碳纖維土工格柵加筋瀝青面層抗車轍性能研究

要文靜

（山西辰潤(rùn)交通科技有限公司，山西 晉中 030600）

0 引言

高速公路運(yùn)行速度快，對(duì)路面平整度、行車舒適性要求高。高速公路瀝青路面在使用一段時(shí)間后往往會(huì)出現(xiàn)車轍、裂縫等病害，影響行車安全。土工格柵近年來在公路施工中得到廣泛應(yīng)用，其中碳纖維土工格柵具有較高的強(qiáng)度和模量，為預(yù)防車轍病害，可采用碳纖維土工格柵加筋的方式提高瀝青面層的強(qiáng)度[1-3]。為驗(yàn)證碳纖維土工格柵的加筋效果，通過車轍試驗(yàn)檢測(cè)高溫抗車轍性能，為實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料選擇與檢驗(yàn)

1.1 瀝青

試驗(yàn)選擇AC-13、AC-20、AC-25 三種瀝青混合料，瀝青均選擇SBS 改性瀝青，SBS 改性瀝青混合料檢測(cè)結(jié)果如表1 所示，各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，可以選用。

表1 SBS 改性瀝青混合料檢測(cè)結(jié)果

1.2 集料

三種瀝青混合料的集料選擇玄武巖，填料選擇石灰?guī)r礦粉。試驗(yàn)前對(duì)集料取樣檢測(cè)，并確保物理力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)嚴(yán)格控制礦粉含水量，不得超過1%，外觀無團(tuán)粒結(jié)塊等現(xiàn)象，且指標(biāo)滿足要求[4]。

1.3 碳纖維土工格柵

試驗(yàn)選用的碳纖維土工格柵網(wǎng)格形狀為正方形，通過取樣試驗(yàn)，得出碳纖維土工格柵主要技術(shù)參數(shù)（見表2）。各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，可以選用。

表2 碳纖維土工格柵檢測(cè)結(jié)果

1.4 級(jí)配形式

AC-13、AC-20、AC-25 三種瀝青混合料均采用密級(jí)配設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)獲得三種瀝青混合料礦料級(jí)配，如表3 所示。其中AC-13 瀝青混合料一般作為瀝青路面上面層使用，AC-20 瀝青混合料一般用于中面層，AC-25 瀝青混合料用于下面層。

1.5 最佳油石比

根據(jù)上述級(jí)配，AC-13 瀝青混合料選取4.0%、4.5%、5.0% 和5.5% 四種油石比，制備試件開展馬歇爾試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)油石比為4.6%。同樣根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，確定AC-20、AC-25 瀝青混合料最佳油石比分別為4.2%和3.8%。

2 車轍試驗(yàn)方案

分別選取AC-13、AC-20、AC-25 三種瀝青混合料，分不加筋和碳纖維土工格柵加筋兩種情況，制備車轍板試件開展高溫車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)車轍板試件共分兩組，一組為AC-13 與AC-20 混合料組合的上中面層，另一組為AC-20 與AC-25 混合料組合的中下面層，分碳纖維土工格柵加筋和不加筋兩種方式制備車轍試驗(yàn)試塊。試驗(yàn)選擇SYD-0719C-2 型全自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，在試驗(yàn)加載過程中保持輪壓不變，行走速度為勻速。將車轍板試件連同試模一起放入試驗(yàn)儀上，試驗(yàn)輪放置在試件中心，試驗(yàn)輪行走方向與碾壓方向一致，試驗(yàn)時(shí)間為1h，車轍變形達(dá)到25mm 即可停止試驗(yàn)，試驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以便于后期分析。

3 車轍試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 室內(nèi)車轍對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析

統(tǒng)計(jì)車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不加筋和碳纖維土工格柵加筋兩種情況下的車轍板試件動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度試驗(yàn)結(jié)果，具體如圖1 和圖2 所示。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析圖

圖2 車轍深度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析圖

分析圖1 得出，采用碳纖維土工格柵加筋后，兩種試件動(dòng)穩(wěn)定度均得到明顯提升，說明加筋后瀝青混合料高溫抗車轍性能得到明顯提升。與不加筋情況相比，上中面層組合試件加筋后動(dòng)穩(wěn)定度從3.265 次/mm提升到5.068 次/mm，提升幅度為55.2%；中下面層組合試件加筋后動(dòng)穩(wěn)定度從2.706 次/mm 提升到4.527 次/mm，提升幅度為67.3%，提升幅度均較大。加筋后動(dòng)穩(wěn)定度提高，說明瀝青混合料的高溫抗車轍性能提升[5-7]。

