土工格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響

高雪池 張曉萌 薛志超 吳文娟 馬士杰 徐希忠 李洪利

摘要：為研究土工格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響，分別采用碳纖維格柵、玻璃纖維格柵、經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯格柵等4種土工格柵加筋砂粒式瀝青混合料，進(jìn)行瀝青混合料裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，分析鋪設(shè)土工格柵前、后砂粒式瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：加入玻璃纖維格柵和經(jīng)編玻璃纖維格柵可顯著提升瀝青混合料性能的抗拉、抗彎拉、抗車轍及抗疲勞性能；碳纖維格柵在抗拉和抗彎拉和抗車轍性能提升中效果最佳，但在疲勞性能提升方面最弱；聚丙烯纖維格柵的改善效果不如其他3種格柵突出。

關(guān)鍵詞：土工格柵；砂粒式瀝青混合料；抗裂性能；抗車轍性能；抗疲勞性能

中圖分類號：U416.217；U414文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0047-06

引用格式：高雪池，張曉萌，薛志超，等.土木格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（2）：47-52.

GAO Xuechi， ZHANG Xiaomeng， XUE Zhichao，et al. Influence of geogrid on the road performance of sand-grained asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：47-52.

0?引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載的長期反復(fù)作用下易產(chǎn)生裂縫等損傷病害。將土工格柵應(yīng)用到瀝青面層可有效改善瀝青路面的應(yīng)力分布，防止瀝青面層產(chǎn)生裂縫，延長路面使用壽命[1-3]。

研究人員通過不同試驗(yàn)評價格柵加筋瀝青混合料的路用性能，或采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究格柵鋪設(shè)層位對瀝青混合料路用性能的影響，瀝青混合料的不同性能受格柵鋪設(shè)層位的影響顯著[4-6]。Brown[7]發(fā)現(xiàn)采用玻璃纖維土工格柵可延長試件使用壽命約1.5倍。Partl等[8]采用試驗(yàn)與模擬結(jié)合，認(rèn)為碳纖維土工格柵增強(qiáng)了熱拌瀝青和瑪蹄脂瀝青的耐低溫開裂性、路面剛度、破壞時的應(yīng)變和應(yīng)力。Lee等[9]對比韓國國道纖維格柵加筋路面和普通路面的病害情況，結(jié)果表明纖維網(wǎng)格截面的斷裂能、屈服后位移和抗剪剛度均高于普通截面?？琢钤频萚10]、王書云等[11]比較玻璃纖維土工格柵、加鋪聚酯長絲燒毛土工布及不加鋪土工格柵試樣的小梁彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維格柵對瀝青混合料破壞應(yīng)變影響顯著，對勁度模量有較大改善，同等應(yīng)力水平條件下，鋪設(shè)格柵試件的疲勞壽命顯著提高，應(yīng)力水平越高，疲勞壽命敏感性越低；隨大氣溫度降低，加鋪玻璃纖維格柵后試件的抗拉強(qiáng)度的增幅明顯大于加鋪土工布的試件，但對破壞應(yīng)變、勁度模量的影響不顯著。對格柵增強(qiáng)瀝青混合料的抗車轍和抗疲勞性能的研究較多，但多數(shù)集中在試驗(yàn)評價方法、鋪設(shè)層位對瀝青混合料性能的影響，瀝青混合料的最大粒徑一般大于13 mm，大多采用玻璃纖維格柵，研究其他復(fù)合材料的格柵在砂粒式瀝青混合料中對路用性能的影響較少[12-14]。

在瀝青路面中，砂粒式瀝青混合料一般設(shè)于瀝青層層底，作為抗疲勞層改善路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。在瀝青混合料的相應(yīng)層位布設(shè)格柵，研究格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響，重點(diǎn)研究砂粒式瀝青混合料-格柵-AC-25瀝青混合料復(fù)合結(jié)構(gòu)層性能，研究砂粒式瀝青混合料-格柵用于提升瀝青路面疲勞性能的適用性，為格柵加筋復(fù)合結(jié)構(gòu)層的大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)參考[15-19]。

