玻纖格柵抵抗不同寬度裂縫反射性能的研究

徐永麗，程培峰，張佰真銘

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040)

玻纖格柵較一般格柵性能更加優(yōu)越，具有高強(qiáng)度、高模量、低蠕變、抗腐蝕、抗老化、抗脆裂及可預(yù)設(shè)計等多種特性，是道路工程使用的優(yōu)良材料［1－2］。在道路工程中，使用玻纖格柵主要是利用其高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的特點，將反射裂縫應(yīng)力的方向由垂直轉(zhuǎn)為水平，增加了整體的抗拉強(qiáng)度，減少了變形，對反射裂縫進(jìn)行了有效地控制，延緩疲勞破壞，提高道路使用壽命。

瀝青加鋪層反射裂縫的擴(kuò)展模式主要有兩種:剪切型反射裂縫和張開型反射裂縫［3－5］。交通荷載和溫度作用是引起反射裂縫的兩大主要因素。通常認(rèn)為，溫度應(yīng)力引起反射裂縫的產(chǎn)生，并參與了其最初的擴(kuò)展，而荷載應(yīng)力加速了裂縫的擴(kuò)展。

本文對玻纖格柵抵抗不同寬度裂縫的性能進(jìn)行靜載試驗和動載試驗，旨在研究不同基層裂縫寬度所導(dǎo)致的面層裂縫出現(xiàn)與傳導(dǎo)情況，確定玻纖格柵使用范圍和條件，以便根據(jù)實際情況合理選擇加鋪玻纖格柵。

1 玻纖格柵界面粘層油的用量確定

采用玻纖格柵延緩反射裂縫發(fā)展，其必要條件為在兩種不同材料交界面的抗剪強(qiáng)度必須足夠大，以防止在臨界區(qū)由于高剪應(yīng)力導(dǎo)致新路面的滑動，尤其在車輛水平力的作用下，如急速剎車或彎道行駛時，使夾層材料的應(yīng)用效果降低，無效果甚至產(chǎn)生副作用［6－9］。因此加鋪格柵的粘層油用量和工藝非常重要。

試驗采用基質(zhì)瀝青作為粘結(jié)材料，通過采用豎向直剪的試驗方法，層間未加鋪格柵與加鋪格柵做抗剪強(qiáng)度對比確定層間最佳瀝青用量如圖1所示。

圖1 基質(zhì)瀝青做粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度對比Fig.1 Matrix asphalt serve as shear strength contrast of the bonding material

從圖1中可以看出，基質(zhì)瀝青作為粘結(jié)材料，層間抗剪強(qiáng)度隨瀝青用量的增加而增大，當(dāng)瀝青用量達(dá)到某一值后，層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，而后隨著瀝青用量的增加，層間抗剪強(qiáng)度逐漸減小。加鋪格柵后的最大抗剪強(qiáng)度與層間未加鋪格柵相比有所下降，瀝青最佳用量減少。不加格柵層間粘結(jié)料最佳用量在0.421 kg/m2，最大抗剪強(qiáng)度0.50MPa。加鋪格柵層間粘結(jié)料最佳用量在0.40 kg/m2，最大抗剪強(qiáng)度0.39MPa。加鋪格柵后瀝青用量降低5.0%，最大抗剪強(qiáng)度降低22%。

2 不同裂縫寬度的靜載實驗

采用6種不同實驗進(jìn)行不同寬度的裂縫實驗如圖2所示。

圖2 抗裂縫試驗示意圖Fig.2 Crack resistance test scheme.

