“白改黑”中常用土工合成材料防治反射裂縫的特點(diǎn)及性能比較

“白改黑”中常用土工合成材料防治反射裂縫的特點(diǎn)及性能比較

劉鵬飛

（重慶市渝北區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 401147）

該文對(duì)在“白改黑”工程中廣泛使用的層間連接物土工合成材料，以及其在抵抗瀝青混凝土面層反射裂縫發(fā)生和發(fā)展中的特點(diǎn)及其粘接與剪切性能進(jìn)行了介紹，為類似工程的施工與設(shè)計(jì)提供參考。

白改黑；土工合成材料；反射裂縫

引言

近年來(lái)，隨著道路交通流量和汽車載重量的急劇增加，越來(lái)越多的水泥混凝土路面不堪重負(fù)，出現(xiàn)了不同程度的病害，迫切需要對(duì)原有路面進(jìn)行改造。水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面層（俗稱“白改黑”）后可以使道路使用壽命延長(zhǎng)、表面平整度得到改善、行車舒適度提高、噪聲污染降低，使這種結(jié)構(gòu)在水泥混凝土路面功能性維修中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用；然而瀝青加鋪層迅速發(fā)生和發(fā)展的反射裂縫病害，嚴(yán)重縮短了瀝青加鋪層的使用壽命。為有效防止反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展，近年來(lái)大家做了大量的試驗(yàn)和探索，在水泥混凝土路面與新鋪瀝青混凝土之間增鋪一層土工夾層材料，減緩和防治反射裂縫的效果明顯，同時(shí)其施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)較低，廣泛應(yīng)用于“白改黑”工程中。搞清各種常用土工合成材料的工作特點(diǎn)及性能，對(duì)在不同環(huán)境條件下選擇不同土工夾層材料有著非常重要的指導(dǎo)作用。在道路“白改黑”工程中用作夾層材料的土工合成材料主要有土工布（又名土工織物）、玻纖格柵和聚酯玻纖布，本文就這三種材料的工作特點(diǎn)及性能進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 影響土工合成材料防治反射裂縫發(fā)生的因素

在水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土涉及剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)形式，材料特性差異非常大，同時(shí)混凝土面板存在接縫、斷裂、錯(cuò)臺(tái)、脫空等病害以及土工合成材料自身特性等，都直接影響到加鋪瀝青混凝土反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

（1）水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度及損壞情況。當(dāng)混凝土面板在外力作用下其豎向相對(duì)變形超過(guò)2mm以及由溫度效應(yīng)引起的橫向變形超過(guò)3mm時(shí)，在加鋪土工夾層材料前都必須進(jìn)行修補(bǔ)處理。

（2）水泥混凝土路面修補(bǔ)效果。混凝土路面常見(jiàn)病害包括斷裂、塊狀裂縫、坑槽、沉陷、脫空等，這些病害在加鋪瀝青面層之前都必須進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到相應(yīng)路面等級(jí)要求的設(shè)計(jì)彎沉指標(biāo)。

（3）加鋪瀝青罩面的厚度。增加鋪筑厚度，土工合成材料防治反射裂縫的效果越明顯。

（4）氣候條件。在潮濕和凍融循環(huán)次數(shù)較多的環(huán)境中使用土工合成材料效果不太明顯。

（5）土工夾層材料自身的力學(xué)性能及抗高溫的能力。土工夾層材料必須具有足夠的強(qiáng)度，尤其是剪切強(qiáng)度，同時(shí)瀝青混凝土鋪設(shè)時(shí)溫度較高，對(duì)以聚乙烯及聚酯等為主要成分融點(diǎn)較低的土工材料影響極大。

（6）土工材料鋪帖的平順程度以及灑布的粘層油與土工材料的粘合效果，對(duì)夾層材料使用后的成效將產(chǎn)生直接影響。

2 土工布（土工織物）防治瀝青混凝土反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的特點(diǎn)

（1）為避免瀝青混凝土面層與水泥混凝土路面直接接觸，在二者之間鋪設(shè)一層土工布，阻斷水泥混凝土面板裂縫變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力直接傳遞到瀝青面層。

（2）土工布在外力作用下能產(chǎn)生一定的變形，柔韌性較好。在混凝土面板裂縫變形產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，鋪設(shè)的土工夾層材料能將此應(yīng)力向周邊擴(kuò)散，大大減小裂縫處的應(yīng)力，土工合成材料彈性較好，可以吸收緩沖部分拉伸能量。

（3）在混凝土表面鋪設(shè)土工布后，由于土工布夾層可以抵抗面板裂縫變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力。只有當(dāng)面板裂縫變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力大到土工夾層材料無(wú)法抵抗時(shí)，瀝青混凝土面層才會(huì)開(kāi)始工作，承受由土工夾層材料傳遞上去的那部分拉應(yīng)力。

