂縫。同時晝夜溫差導致路面基層熱脹冷縮，造成基層表面開裂?；鶎赢a(chǎn)生的裂縫尖端很容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致裂縫繼續(xù)向面層延伸，在行車荷載和溫度耦合作用下，瀝青面層層底拉應力超過材料的抗拉強度，導致底部開裂并延伸至路面，形成反射裂縫。土工布作為功能層或夾層設置在路面結構中，其抗拉性、抗撕裂性可較好地抵抗和分散面層層底承受的拉應力和基層因干縮、溫縮裂縫產(chǎn)生的集中應力，起到防裂的作用。

2 不同土工材料關鍵指標試驗與抗裂效果分析

新型防裂基布由100%聚丙烯(半結晶熱塑性塑料)連續(xù)玻璃纖維材料制作而成，具有低延性和高抗拉性，結合瀝青可形成牢固的增強復合材料；材料的各向同性使其易粉碎處理，達到路面材料循環(huán)利用的目的。聚酯玻璃纖維布是以玻璃纖維和聚酯纖維復合而成的土工材料，具有較大的強度，其抗高溫性能和抗蠕變性能較好，與熱瀝青結合后具有較好的黏結性和防水性，粉碎后可進行循環(huán)再利用。不同材料土工布的物理性能和材料性能不盡相同，下面通過室內(nèi)試驗分析2種材料的物理性質(zhì)和受力特性，研究其反射裂縫防治效果。

2.1 厚度、質(zhì)量對比分析

通過稱量測試單位面積土工合成材料在標準大氣條件下的質(zhì)量，反映材料用量及質(zhì)量穩(wěn)定性。反映材料力學性能的厚度采用千分尺測量。測試結果見表1。

表1 2種土工材料的物理性能測試結果

由表1可知：新型防裂基布的質(zhì)量小于聚酯玻璃纖維布，由質(zhì)量計算公式m=ρSh可得聚酯的密度大于聚丙烯，聚酯的密度為1.2～1.37 g/cm3，聚丙烯為0.851～0.935 g/cm3，與實際相符。在質(zhì)量、面積和厚度確定的條件下，密度大小決定含絲數(shù)量多少，材料密度越小，含絲數(shù)量越多，因而單位面積新型防裂基布的含絲數(shù)量多于聚酯玻璃纖維布。

2.2 拉伸試驗對比分析

采用土工材料寬條拉伸試驗測試材料抵抗拉伸斷裂的能力，以拉伸強度和最大負荷下材料伸長率表征其抗拉性能。按照規(guī)范要求施加荷載直至試件被完全拉伸破壞，試驗結果見表2。

表2 2種土工材料的拉伸試驗結果

由表2可知：2種土工材料的伸長率為63%～65.2%，無明顯差異。新型防裂基布的縱橫向抗拉強度差別較小，無明顯的方向性，材料縱橫向受力均勻；而聚酯玻璃纖維布縱向抗拉強度為橫向的2.58倍，表現(xiàn)出明顯的方向性。在受到縱向和橫向復合應力作用時，防裂基布縱橫向抗拉強度基本都能滿足，而聚酯玻璃纖維布縱向抗拉強度能滿足，橫向抗拉強度難以保障。

2.3 撕破強力對比分析

撕破強力試驗是評價土工織物破損擴大難易程度的重要力學指標，反映土工材料在荷載作用下抵抗破損口不斷擴大的能力。采用梯形法測試材料受荷載作用直至撕裂破壞時最大破壞應力，2種材質(zhì)土工布的撕坡強力試驗結果見表3。由表3可知：新型防裂基布的縱橫向撕破強力遠高于聚酯玻璃纖維布，分別為聚酯玻璃纖維布的1.55、1.59倍。土工布抵抗破損擴大的能力主要依靠材料的纖維數(shù)量和抗拉強度，纖維抗拉強度一定時，纖維數(shù)量增加，則抵抗撕裂的強度增大。新型防裂基布單位面積的含絲數(shù)量大于聚酯玻璃纖維布，在抵抗撕裂時表現(xiàn)出良好的撕破強力，抵抗破損擴展的能力更好。

表3 2種土工材料的撕破強力試驗結果

2.4 CBR頂破強力對比分析

頂破強力反映土工材料抵抗各種法向靜態(tài)應力的能力。測試材料經(jīng)受頂壓荷載直至完全損壞時所用的力，結果顯示：聚酯玻璃纖維布能承受的頂破強力為0.427 kN；新型防裂基布能承受的頂破強力為1.7 kN，約為聚酯玻璃纖維布的4倍，抵抗法向靜態(tài)應力的性能良好，優(yōu)于聚酯玻璃纖維布。

2.5 抗凍融性、抗堿性分析

土工材料的抗凍融性反映其由溫差變化引起的結構強度改變。通過檢測土工材料撕破強力、拉伸強度、拉伸伸長率和頂破強力在不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下的保持率，分析不同土工材料的抗凍性能。檢測結果見表4和圖1。由表4、圖1可知：2種土工材料在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的撕破強力保持率變化幅度較??；不同凍融循環(huán)次數(shù)下，新型防裂基布的頂破強力基本不變，而聚酯玻璃纖維布的頂破強力保持率逐漸下降；新型防裂基布的抗拉強度保持率和拉伸伸長強度保持率下降幅度較小，而聚酯玻璃纖維布的這2個強度保持率下降幅度較大，尤其是縱向強度保持率下降明顯。新型防裂基布的抗凍融性能優(yōu)于聚酯玻璃纖維布。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下強度指標的保持率

表4 2種土工材料的抗凍融性測試結果

土工材料的抗堿性好，則能有效抵抗外界的堿性侵蝕，保障土工布的結構強度。通過抗堿性試驗測試土工布的質(zhì)量變化率、尺寸變化率、強力保持率及斷裂伸長保持率等指標，結果見表5。由表5可知：2種土工材料的質(zhì)量變化和尺寸變化不大；新型防裂基布的強力保持率大，強力基本不變，而聚酯玻璃纖維布的強力保持率較小，強力下降較大；兩者的斷裂伸長保持率也表現(xiàn)出較大差距。新型防裂基布的抗堿性能優(yōu)于聚酯玻璃纖維布。

表5 2種土工材料的抗堿性測試結果

3 結論

新型防裂基布、聚酯玻璃纖維布都具有較好的拉伸強度，新型防裂基布縱橫向受力均勻，聚酯玻璃纖維布表現(xiàn)出明顯的方向性能；新型防裂基布能承受的縱向撕破強力是聚酯玻璃纖維布的1.55倍，橫向為聚酯玻璃纖維布的1.59倍，表現(xiàn)出良好的抗撕裂性能；新型防裂基布能承受的頂破強力約為聚酯玻璃纖維布的4倍，其抵抗法向靜態(tài)應力的能力優(yōu)于聚酯玻璃纖維布；新型防裂基布的抗拉強度保持率和強力保持率均高于聚酯玻璃纖維布。綜合理論和試驗結果，新型防裂基布的防反射裂縫能力優(yōu)于聚酯玻璃纖維布。