瀝青路面結(jié)構(gòu)層間加筋性能試驗研究

黃立葵 ，馮曉東 ，夏愛輝，姜正暉，黃冰

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2. 綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；3. 馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410600；4. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012)

瀝青路面建設(shè)行業(yè)正不斷尋求提高施工效率、改善路面性能、節(jié)約資源和推進(jìn)環(huán)境管理的方案[1-2]。半剛性基層瀝青路面在荷載和溫度耦合作用下容易產(chǎn)生反射裂縫，雨水滲入裂縫進(jìn)一步惡化路面狀況[3-4]。為防止和延緩反射裂縫，通常在路面結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)筋材、增加路面結(jié)構(gòu)層厚度、使用改性瀝青等，以此增強(qiáng)瀝青層的抗疲勞性能[5-8]。土工合成材料是應(yīng)用最廣泛的路面加筋材料，能有效防止瀝青路面的反射裂縫，提高瀝青路面的抗車轍性能，并在一定程度上減小瀝青面層的厚度[9-11]。近年來，鋼絲加筋網(wǎng)逐漸受到重視，相比于土工合成材料，鋼絲加筋網(wǎng)具有更高的性價比和更好的長期性能[12]。BROWN 等[13]對鋼絲加筋網(wǎng)、玻纖格柵、土工布進(jìn)行了層間剪切試驗和疲勞性能試驗，表明鋼絲加筋網(wǎng)試件層間粘結(jié)性能較好，設(shè)置鋼絲加筋網(wǎng)的瀝青層疲勞壽命提高了3倍。AL-QADI 等[14]利用三維有限元分析，證明了鋼絲加筋網(wǎng)可以提高瀝青加鋪層50%～90%的使用壽命。ELSEIFI 等[15]利用有限元模擬Virginia Smart Road 的I和L 路段路面結(jié)構(gòu)，證實鋼絲加筋網(wǎng)對路面的抗疲勞性能都有所改善。AHMED 等[16]進(jìn)行了疲勞試驗和永久變形試驗，表明鋼絲加筋網(wǎng)能提高試件疲勞壽命和抵抗車轍變形的能力。VANELSTRAETE 等[17]對鋼絲加筋網(wǎng)、土工織物、玻纖格柵等加筋材料進(jìn)行了數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗，表明鋼絲加筋網(wǎng)比其他幾種材料具有更好的低溫抗裂性能。CONI 等[18]采用靜力和動力分析方法研究了鋼絲加筋網(wǎng)對瀝青路面受力性能的影響，表明加筋網(wǎng)能夠降低瀝青路面的應(yīng)力應(yīng)變水平。ROMEO等[19]對設(shè)置鋼絲加筋網(wǎng)的瀝青混凝土試件進(jìn)行了三點彎曲試驗，并利用數(shù)字圖像技術(shù)研究試件中應(yīng)變變化和損傷分布，表明加筋網(wǎng)能提供更好的抗剪切性能，加筋網(wǎng)與瀝青混合料的力學(xué)聯(lián)鎖優(yōu)化了荷載的傳遞。NARENDRA 等[20-21]通過靜載試驗得出了鋼絲加筋網(wǎng)對基層的荷載改善系數(shù)為1.4～1.9，通過直接剪切試驗證明了加筋網(wǎng)試件層間剪切強(qiáng)度峰值高于土工格柵試件。查旭東等[22]建立了三維有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)鋼絲加筋網(wǎng)可以提高AC+PCC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)抗開裂能力。MAZZOTTA 等[23]對瀝青層層間的鋼絲加筋網(wǎng)進(jìn)行了拉拔試驗，證明Ω 型鋼絲網(wǎng)在瀝青層層間的錨固性能優(yōu)于直絲型鋼絲網(wǎng)。SUKU 等[24]通過靜載試驗和重復(fù)加載試驗證實了鋼絲加筋網(wǎng)能夠分散路面所受壓力，減少路面變形，提高路面的使用壽命。TANG等[25]通過車轍試驗和凍融劈裂試驗，證明了鋼絲加筋網(wǎng)試件有很好的抗車轍和抗開裂性能。查旭東等[26]選取鋼絲加筋網(wǎng)、自粘式玻纖格柵、鋼塑復(fù)合土工格柵和聚酯長絲土工布4種材料進(jìn)行層間加筋試驗，發(fā)現(xiàn)鋼絲加筋網(wǎng)提高試件高溫抗車轍性能和低溫抗開裂性能效果最好。以往的研究表明，鋼絲加筋網(wǎng)可以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)層間的荷載傳遞，改善加筋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，提高路面抗疲勞和抗車轍性能，然而鋼絲網(wǎng)加筋瀝青路面的作用機(jī)制及影響因素研究甚少。本文選擇3種不同規(guī)格的鋼絲加筋網(wǎng)、玻纖格柵和自粘式應(yīng)力布共5種材料，通過車轍試驗和層間剪切試驗，研究不同加筋材料路面結(jié)構(gòu)組合試件的高溫抗車轍性能和層間抗剪切性能，通過3 種規(guī)格鋼絲加筋網(wǎng)試件的拉拔試驗，研究鋼絲網(wǎng)在路面結(jié)構(gòu)層間的錨固性能，旨在進(jìn)一步探討瀝青路面層間加筋的行為機(jī)理，綜合評價不同類型加筋方式對瀝青路面層間力學(xué)性能的改善效果，為工程應(yīng)用提供參考。