（4）在混凝土面板上鋪筑土工布后，其孔隙被瀝青粘合料封閉，阻斷地表水的下滲，保證了基層的強(qiáng)度。

（5）土工布具有高溫吸收熱量，低溫釋放熱量的性能，鋪設(shè)后可調(diào)節(jié)溫度變化梯度，可以減小溫度應(yīng)力和溫度裂縫。

3 玻璃纖維格柵防治瀝青混凝土反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的特點(diǎn)

（1）玻纖格柵的抗拉強(qiáng)度非常強(qiáng)，經(jīng)檢測(cè)其抗拉強(qiáng)度約為370MPa，鋪筑后能為抵抗裂縫發(fā)生提供足夠的剛度；同時(shí)，玻纖格柵能將瀝青面層中的各種應(yīng)力向周邊擴(kuò)散，使得面層所承受的應(yīng)力不至于形成突變。

（2）玻纖格柵抵抗變形的能力非常高，其破壞延伸率不到4%。

（3）由于玻纖格柵材料的低延伸率，在長(zhǎng)時(shí)間荷載作用下不會(huì)像土工布一樣發(fā)生較大的蠕變，能保證其長(zhǎng)期性能。

（4）玻纖格柵在使用前都在其表面進(jìn)行了有機(jī)涂層處理，使其與瀝青材料的相容性非常突出；同時(shí)經(jīng)過(guò)處理后還可以改善其不耐磨、不耐折的缺點(diǎn)。

（5）玻璃纖維的融化點(diǎn)經(jīng)測(cè)定在1000℃左右，使其在瀝青混凝土高溫?cái)備仌r(shí)保持極強(qiáng)的穩(wěn)定性。

（6）玻纖格柵經(jīng)聚合物涂層處理，大大提高了其抵抗物理、化學(xué)侵蝕的能力，并且對(duì)環(huán)境變化不敏感，保證了材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

（7）瀝青混凝土集料在碾壓成形前，在外力作用下通過(guò)自身蠕動(dòng)進(jìn)入玻纖格柵，最終形成一種相互嵌鎖制約的體系，阻止和約束瀝青混合料的流動(dòng)，瀝青混合料更易于壓實(shí)，路面的承載能力也得到相應(yīng)提高，相同外力作用下變形也減少；同時(shí)由于瀝青面層與玻纖格柵相互阻礙和限制，就防止了瀝青面層的相對(duì)滑移，尤其在高溫條件下避免形成車轍。

（8）在嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土路面易于收縮開(kāi)裂，鋪設(shè)玻纖格柵后提高瀝青混凝土面層抵抗拉應(yīng)力的能力；即使局部位置出現(xiàn)裂紋，其集中應(yīng)力也可以通過(guò)玻纖格柵的傳遞逐漸衰減和消失，使得已有裂紋的擴(kuò)展速度和范圍得到控制。

（9）在車輪荷載作用下車輪底部的瀝青混凝土面層將承受壓應(yīng)力，車輪邊緣以外的面層將承受拉應(yīng)力，在鋪設(shè)了玻纖格柵后就可能將相應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行分散、消解，在兩種不同受力區(qū)界面處形成緩沖，減小兩種拉、壓應(yīng)力突變的破壞，減緩和抑制瀝青混凝土面層的疲勞裂縫；玻纖格柵具有強(qiáng)大的抗變形能力，能有效減小路面的彎沉，使得路面結(jié)構(gòu)不致發(fā)生過(guò)大變形而破壞。

4 聚酯玻纖布防止反射裂縫的特點(diǎn)

聚酯玻纖布是一種全新玻纖復(fù)合防裂材料，是由60%玻璃纖維和40%聚酯纖維組成的一種復(fù)合土工合成材料。聚酯玻纖布具有玻璃纖維的強(qiáng)度和聚酯纖維的柔韌性，卻對(duì)這兩種材料的缺點(diǎn)進(jìn)行了克服。聚酯玻纖布防止反射裂縫的主要特點(diǎn)如下。

（1）抗拉強(qiáng)度高，延伸率低。

（2）聚酯玻纖布在使用過(guò)程中不發(fā)生蠕變，產(chǎn)品的性能使用能夠得到長(zhǎng)時(shí)間保證。

（3）聚酯玻纖布的熔點(diǎn)在230℃以上，在160℃熱鋪瀝青混凝土?xí)r其物理、化學(xué)穩(wěn)定性均能得到保持。

（4）為保證面層與基層的粘接而共同受力，熱鋪面層必須吸收加鋪土工合成材料下的粘油并達(dá)到飽和。聚酯玻璃纖維布具有良好的吸附能力，與瀝青及瀝青混合料都具有良好的相容性，能將瀝青面層和粘油層吸附粘接在一起。

（5）經(jīng)特殊處理后的聚酯玻纖布具有更加強(qiáng)大的抵御各類化學(xué)、生物、物理侵蝕和環(huán)境氣候變化的能力。

（6）在瀝青混凝土面層出現(xiàn)裂縫時(shí)，只要聚酯玻纖布與灑布的粘層油結(jié)合密貼，形成有效防水阻斷，就能使得地表水不至于滲透到路面基層，這是聚酯玻纖布相比于玻纖格柵最明顯的優(yōu)點(diǎn)。

