道路抗裂土工格柵類應力吸收層的應用分析

文/馬東雄、孫輝

1 前言

隨著社會經濟的快速發展和我國居民汽車保有量的不斷提升，對道路的需求量及其質量要求越來越高。我國很多早期修建的道路路面多數為水泥混凝土路面，長時間使用后路面會出現裂縫。目前，道路施工中普遍是在原有水泥路面的基礎上使用瀝青集料進行鋪設，但是瀝青路面在長時間使用過程中逐漸暴露出一些問題，比如高溫環境下容易出現車轍、低溫環境下容易出現裂紋等。這些問題的存在不僅降低了道路路面的使用壽命，還對路面行車安全構成了一定威脅。工程實踐經驗表明，在“白改黑”道路路面施工中，在原有路面裂縫部位使用抗裂土工格柵類應力吸收層，能顯著改善瀝青路面的性能，提升路面的使用壽命以及行車安全性。本文介紹了道路抗裂土工格柵類應力吸收層的原理及其應用情況，對于保障瀝青路面施工質量具有重要的工程實踐意義。

2 抗裂土工格柵類應力吸收層的原理

2.1 降低反射裂縫并推遲疲勞破壞

“白改黑”瀝青路面由于原有路面存在裂縫，經長時間使用后不可避免地會出現不同的裂縫，按照裂縫方向可以分為兩種類型：縱向裂縫和橫向裂縫。縱向裂縫主要是車輛載荷過大，導致路面承受過大的剪切應力而產生的；橫向裂縫主要是路面溫度變化導致半剛性基層在水平方向出現位移而產生的。瀝青路面水平方向出現位移使得瀝青加鋪層在部分區域產生顯著的拉應力，且拉應力區域通常在裂縫上側。剪切位移使得瀝青加鋪層在某些區域出現顯著的拉彎應力，此區域通常位于接縫的上側。在瀝青路面施工中，在原有水泥混凝土路面裂縫部位使用抗裂土工格柵類應力吸收層可以有效降低反射裂縫出現的概率。因為土工格柵的彈性模量通常相對較大，先鋪設土工格柵再進行瀝青混凝土路面鋪設，能顯著提升瀝青路面的整體結構性能，其抗剪性能和抗拉性能均得到顯著提高。同時，可將裂縫部位出現的應力集中現象進行疏散，將其傳遞到其他端部，甚至將應力完全消除，從而制約反射裂縫的擴展。

一般而言，瀝青路面行駛的車輛類型非常復雜。被車輪壓過的路面區域必然會承受非常大的方向向下的壓應力作用。相反的，未被車輪壓過的區域通常會承受對應的拉應力。這兩種力存在方向差異，對應兩塊區域交界的部位會出現顯著的力的突變，且這種力的變化呈現出周期性的特點。所以，道路路面容易出現疲勞損傷，最終導致路面開裂的問題。在生產制作土工格柵時，通常會在內部添加玻璃纖維或鋼纖維，從而保證土工格柵的延伸性能。通過實驗數據表明，土工格柵的本構關系幾乎呈一條豎線，表明隨著拉應力的增加，土工格柵的應變量非常小，意味著土工格柵的抗應變性能非常好。在道路路面鋪設中，在車輪碾壓區域添加土工格柵能極大地提升對對應區域路面的抗彎性能，當路面載荷相對較大時不至于出現明顯的彎沉。另一方面，土工格柵還可以使路面中出現的拉應力或者壓應力更加分散，避免出現力的突變的問題，從而有效推遲疲勞破壞問題的出現。

2.2 耐高溫車轍和低溫收縮裂紋

瀝青材料在高溫條件下會變軟，呈現出很強的流變性特征。因此在夏季高溫氣候條件下，道路上行駛的汽車會導致瀝青路面出現流動和變形，并且瀝青集料沒有其他物體對其流動和變形情況進行限制，所以被車輪碾壓過的區域會出現明顯的凹陷，凹陷區的瀝青集料會向車輪兩側移動，導致兩側區域出現明顯凸起。這種瀝青集料的流動現象是不可逆轉的，時間長久后車輪碾壓區域會出現明顯的車轍。瀝青路面施工中使用的抗裂土工格柵通常為網狀結構，在瀝青路面鋪設此結構后，一旦瀝青集料出現橫向流動，會在土工格柵上面形成復合力學嵌索體系。此力學體系的形成可以對瀝青集料的流動過程進行限制，降低其流動程度，防止車輪碾壓區域的瀝青集料向兩側區域流動，同時增加車輪區域的壓實度。所以通過使用抗裂土工格柵能顯著提升瀝青路面的耐高溫車轍性能[1]。

受到熱脹冷縮效應的影響，瀝青路面結構在低溫環境下體積會產生收縮的現象，導致路面出現明顯的拉應力，張拉應力超過了瀝青路面的抗拉強度后，會出現不同程度的裂紋。再加上車輛載荷的作用。使裂紋不斷地向橫向和縱向方向發展，最終導致瀝青路面出現不可挽回的損壞。通過使用抗裂土工格柵。能在很大程度上提升瀝青路面的抗拉性能，防止路面在寒冷環境下出現裂縫的問題，另一方面，即便瀝青路面已經出現了裂縫，也能在很大程度上減緩裂縫的擴展。所以抗裂土工格柵能起到抵抗低溫收縮裂紋的作用。