試件制作規(guī)格300 mm×100 mm×50 mm的輪碾成型的梁條狀試件，在試件的一側(cè)涂抹白漆以便觀察試驗現(xiàn)象，整體試件的下面采用鋼板模擬水泥混凝土結(jié)構(gòu)，限制整個試件的兩側(cè)，采用有側(cè)限試驗。萬能壓力機(jī)的實驗方式為混合料彎曲，加載速率為10 mm/min，溫度為20℃，設(shè)定參數(shù)為10 mm回彈變形量。

表1 靜載正壓實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results with static positive pressure

裂縫寬度較小時 (3 mm)，反射裂縫位置基本對應(yīng)著下面結(jié)構(gòu)的裂縫，反射裂縫寬度也較小，裂縫基本從支點處開始向上發(fā)展，裂縫寬度為6 mm時，隨著下面結(jié)構(gòu)的寬度變寬，反射裂縫的形態(tài)也發(fā)生了變化，承受反射裂縫的混合料體積在增加，裂縫也已多根進(jìn)行反射，形成一個區(qū)域，裂縫順著粒徑分布走向進(jìn)行，裂縫寬度為9 mm時，在荷載作用下，裂縫有可能在上部事先出現(xiàn)，達(dá)到一定范圍，例如9 mm及以上時，試件在裂縫上部存在足夠大的懸空從而導(dǎo)致試件產(chǎn)生彎曲變形，此時裂縫的出現(xiàn)機(jī)理發(fā)生變化，主要取決于瀝青加鋪層本身的抗彎性能，具體如下。

(1)未加鋪格柵。當(dāng)荷載慢慢增加，混合料首先形成壓縮變形，當(dāng)壓縮到一定程度后，裂縫首先在鋼塊與混合料的夾縫處出現(xiàn)，當(dāng)荷載繼續(xù)加載裂縫慢慢向兩側(cè)發(fā)展出部分細(xì)小裂縫，主裂縫則繼續(xù)向上發(fā)展直到完全開裂。若在裂縫產(chǎn)生或擴(kuò)展過程中遇到大粒料阻擋則裂縫由大粒料邊緣開始。

(2)加鋪格柵。裂縫在整個擴(kuò)展過程都較為緩慢，裂縫較細(xì)。細(xì)小裂縫伴隨主要裂縫同時出現(xiàn)，并對稱發(fā)展，這說明在格柵的加筋作用下，受力范圍擴(kuò)大，應(yīng)力集中得到了消散。切縫處正上方裂縫較寬，兩側(cè)依次變窄。裂縫發(fā)展出許些小裂縫后，小裂縫基本無太大變化。終裂時接縫處玻纖格柵有被拉長的現(xiàn)象，但拉伸現(xiàn)象不明顯，玻纖格柵與鋼板粘結(jié)良好，未出現(xiàn)過大滑移現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 試驗結(jié)果示意圖Fig.3 Test results.(a)6mm overlay grid positive pressure;(b)6mm without overlay grid positive pressure

(3)3 mm、6 mm和9 mm裂縫是否加鋪格柵的初裂數(shù)值基本處在一個級別，且裂縫越大則影響越小。從而表明是否加鋪格柵對于瀝青加鋪層本身的裂縫初始并無顯著影響。而對于裂縫在瀝青加鋪層中的傳導(dǎo)具有顯著的抑制作用，通過格柵加鋪延長了路面的開裂時間減少了路面的維修頻率。

(4)3 mm裂縫試驗中格柵對于裂縫的最終破壞值提高了20%以上，6 mm裂縫中格柵對于裂縫的最終破壞值也提高了10%，9 mm裂縫中格柵對于裂縫的最終破壞值提高了不到1%。因此當(dāng)裂縫寬度大于9 mm后，加鋪格柵的意義不大。

(5)達(dá)到一定范圍 (如9 mm及以上)時，試件在裂縫上部存在足夠大的懸空從而令試件產(chǎn)生彎曲變形，此時裂縫的出現(xiàn)機(jī)理發(fā)生變化，主要取決于瀝青加鋪層本身的抗彎性能，格柵在這里只對瀝青加鋪層的彎曲形變進(jìn)行一定的改善。對于裂縫的初裂以及終裂改善性能不明顯。

