土工材料及其加铺位置对沥青混合料抗裂性能影响研究

莫石秀，孔令云

（1.广东省路桥建设发展有限公司，广州　510635；2.重庆交通大学，重庆　400074）

土工材料及其加铺位置对沥青混合料抗裂性能影响研究

莫石秀1，孔令云2

（1.广东省路桥建设发展有限公司，广州510635；2.重庆交通大学，重庆400074）

通过比较玻璃纤维土工格栅、加铺聚酯长丝烧毛土工布以及不加铺土工格栅的试样小梁弯曲试验、劈裂试验、单轴压缩试验、疲劳试验，研究不同种类土工材料及其铺设位置对沥青混合料性能的影响。试验分析表明：铺设玻璃纤维格栅对沥青混合料破坏应变影响显著，对其劲度模量有较大改善，且其疲劳性能也得到明显改善；随着温度降低，加铺玻璃纤维格栅后试件抗拉强度提高幅度明显高于加铺土工布的，但对其破坏应变、劲度模量的影响不是很显著。

道路工程；路面工程；玻璃纤维格栅；破坏应变；劲度模量；劈裂强度

反射裂缝是沥青路面普遍存在的一种病害现象［1-2］。目前反射裂缝主要处治方法有：增加沥青面层厚度［3-5］；进行半刚性材料的合理设计；控制沥青路面设计指标［6］；在面层和基层之间加铺级配碎石；加铺土工织物等［7-9］。调研发现［10-11］，在沥青面层与下卧层、沥青上面层与下面层之间铺设1层土工材料，可减缓甚至消除面层反射裂缝、延长沥青路面使用寿命。但是，由于沥青路面施工时温度约为（160±10）℃，致使土工材料褶皱、变形，以至于软化，使其性能大幅度降低，不但难以实现其使用目的，有时反而会导致沥青路面凹凸不平，同时还会降低其层间的粘结效果。因此，目前工程上逐渐采用玻璃纤维格栅以消除该影响。基于此，笔者以宁夏古王路一标段主线为依托工程，通过小梁弯曲试验、劈裂试验、单轴压缩试验、疲劳试验，对铺设玻璃纤维土工格栅与加铺或不加铺聚酯长丝烧毛土工布的沥青混合料进行对比分析，为实际工程应用提供参考。

1　试验原材料性能测试及试验设计

1.1依托工程

本文以宁夏古王路一标段主线为依托工程，其沥青路面面层结构为4 cm上面层+6 cm中面层+ 8 cm下面层的结构，试验用原材料、集料级配与依托工程相同。

1.2新沥青

沥青采用国产克拉玛依石油沥青AH-90，其基本技术指标见表1。

表1　沥青基本技术指标

1.3粗集料

粗集料采用沙坝沟料场的集料，包含18～31、10～18、5～10 mm碎石，其主要技术指标见表2。

表2　粗集料技术指标

1.4细集料

根据依托工程实际情况，细集料采用石屑及天然砂2种材料，见表3。

1.5矿粉

试验采用矿粉的基本参数见表4。

1.6混合料级配

沥青混合料配合比采用依托工程的配合比，见表5。

表3　细集料料源及密度

表4　矿粉基本技术参数

1.7试验设计

根据依托工程沥青面层结构组成，试验时，对土工材料（玻璃纤维格栅、聚酯烧毛土工布）的铺设位置分别考虑为下面层顶部、中面层顶部。土工材料铺设于中面层顶部时其位置接近沥青面层1/3高度处，铺设于下面层顶部时其位置接近沥青面层1/2高度处。

本文主要考虑沥青混合料的抗裂性问题，而沥青混合料开裂产生原因众多，包括沥青混凝土低温变形能力差、抗拉强度低，常温条件下自身抗疲劳性能差等。因此，基于依托工程及沥青混凝土加速半刚性基层沥青路面反射裂缝的因素，本文设计了针对性试验方案，见表6。