1 材料和試驗方法

1.1 材料和準(zhǔn)備過程

1.1.1 混合料設(shè)計

試驗所用SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。粗細(xì)集料均為石灰?guī)r集料，礦料級配如表2 所示。采用馬歇爾法確定混合料瀝青用量[27]，AC-13 最佳油石比為4.7%，AC-20 最佳油石比為4.3%。采用標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，確定水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量為4.5%(42.5號硅酸鹽水泥)，混合料最大密度為2.35 g/cm3。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical parameters of SBS modified asphalt

表2 混合料礦料級配Table 2 Mineral aggregate gradations

1.1.2 加筋材料

鋼絲加筋網(wǎng)分為3 種：直絲型-L3(φ=3.4 mm)、Ω 型-L2(φ=3.9 mm)、Ω 型-L3(φ=3.4 mm)。玻纖格柵是利用經(jīng)編工藝制成的網(wǎng)狀基材，表面經(jīng)過了涂覆處理，經(jīng)、緯向均有很高的抗拉強(qiáng)度和較低的延伸率。自粘式應(yīng)力布由基布與防水層組成，基布由無堿玻纖紗和聚酯玻纖布定向經(jīng)編而成，基布的單面覆蓋有防水層；防水層由SBS 改性瀝青與EVA 樹脂共聚制備而成。5 種加筋材料(圖1)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 加筋材料技術(shù)參數(shù)Table 3 Properties of reinforced materials

圖1 加筋材料Fig. 1 Reinforced materials

1.1.3 試件制備

進(jìn)行車轍試驗和層間剪切試驗的I 型組合試件尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，結(jié)構(gòu)形式為水泥穩(wěn)定碎石+加筋材料+AC-13(圖2)，采用輪碾成型機(jī)壓實成型。

圖2 I型組合試件Fig. 2 Type I composite specimen

進(jìn)行拉拔試驗的II型組合試件尺寸為150 mm×400 mm×100 mm，采用輪碾成型機(jī)壓實的板式試件切割而成。結(jié)構(gòu)形式分為水泥穩(wěn)定碎石+鋼絲網(wǎng)+AC-13和AC-20+鋼絲網(wǎng)+AC-13(圖3)。