3 抗裂土工格柵類應力吸收層的特點

已有的工程實踐經驗表明，道路路面施工中在原有路面裂縫部位以及車輪碾壓區域使用抗裂土工格柵類應力吸收層，能起到非常好的效果。其特點和優勢主要表現在以下幾個方面：第一，通常道路的板塊接縫部位特別容易出現應力集中問題，土工格柵可以有效降低此部位的應力集中值，改善此部位的受力條件。第二，瀝青路面不管在高溫還是低溫環境下都容易出現問題，使用土工格柵應力吸收層則可以顯著提升瀝青路面在高溫和低溫環境下的各項性能，出現車轍和裂紋的概率大大降低。第三，可以在一定程度上提升瀝青路面的防水性能，防止過多雨水滲透路基中，對路基性能造成不良影響，從而提升路面整體的穩定性和可靠性。第四，抗裂土工格柵類應力吸收層的施工過程簡單方便，無須特殊的施工器具，對施工環境的要求也相對較低，所以整體的施工成本不高。第五，土工格柵類材料通常具有良好的性能，且性能比較穩定，外部環境的變化基本不會對其物理和力學性能產生明顯的影響。

4 抗裂土工格柵類應力吸收層實踐應用

為了對道路抗裂土工格柵類應力吸收層的實際應用效果進行分析，本研究中以河北省阜平縣蒼山東路施工工程項目為依托，在其中選取200m 長度的路段作為實驗路段，在此路段中根據上述的工藝使用土工格柵進行鋪設。為了對比研究，在相鄰路段同樣設置200m 的對比實驗段，此路段使用傳統的SBS 改性瀝青應力吸收層進行鋪設。其中，實驗組稱為A 組，對照組稱為B 組，每個組均設置5 個測量點對其應變值進行檢測。

本次試驗測試工作在冬季運行，分別研究了不同溫度、速度以及載荷對路面變形情況的影響，利用應變片檢測了不同工況情況下路面的應變值。其中，溫度大小依次為-8℃、-3℃、0℃、3℃，速度大小依次為5km/h、10km/h、20km/h、40km/h，重量載荷依次為139t、10t。通過對檢測數據的整理，可以很好地反映不同工況條件下兩種應力吸收層的實踐應用效果，如圖1 和圖2 所示為兩組典型數據統計結果。

圖1 不同速度的結果對比

圖2 不同溫度的結果對比

從圖中數據可以明顯看出，隨著路面行車速度的增加，路面的應變值均出現降低的趨勢，隨著環境溫度的不斷提升，路面應變值也出現逐漸提升的趨勢。但是在其他條件均相同的情況下，使用土工格柵類應力吸收層，路面應變值要比傳統的材料要小很多，但隨著行車速度的不斷增加，兩者之間的差距越來越小。在車輛載荷為10t，行車速度為5km/h 的情況下，土工格柵對應的路面應變值要比傳統材料對應的路面應變值平均低40%，說明土工格柵在抵抗低溫收縮裂紋方面具有更好的效果。總體而言，土工格柵的應用效果更加顯著，能更好地改善瀝青路面的穩定性和可靠性，防止發生變形和裂紋問題。

5 實踐應用社會效益分析

道路路面施工中，在特殊部位，比如原有水泥混凝土路面裂紋和車轍區域等，使用土工格柵類應力吸收層，不僅可以取得很好的效果，其總體投資以及環保性能也相對更好。如圖3 所示為SBS 改性瀝青混合料應力吸收層的結構示意圖，由于土工格柵類應力吸收層與SBS 改性瀝青混合料施工過程相比較更加簡單便捷，所以可以在一定程度上降低工程總造價，與傳統的SBS 改性瀝青混合料相比較，其投資成本大約降低10%～15%。在“白改黑”路面施工中，使用土工格柵類應力吸收層，可以很好地避免路面出現反射裂紋問題，大大降低了路面后期的維護和保養成本。從此層面看，抗裂土工格柵類應力吸收層的經濟效益更加顯著。另外，在對老舊路面進行重新施工時，傳統的工藝需要在路面上鋪設碎石，并用專業的設備進行碾壓處理，期間會產生很大的粉塵和噪聲。使用土工格柵應力吸收層進行施工時可以有效規避以上問題，產生良好的社會效應[2]。

圖3 SBS 改性瀝青混合料應力吸收層的結構示意圖

6 結語

土工格柵類應力吸收層是近年來發展起來的抵抗瀝青路面產生裂紋的新興技術，雖然此項技術發展時間不長，但是在工程應用中表現出了顯著的優勢。通過使用土工格柵能優化改善道路路面的受力特征，防止出現應力集中現象。土工格柵的成本不高，施工過程簡單方便，無須特殊的器械裝置，具有非常大的推廣應用價值。本文通過對道路抗裂土工格柵類應力吸收層的基本工作原理及其應用情況進行分析，能進一步推廣土工格柵在工程實踐中的應用范圍。