本文通過瀝青混合料裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)（overlay test，OT）、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，比較不同類型土工格柵加筋砂粒式瀝青混合料的抗拉、抗彎拉、抗車轍和抗疲勞性能，分析土工格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響，為土工格柵在瀝青路面結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1?試驗(yàn)方案

1.1?材料

采用經(jīng)編玻璃纖維格柵、玻璃纖維格柵、碳纖維格柵、聚丙烯格柵4種類型格柵，尺寸分別為20 mm×15 mm、20 mm×20 mm、25 mm×25 mm、15 mm×15 mm，如圖1所示。格柵的工作溫度為-100～280 ℃，溫度適用性較好。

a）經(jīng)編玻璃纖維格柵?b）玻璃纖維格柵c）碳纖維格柵d）聚丙烯格柵

圖1?格柵類型

試驗(yàn)主要采用砂粒式瀝青混合料，選用70#基質(zhì)瀝青，瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.8%；集料為石灰?guī)r，級配如表1所示。在砂粒式瀝青混合料中，粒徑為>3～5 mm、0～3 mm石灰?guī)r的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%、60%，礦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

1.2?試件成型

1）OT試驗(yàn)

采用直徑為150 mm、高170 mm的圓柱體試模旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，先裝入高約60 mm的瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次，放入格柵后加剩余瀝青混合料，注意格柵筋帶的走向，再旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次。分別加入4種不同的格柵，同時設(shè)置1組未加格柵作為對照組。

將成型試件切割為長、寬、高分別為150、75、38 mm的棱柱體小梁，切割時控制格柵距底面10 mm，設(shè)置無格柵的試件為對照組，進(jìn)行瀝青混合料路面開裂試驗(yàn)。

2）三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)

我國現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)一般下面層為AC-25瀝青混合料，為研究砂粒式瀝青混合料-格柵-AC-25復(fù)合結(jié)構(gòu)層的路用性能，制備長、寬、高分別為300、300、100 mm的試模，采用振動壓實(shí)的方法，在試模底部成型厚20 mm的砂粒式瀝青混合料結(jié)構(gòu)層，在結(jié)構(gòu)層上面鋪設(shè)1層土工格柵，注意格柵筋帶的走向，受力筋為車輛前進(jìn)方向；鋪設(shè)格柵后撒布熱瀝青，在砂粒式瀝青混合料結(jié)構(gòu)層上繼續(xù)鋪筑80 mm的AC-25瀝青混合料，壓實(shí)成型。

將成型試件切割為長、寬、高分別為250、35、30 mm的棱柱體小梁，切割時控制格柵距底面10 mm，對瀝青混合料進(jìn)行低應(yīng)變速率條件下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)；將成型試件進(jìn)行瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)。

3）四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

制備長、寬、高分別為500、300、80 mm的試模，在試模層底40 mm或50 mm內(nèi)鋪設(shè)一層砂粒式瀝青混合料結(jié)構(gòu)層后整平；在砂粒式瀝青混合料溫度較高狀態(tài)下，立即將4種格柵分別放置在已成型試件上，標(biāo)記格柵筋帶走向，在試模中加入新的砂粒式瀝青混合料并填滿試模，再次輪碾壓實(shí)，制備砂粒式瀝青混合料-格柵復(fù)合結(jié)構(gòu)層。

將成型試件切割為長、寬、高分別為380.0、63.5、50.0 mm的棱柱體小梁，切割時控制格柵距底面10.0 mm，進(jìn)行瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。

對各試件參照文獻(xiàn)[20]進(jìn)行OT試驗(yàn)，按文獻(xiàn)[21]中的T0715—2011進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，按T0719—2011進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗(yàn)，按T0739—2011進(jìn)行瀝青混合料四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)。