(6)裂縫發(fā)展時間，加鋪格柵試件均大于未加鋪格柵試件，裂縫從出現(xiàn)到貫穿時間延長了40%～50%，而彎拉力的斜率增加基本一致。

3 無側(cè)限6 mm裂縫寬度試驗

對同樣是6 mm寬度，但是基層裂縫無側(cè)限情況進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)在較小荷載作用下即發(fā)生破壞，不僅破壞了整體結(jié)構(gòu)，也令整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，此種情況在路面中線附近并不能發(fā)生，此種試件開裂類型常發(fā)生在路面邊緣位置。此種直觀感受也為我們形象的解釋了當(dāng)路面邊緣出現(xiàn)裂縫后不進(jìn)行路基加固時間過長就會發(fā)生基層橫移并塌陷的可能如圖4所示。

圖4 無側(cè)限試件壓裂圖Fig.4 Fracturing figure for unconfined specimen

4 不同裂縫寬度的重復(fù)荷載實驗

利用車轍試驗機(jī)的重復(fù)荷載作用能力，對上述不同裂縫寬度進(jìn)行疲勞試驗，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯? mm寬度裂縫的荷載作用次數(shù)明顯小于6 mm寬度作用次數(shù)，無格柵時，9 mm為6 mm的80%;而格柵對荷載的作用次數(shù)具有一定的延緩效果，6 mm情況延長了30%，9 mm情況延長了24%。對于有格柵試件，不僅荷載作用時間增長，而且裂縫基本看不出反射現(xiàn)象，裂縫主要由于荷載重復(fù)作用在表面產(chǎn)生。

圖5 不同裂縫寬度的荷載作用次數(shù)Fig.5 Load repetition times at different crack width

5 結(jié)論

(1)格柵最初主要為擴(kuò)散應(yīng)力減小應(yīng)力集中作用，加鋪格柵對于瀝青加鋪層本身的裂縫初始并無顯著影響，而對于裂縫在瀝青加鋪層中的傳導(dǎo)具有顯著的抑制作用，并與上部結(jié)構(gòu)層共同承擔(dān)部分應(yīng)力。

(2)裂縫的發(fā)展形態(tài)與路面結(jié)構(gòu)、材料和原始裂縫相關(guān)，格柵的有效能力為15%～40%。裂縫寬度從3 mm到9 mm變化時，梁在支點處產(chǎn)生裂縫，并向上反射，隨著裂縫寬度而反射速度增加。

(3)側(cè)限大小對裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展影響顯著。

［1］Atmatzidis D K，Chrysikos D A，Panagiotidi E K，et al.On the measurement of pore sizes for nonwoven polypropylene geotextiles［A］，In:Proceedings of the.8th International Conferenceon Geosynthetics［C］，2006，2.

［2］楊錫武.不同纖維瀝青混合料路用特性的室內(nèi)試驗研究［J］.公路，2007(9):188 －194.

［3］張肖寧，鄒桂蓮，王紹懷.舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層的抗反射裂縫能力［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，29(8):82－85.

［4］侯行艦.瀝青粘層抗剪強(qiáng)度試驗探析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報.2006，27(3):38－41.

［5］周志剛，張起森，鄭建龍.交通荷載作用下土工格柵防止瀝青路面開裂的橋聯(lián)效應(yīng)［J］.中國公路學(xué)報，1999，12(3):27 －34.

［6］馬時冬.土工格柵與界面摩擦特性試驗研究［J］.長江科學(xué)院學(xué)報，2004，21(1):11 －14.

［7］周富杰，孫立軍.反射裂縫的足尺疲勞試驗研究及其力學(xué)分析［J］.土木工程學(xué)報，2001，34(3):78 －83.

［8］李麗慧，董希斌.排水性瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)性的研究［J］.森林工程，2007，23(2):49 －53.

［9］白琦峰，陳榮生，杜騁.半剛性基層瀝青混凝土路面反射裂縫模擬試驗及有限元分析［J］.公路，2004(8):97－101.