（7）聚酯玻纖布施工時(shí)，由于不分正反面，鋪貼不易褶皺，施工工藝簡(jiǎn)單。

（8）聚酯玻纖布能夠再生使用，在瀝青混凝土再生施工時(shí)，銑刨會(huì)把聚酯玻纖布粉碎成非常小的纖維作為摻入的再生料，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

5 各土工夾層材料的物理、力學(xué)性能比較

各種土工夾層材料最重要的性能是粘結(jié)性能及抗剪性能，這二者綜合性指標(biāo)的優(yōu)劣直接決定了夾層材料在瀝青罩面中抑制反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的效果。

5.1 夾層材料的粘結(jié)強(qiáng)度性能

5.1.1 夾層材料粘結(jié)強(qiáng)度的確定方法

土工夾層材料在層間的粘結(jié)強(qiáng)度可以通過(guò)鉆芯拉拔試驗(yàn)來(lái)得到；如果瀝青混凝土與水泥混凝土層間結(jié)合好，則層間的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)較高。制作的拉拔試件應(yīng)為風(fēng)干狀態(tài)，采用自制夾具，拉拔試驗(yàn)將拉拔頭用環(huán)氧樹脂粘牢，保持時(shí)間不少于6h以保證拉拔頭粘結(jié)牢固。試驗(yàn)時(shí)的溫度控制在25±2℃，拉拔速度控制為2mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，采集數(shù)據(jù)儀器的精度應(yīng)不低于0.001kN。拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1。

5.1.2 粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析夾層材料粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算方法：

圖1 拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

式中：R—粘結(jié)強(qiáng)度（10-3MPa）

x—拉拔力（kN）

S—拉頭的截面積（單位：m2）

每次試驗(yàn)取3個(gè)平行試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比見(jiàn)表1和圖2。

表1 三種土工夾層材料拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖2 拉拔試驗(yàn)結(jié)果分析比較圖

5.2 夾層材料的抗剪強(qiáng)度性能

5.2.1 夾層材料抗剪強(qiáng)度的確定方法

通過(guò)UTM試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夾層材料的斜剪試驗(yàn)，以確定其抗剪強(qiáng)度。抗剪強(qiáng)度試件應(yīng)為風(fēng)干狀態(tài)，采用自制夾具。試驗(yàn)時(shí)的溫度控制在25±2℃，試驗(yàn)剪切速率控制在50mm/min。試件模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3和圖4。試驗(yàn)時(shí)考慮到車輛在實(shí)際行駛過(guò)程中出現(xiàn)的加、減速及制動(dòng)會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生水平摩擦作用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取斜剪角度α為40°，基本上與剎車情況類似，比較好地與路面實(shí)際工作情況相吻合，同時(shí)也是最不利工況。試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖3 試件模型

圖4 剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 剪切試驗(yàn)過(guò)程

5.2.2 夾層材料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析

夾層材料粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算方法：

式中：τ—抗剪強(qiáng)度（MPa）；

F—豎向加載力（N）；

A—剪切面的接觸面積（單位：m2）；

α—斜剪角度，取40°。

每次取5個(gè)平行試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，剪切強(qiáng)度分析對(duì)比見(jiàn)圖6。

表2 三種土工夾層材料剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖6 剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

5.3 夾層材料的各項(xiàng)性能對(duì)比

（1）通過(guò)夾層材料的拉拔試驗(yàn)結(jié)果可以看出，常用的這三種夾層材料，玻纖格柵的粘結(jié)強(qiáng)度最高，土工布最差；土工布和聚酯玻纖布的粘結(jié)強(qiáng)度相差很小。

（2）通過(guò)剪切試驗(yàn)的結(jié)果可知，常用的這三種夾層材料，玻纖格柵的剪切強(qiáng)度最高，土工布最差，但相差并不大。

6 結(jié)語(yǔ)

土工合成材料作為“白改黑”工程的層間夾層材料，是目前最常用的一種價(jià)廉物美的材料，它能較好地解決罩面瀝青混凝土反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展，而且施工工藝較為簡(jiǎn)單，在具體的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中可以根據(jù)道路的病害情況、等級(jí)、使用情況等因素酌情選用。

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責(zé)任編輯：孫蘇

Features and Performance Comparison of Geo-synthetics Applied in Add-surfacing AC Layer on the PCC Project to Resist Reflection Crack

Geo-synthetics are widely applied as interlayer connective in the add-surfacing AC Layer on the PCC project.Its role in resisting reflection crack on bituminous concrete surface and splicing as well as shear property are introduced in hope of offering some references for similar engineering.

add-surfacing AC Layer on the PCC;geo-synthetics;reflection crack

U416.21

A

1671-9107（2013）03-0048-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.048

2012-12-24

劉鵬飛（1978-），男，河南社旗人，研究生，工程師，主要從事土木工程的施工及管理工作。