圖3 II型組合試件Fig. 3 Type II composite specimen

層間黏結(jié)劑的種類和用量會影響層間黏結(jié)強(qiáng)度[28]。以乳化瀝青作為層間黏結(jié)劑時，參考JTG F40-2004規(guī)范[27]確定乳化瀝青用量。實體工程鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)的過程中，需要用錨釘或者稀漿封層將加筋網(wǎng)固定在路面結(jié)構(gòu)層上，一般使用錨釘固定鋼絲加筋網(wǎng)[12]。為了防止錨釘對試件的破壞，采用熱熔性改性環(huán)氧樹脂202 將鋼絲網(wǎng)固定在I 型組合試件下層表面，每塊試件環(huán)氧樹脂用量為40 g，25 ℃固化18 h。不同加筋試件層間處理方式見圖4。

圖4 不同加筋材料的層間處理Fig. 4 Interlayer processing of different reinforcing materials

1.2 試驗方法

試驗方法匯總于表4。

表4 試驗方法Table 4 Experiment methods

動穩(wěn)定度(DS)計算公式為：

式中：DS為瀝青混合料的動穩(wěn)定度，次/mm；d1和d2分別為對應(yīng)于時間t1和t2的變形量，mm；C1為試驗機(jī)類型系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動加載輪往返運行方式取1.0；C2為試件系數(shù)，試驗室制備寬300 mm的試件取1.0；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。層間剪切強(qiáng)度(S)計算公式為：

式中：S為直剪試驗層間剪切強(qiáng)度，MPa；Pmax為作用在組合試件上最大剪切荷載，N；A為組合試件受力面面積，mm2。

加筋材料的相互作用系數(shù)定義為：在相同的豎向壓力下，加筋界面的抗剪強(qiáng)度與未加筋界面的抗剪強(qiáng)度之比，采用式(3)計算加筋材料的相互作用系數(shù)[29-30]。

拉拔試驗試件兩側(cè)使用鋼板夾持，利用扭矩扳手在鋼板表面施加0.1 N/mm2的約束力，約束試件側(cè)面的螺栓總共4個，平均每個螺栓上施加的垂直壓力為1 500 N，試件固定方式如圖5所示。

圖5 固定試件Fig. 5 Fixed specimen

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 車轍試驗

車轍試驗結(jié)果如圖6 和圖7 所示。5 種加筋材料均提升了組合試件動穩(wěn)定度，減小了最大車轍深度。加筋試件最大車轍深度由小到大排序依次為Ω 型-L2，直絲型-L3，Ω 型-L3，自粘式應(yīng)力布和玻纖格柵試件；與未加筋試件相比，動穩(wěn)定度相應(yīng)提高了33%，27%，22%，13%和8%。

圖6 加筋試件的動穩(wěn)定度Fig. 6 Dynamic stability of specimens with reinforced materials

圖7 加筋試件的最大車轍深度Fig. 7 Maximum rutting depth of specimens with reinforced materials

加筋材料提升路面結(jié)構(gòu)組合試件抗車轍能力的機(jī)理如圖8和圖9所示。

圖8 拉膜效應(yīng)Fig. 8 Tensioned membrane effect

圖9 平面限制效應(yīng)Fig. 9 Plane confinement effect

1) 拉膜效應(yīng)：試件表面產(chǎn)生變形時，加筋材料隨之變形，其抗拉能力分散了結(jié)構(gòu)上部傳來的荷載應(yīng)力，限制了結(jié)合面附近集料的豎向位移。

2) 平面限制效應(yīng)：鋼絲加筋網(wǎng)和玻纖格柵存在網(wǎng)格空間，與上層瀝青混合料產(chǎn)生嵌鎖作用，網(wǎng)格限制了集料的運動，優(yōu)化了荷載傳遞，提高了加筋界面集料塑性流動的阻力。