2?結(jié)果與討論

2.1?OT試驗(yàn)結(jié)果

對不同土工格柵類型加筋砂粒式瀝青混合料及對照組（無格柵）試件進(jìn)行OT試驗(yàn)，加載荷載隨循環(huán)加載次數(shù)的變化曲線如圖2所示。5種試件的OT試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：加載至247次拉伸循環(huán)后，對照組試件從中部斷裂，其他4種加入格柵的砂粒式瀝青混合料均能承受1 000次的拉伸循環(huán)，表明加入格柵有利于提高砂粒式瀝青混合料的抗疲勞開裂性能；初始荷載從大到小依次為碳纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料、對照組、經(jīng)編玻璃纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料、聚丙烯纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料、玻璃纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料，表明鋪設(shè)碳纖維格柵的砂粒式瀝青混合料的抗裂強(qiáng)度有所增大，鋪設(shè)經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯纖維格柵和玻璃纖維格柵均使砂粒式瀝青混合料的抗裂強(qiáng)度減??；承受1 000次循環(huán)荷載后，初始荷載衰減率從小到大依次為玻璃纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料及聚丙烯纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料（二者相等）、對照組、經(jīng)編玻璃纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料、碳纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料，表明鋪設(shè)經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯纖維格柵和玻璃纖維格柵雖不利于提高砂粒式瀝青混合料的抗裂強(qiáng)度，但試件的抗疲勞性比碳纖維格柵加筋砂粒式瀝青混合料高。

2.2?三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

研究鋪設(shè)格柵的砂粒式瀝青混合料在低應(yīng)變速率下的力學(xué)行為，在15 ℃下，對5種砂粒式瀝青混合料試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖3所示。由圖3可知：鋪設(shè)格柵后，試件的彎曲強(qiáng)度曲線有較大變化，因格柵的牽拉作用，試件的破壞過程更緩慢，破壞后的曲線更緩和，加入格柵有效提高砂粒式瀝青混合料的韌性，試件破壞時突然加大的變形程度得以緩解。

三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：加入格柵后，瀝青混合料復(fù)合梁的最大彎拉強(qiáng)度顯著增大，碳纖維格柵試件的最大彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變最大，玻璃纖維格柵次之；聚丙烯纖維格柵試件的勁度模量最大。

對5種砂粒式瀝青混合料試件進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，鋪設(shè)土工格柵對砂粒式瀝青混合料的高溫抗車轍能力影響如表4所示。

由表4可知：鋪設(shè)格柵試件的車轍深度比未鋪設(shè)格柵試件小，聚丙烯纖維、碳纖維、玻璃纖維和經(jīng)編玻璃纖維格柵砂粒式瀝青混合料1h的車轍深度分別較未鋪設(shè)格柵試件減小1.8%、10.4%、10.0%和14.0%；鋪設(shè)格柵試件的1 h動穩(wěn)定度比未鋪設(shè)格柵的試件大，聚丙烯纖維、碳纖維、玻璃纖維和經(jīng)編玻璃纖維格柵砂粒式瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別較未鋪設(shè)格柵試件增大11.1%、30.4%、36.4%和13.2%，鋪設(shè)格柵后砂粒式瀝青混合料的抗車轍能力明顯提高，鋪設(shè)經(jīng)編玻璃纖維格柵試件的改善效果最好，其次是碳纖維格柵、經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯纖維格柵。