分析圖2 得出，加筋后兩種組合情況的車轍板試件車轍深度均下降，且上中面層下降幅度高于中下面層。與不加筋情況相比，上中面層組合試件加筋后車轍深度從2.354mm 下降到1.965mm，下降幅度為16.5%；中下面層組合試件加筋后車轍深度從2.503mm 下降到2.184mm，下降幅度為12.7%，相比上中面層下降幅度較小。加筋后兩種組合試件車轍深度均有一定幅度下降，且上中面層提升效果較好。結(jié)合上述動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比分析結(jié)果，加筋后瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度較大，車轍深度上中面層下降幅度較大。由于通常以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)高溫抗車轍性能的主要指標(biāo)，因此加筋后瀝青混合料高溫抗車轍性能有較大幅度改善[8-11]。

3.2 車轍高溫變形規(guī)律分析

整理試驗(yàn)期間各時(shí)間點(diǎn)車轍板試件表面車轍深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不加筋和碳纖維土工格柵加筋兩種情況下車轍深度變化曲線如圖3、圖4 所示。

圖3 上中面層車轍深度變化曲線

圖4 中下面層車轍深度變化曲線

分析圖3 曲線得出，試驗(yàn)加載前期車轍變形增幅較大，加載時(shí)間達(dá)到10min 以上后逐步變緩，與不加筋情況相比，加筋后瀝青混合料車轍變形曲線較緩。在試驗(yàn)開始后的前10min，車轍變形量增幅較大，而后逐漸下降，在試驗(yàn)結(jié)束后二者車轍深度分別為2.354mm 和1.965mm，采用碳纖維加筋后車轍深度明顯下降。

分析圖4 曲線得出，同樣在加載初期時(shí)車轍變形較大，在加載時(shí)間超過15min 后車轍增長(zhǎng)速率明顯下降，且加筋后車轍深度小于不加筋時(shí)。與上中面層相比，中下面層前期所產(chǎn)生的車轍變形更大，這是由于混合料組成不同造成的。車轍變形速率也呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，在試驗(yàn)結(jié)束后二者車轍深度分別為2.503mm 和2.184mm，加筋后車轍深度有所下降。車轍深度試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)瀝青面層變形情況類似，通車前期瀝青面層處于壓密期，車轍深度增長(zhǎng)速度快，而后瀝青面層逐漸達(dá)到密實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，車轍深度增長(zhǎng)速率逐漸下降，由此可見，試驗(yàn)車轍變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)車轍形成規(guī)律一致。

3.3 不同面層組合車轍變形試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖3 和圖4 中統(tǒng)計(jì)的上中面層和中下面層組合的車轍深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)不加筋情況下車轍變形和碳纖維加筋情況下的車轍變形進(jìn)行對(duì)比分析。在不加筋的情況下，中下面層組合車轍深度始終高于上中面層組合，在前期增長(zhǎng)幅度較大，而后逐漸趨緩，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)中下面層組合依然具有較高的增長(zhǎng)趨勢(shì)。與中下面層相比，上中面層車轍深度較小，但二者變化趨勢(shì)相近，且中下面層增長(zhǎng)趨勢(shì)高于上中面層。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，中下面層組合車轍變形曲線斜率高于上中面層組合，說明在不加筋的情況下上中面層組合具有較好的抗車轍性能。

在加筋的情況下，中下面層車轍深度始終高于上中面層，且在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)中下面層車轍深度的增加趨勢(shì)仍高于上中面層。在試驗(yàn)初期，二者車轍深度增長(zhǎng)速度均較快，而后逐漸趨緩，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)中下面層車轍變形曲線斜率高于上中面層，說明中下面層的車轍深度增長(zhǎng)趨勢(shì)較大。因此，結(jié)合上述不加筋情況下的分析結(jié)果，與中下面層相比，上中面層組合具有更高的抗車轍能力。

4 結(jié)論

為分析采用碳纖維土工格柵加筋后瀝青面層抗車轍性能的改善效果，分別制備AC-13、AC-20、AC-25 三種類型的瀝青混合料，分加筋和不加筋兩種情況制備車轍板試件開展車轍試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

首先，加筋后兩種組合形式瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高，車轍深度下降，特別是動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度較大，說明加筋可有效提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

其次，在試驗(yàn)初期，兩組試件車轍變形增長(zhǎng)速度均較快，而后逐漸下降，在采用碳纖維土工格柵加筋的情況下，中下面層和上中面層組合試件車轍深度均下降，且加筋和不加筋情況車轍變形趨勢(shì)相同，與現(xiàn)場(chǎng)車轍形成規(guī)律一致。

最后，在不加筋和碳纖維土工格柵加筋兩種情況下，中下面層組合試件車轍深度均高于上中面層組合，且在試驗(yàn)結(jié)束后仍具有較高的增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此得出上中面層組合的高溫抗車轍性能優(yōu)于中下面層組合。