Ω 型-L2 鋼絲網(wǎng)試件的抗車轍性能強(qiáng)于另外2種鋼絲網(wǎng)試件，源于Ω 型-L2 鋼絲網(wǎng)更高抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致更優(yōu)的“拉膜效應(yīng)”。鋼絲加筋網(wǎng)的抗拉強(qiáng)度雖低于玻纖格柵，但六邊形網(wǎng)孔的限制作用要優(yōu)于正方形網(wǎng)孔[31]，三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的鋼絲加筋網(wǎng)與集料有更強(qiáng)的嵌鎖作用，故鋼絲網(wǎng)試件抗車轍能力優(yōu)于玻纖格柵試件主要是“平面限制效應(yīng)”所致。玻纖格柵的抗拉強(qiáng)度與自粘式應(yīng)力布相當(dāng)，“平面限制效應(yīng)”均較弱，故2種組合試件抗車轍能力大體相同。

2.2 層間剪切試驗

層間剪切強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖10 所示，加筋材料的相互作用系數(shù)如圖11 所示。不同加筋方式對試件層間抗剪強(qiáng)度的影響排序為：直絲型-L3，Ω型-L3，Ω 型-L2，未加筋、玻纖格柵、自粘式應(yīng)力布。

圖10 加筋試件的層間剪切強(qiáng)度Fig. 10 Interface shear strength of specimens with reinforced materials

圖11 加筋材料的相互作用系數(shù)Fig. 11 Interaction coefficients for reinforced materials

加筋試件層間抗剪能力來源于3 個方面[32-33]：1) 配筋筋面與集料之間的摩阻力；2) 筋材開口區(qū)域集料之間的摩阻力；3) 因網(wǎng)孔的存在，集料對加筋材料的被動抗剪能力。

加筋土工織物會降低試件層間黏結(jié)性能[34-35]，層間接觸面的隔離對結(jié)構(gòu)層間抗剪性能產(chǎn)生了不利影響，故玻纖格柵試件和自粘式應(yīng)力布試件的層間抗剪能力弱于未加筋試件。土工格柵試件的抗剪強(qiáng)度與開口面積比成正比[35]，本次試驗選用的土工格柵開口面積比為68%。自粘式應(yīng)力布則分隔了上下層接觸面，故其試件層間抗剪強(qiáng)度最低。鋼絲網(wǎng)開口面積比為93%，未進(jìn)行層間固定的鋼絲網(wǎng)也會略微降低試件層間黏結(jié)性能，未固定的直絲型鋼絲網(wǎng)相互作用系數(shù)為0.997[26]，固定后的直絲型鋼絲網(wǎng)相互作用系數(shù)為1.17，固定后的鋼絲網(wǎng)與試件上層集料有很好的嵌鎖作用，體現(xiàn)在鋼絲網(wǎng)的“被動抗剪”能力較好(作用機(jī)理見圖12)，故鋼絲加筋網(wǎng)試件的層間剪切強(qiáng)度明顯高于未加筋試件。由于Ω型駝峰的存在，Ω型加強(qiáng)鋼絲開口區(qū)域上下層集料之間的接觸面積較直絲型略小，Ω型鋼絲網(wǎng)相互作用系數(shù)稍低于直絲型鋼絲網(wǎng)，但3種鋼絲加筋網(wǎng)的相互作用系數(shù)差異較小。

圖12 鋼絲網(wǎng)的被動抗剪Fig. 12 Passive shear resistance of reinforced mesh

2.3 拉拔試驗

組合試件層間橫向加強(qiáng)鋼絲的最大拉拔力如圖13 所示。直絲型鋼絲在基層-面層、面層-面層間的最大拉拔力都很低。Ω型鋼絲的最大拉拔力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直絲型鋼絲，Ω 型-L2 鋼絲的最大拉拔力高于Ω 型-L3 鋼絲，設(shè)置于基層-面層、面層-面層間的Ω 型-L2 鋼絲最大拉拔力分別是Ω 型-L3 鋼絲的1.15倍、1.28倍，說明較大直徑的加強(qiáng)鋼絲增加了鋼絲與結(jié)構(gòu)層的接觸面積，提升了鋼絲網(wǎng)的錨固性能。