2.4?四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

對5種砂粒式瀝青混合料試件進(jìn)行四點(diǎn)疲勞試驗(yàn)，疲勞曲線如圖4所示。

由圖4可知：對照組、碳纖維格柵、玻璃纖維格柵、經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯纖維格柵的疲勞次數(shù)分別為32 400、25 600、46 700、342 000、40 800。鋪設(shè)玻璃纖維、經(jīng)編玻璃纖維和聚丙烯纖維格柵的砂粒式瀝青混合料試件的疲勞壽命顯著提高，加入經(jīng)編玻璃纖維格柵的試件的疲勞壽命增大效果顯著，與OT試驗(yàn)結(jié)果可相互印證。加入玻璃纖維、經(jīng)編玻璃纖維和聚丙烯纖維格柵可約束礦料顆粒，使得瀝青混合料能更好地抵抗重復(fù)彎拉應(yīng)力[22-24]；此3種纖維的收縮特性較好，提高了瀝青混合料的彈性恢復(fù)能力，瀝青混合料更堅(jiān)韌，能有效抵抗重復(fù)荷載的作用，延長疲勞壽命；加入碳纖維格柵試件的疲勞壽命縮短，加入碳纖維不利于改善試件的抗疲勞性能[25-27]。

3?結(jié)束語

采用碳纖維格柵、玻璃纖維格柵、經(jīng)編玻璃纖維格柵、聚丙烯格柵4種類型格柵加筋砂粒式瀝青混合料，對制備試件進(jìn)行OT試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，分析土工格柵對砂粒式瀝青混合料路用性能的影響。結(jié)果表明：玻璃纖維格柵和經(jīng)編玻璃纖維格柵對砂粒式瀝青混合料的抗拉、抗彎拉、抗車轍及抗疲勞性能均有明顯改善，抗疲勞性能最突出；鋪設(shè)碳纖維格柵試件的拉伸和彎拉強(qiáng)度最高，表明碳纖維格柵可明顯增強(qiáng)砂粒式瀝青混合料的抗裂性能；但拉伸循環(huán)強(qiáng)度衰減率最小，且四點(diǎn)彎曲疲勞壽命比未加格柵試件小，碳纖維格柵在疲勞性能提升方面最弱；鋪設(shè)聚丙烯纖維格柵可使砂粒式瀝青混合料獲得較好的抗拉、抗彎拉、抗車轍及抗疲勞性能，但不如其他幾種格柵改善效果突出。

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Influence of geogrid on the road performance of

sand-grained asphalt mixture

GAO Xuechi1， ZHANG Xiaomeng2*， XUE Zhichao3， WU Wenjuan2，

MA Shijie2， XU Xizhong2， LI Hongli4

1.Shandong Hi-speed Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；2. Shandong Transportation Institute， Jinan 250102， China；

3. Shandong Hi-speed Group Innovation Research Institute， Jinan 250101， China;

4. Shandong Hi-speed Group Intelligent Management Center， Jinan 250013， China

Abstract：To study the influence of geogrids on the performance of sand-grained asphalt mixture for pavement， four types of geogrids， including carbon fiber geogrid， glass fiber geogrid， stitched glass fiber geogrid， and polypropylene geogrid， are used to reinforce the sand-asphalt mixture. Tests are conducted on the asphalt mixture for crack propagation， three-point bending， high-temperature rutting， and four-point bending fatigue. The road performance of the sand-asphalt mixture before and after laying geogrids is analyzed. The results show that incorporating glass fiber geogrid and stitched glass fiber geogrid significantly improves the tensile， flexural， rutting， and fatigue resistance of the asphalt mixture. The carbon fiber geogrid performs best in enhancing tensile， flexural， and rut resistance， but is the weakest in improving fatigue performance. The improvement effect of polypropylene geogrid is not as significant as the other three types of geogrids.

Keywords：geogrid; sand-grained asphalt mixture; tensile resistance; rut resistance; fatigue resistance

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2022-10-25

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（ZR2020QE271）

第一作者簡介：高雪池（1967—），男，山東德州人，研究員，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程，E-mail：gaoxc@sina.com。

*通信作者簡介：張曉萌（1987—），男，濟(jì)南人，工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)闉r青路面結(jié)構(gòu)與材料研發(fā)，E-mail：zhangxiaomeng@sdjtky.cn。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.007