圖13 加強(qiáng)鋼絲最大拉拔力Fig. 13 Maximum pulling force of reinforced bar

橫向加強(qiáng)鋼絲在2種路面結(jié)構(gòu)層間的拉拔變形曲線如圖14 和圖15 所示。同種鋼絲網(wǎng)在基層-面層間和面層-面層間的拉拔力-位移曲線趨勢相似。直絲型鋼絲的變形曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且拉拔力一直處于很低的狀態(tài)。Ω型鋼絲的變形曲線呈現(xiàn)先快速上升然后穩(wěn)定發(fā)展的趨勢，拉拔力一直處于較高的狀態(tài)。

圖15 試件II-2變形曲線Fig. 15 Deformation curves for specimen II-2

在小變形階段(1～5 mm)，加強(qiáng)鋼絲拉拔變形曲線如圖16和圖17所示。選取該階段變形率(變形曲線的趨勢線斜率)來衡量鋼絲加筋網(wǎng)的穩(wěn)定錨固性能，變形率平均值如圖18 所示。直絲型鋼絲在位移達(dá)到3 mm 之前，抗拉拔強(qiáng)度開始下降，變形率為負(fù)值；Ω 型鋼絲變形率均超過了200 N/mm。可見直絲型鋼絲網(wǎng)的錨固穩(wěn)定性差，2 種Ω 型鋼絲網(wǎng)的錨固穩(wěn)定性較好。

圖16 試件II-1 1～5 mm變形曲線Fig. 16 Deformation curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-1

圖17 試件II-2 1～5 mm變形曲線Fig. 17 Deformstion curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-2

圖18 1～5 mm區(qū)間變形率Fig. 18 Slope of the linear interpolation from 1 mm to 5 mm

拉拔試驗中，加強(qiáng)鋼絲的Ω 型駝峰逐漸趨于平緩，靠近拉拔力源處的駝峰變形更加明顯。Ω型鋼絲網(wǎng)抗拉拔的受力機(jī)理見圖19。Ω 型鋼絲網(wǎng)優(yōu)良的錨固性能來源于：1) 鋼絲長度的增加提高了橫向加強(qiáng)鋼絲在結(jié)構(gòu)層間的摩阻力；2) 鋼絲網(wǎng)的受力變形使Ω 型駝峰受到了周邊材料的正壓力，提高了鋼絲與層間材料之間的摩阻力；3) 施加拉力后，Ω型駝峰“端部承壓”作用，增大了Ω型鋼絲的抗拉拔力。

圖19 Ω型駝峰的受力機(jī)理Fig. 19 Functional mechanism of hump bars

3 結(jié)論

1) 布設(shè)于瀝青路面面層-基層之間的鋼絲網(wǎng)、玻纖格柵、自粘式應(yīng)力布，對提高結(jié)構(gòu)抗車轍能力都有積極的影響；因其“平面限制效應(yīng)”，鋼絲加筋網(wǎng)與集料有更強(qiáng)的嵌鎖作用，抗車轍能力顯著改善。

2) 布置于瀝青路面面層-基層之間鋼絲網(wǎng)，因其與集料間的嵌鎖致使鋼絲網(wǎng)具有良好的“被動抗剪”作用，改善了結(jié)構(gòu)層間抗剪能力；自粘式應(yīng)力布和玻纖格柵因?qū)娱g接觸面的隔離作用，對界面抗剪強(qiáng)度有不利影響。

3) 設(shè)置于基層-面層、面層-面層間的Ω 型加強(qiáng)鋼絲的抗拉拔能力和錨固穩(wěn)定性比直絲型鋼絲大大提高；增大加強(qiáng)鋼絲直徑也能提升Ω 型鋼絲網(wǎng)的層間錨固性能。

4) Ω 型駝峰顯著提高鋼絲網(wǎng)在路面結(jié)構(gòu)層間的錨固性能，主要源于Ω 型鋼絲網(wǎng)受力變形后，提高了鋼絲與層間材料之間的摩阻力和Ω 型駝峰的“端部承壓”作用。