表5　沥青混合料配合比组成

表6　试验方案设计

1.8试件成型

1）轮碾成型车辙试验板，试件尺寸350 mm× 300 mm×100 mm，分2次成型。

2）成型5 cm高试验板，并室温放置12 h。

3）在上述试件上铺设玻璃纤维格栅或聚酯烧毛土工布，然后再铺设5 cm车辙板。

4）试件切割，包括：

低温弯曲试件、疲劳试件：250 mm×50 mm×60 mm小梁试件；

压缩试验试件：40 mm×40 mm×80 mm棱柱体；

劈裂试验试件：在成型的车辙试件板上用钻芯机钻直径100 mm的芯样，然后将其切割为高45 mm的试件。

2　试验结果及分析

根据表6试验方案，对不同土工材料、不同加铺位置条件下的试件进行了抗裂特性、抗疲劳特性、抗压特性等试验研究。

2.1抗裂特性

弯曲试验条件如下：

试验温度：-10℃；

试件：50 mm×60 mm×250 mm；

加载方式：中央单点加载，跨距为150 mm；

加载速率：50 mm/min。

试验结果见图1。

图1　弯曲试验结果

1）由图1（a）可以看出，当玻璃纤维格栅加铺在沥青面层1/3高度处时，抗拉强度显著降低。可见，对于抗拉强度而言，玻璃纤维格栅铺设位置不宜过高，格栅保护层应有一定厚度。本次试验中，加铺格栅对试件抗拉强度的改善效果不显著。

2）由图1（b）可以发现，铺设土工布或玻璃纤维格栅后，试件破坏应变呈明显上升趋势，且随着铺设位置降低，改善效果更好。

3）低温条件下，沥青混合料劲度模量越小其变形能力越强，由图1（c）可以看出，加铺土工材料后，试件劲度模量均有显著降低，但不同铺设位置、不同材料对劲度模量的影响不显著。

4）低温弯曲试验中的跨中挠度值可以间接反映路面承载能力情况。由图1（d）可以发现，加铺土工材料后，在同样加载条件下，试件跨中挠度显著减小，即加铺土工材料后其对沥青混合料的承载能力有显著改善，有利于减小路面的表面弯沉。

综上所述，在弯曲试验中，铺设玻璃纤维格栅效果显著，铺设于沥青面层1/2高度处较好。对未出现裂缝的结构，玻璃纤维格栅宜铺设在较低层位。2.2抗疲劳特性

疲劳试验步骤如下：静力试验（确定最大破坏荷载）→确定应力比→确定应力水平→确定施加的交变荷载（正弦波）→确定交变荷载的频率（10 Hz），试验结果见图2。

图2　疲劳试验结果

由图2可以看出：

1）加玻璃纤维格栅后，在同样的应力水平条件下，试件的疲劳寿命得到显著提高，且应力水平越高，疲劳寿命敏感性越低。

2）疲劳试验过程中出现的试验现象分析如下。

未加铺格栅试件的疲劳试验现象：在试件底面产生裂纹后，裂缝迅速发展至上面层沥青混凝土，直至试件完全断裂。裂缝发展过程中，试件底面未出现微小裂缝，试件发生完全断裂。

加铺玻璃纤维格栅试件的疲劳试验现象：在底面出现裂缝，发展至玻璃纤维格栅处后，因为玻璃纤维格栅对裂缝处应力的吸收作用，使裂纹发展方向发生了变化，即由竖向裂缝发展为横向裂缝，同时试件底面出现大量微小裂缝。出现该现象的原因是：当裂纹发展至格栅处时，裂缝尖端应力集中得到释放，使得主裂缝发展为多条微小裂缝，从而延缓了试件开裂。

裂缝发生位置的试验现象：试验时，级配较好、不存在较大颗粒的试件，其裂缝基本均在试件跨中处产生；级配不好、存在个别较大颗粒的试件，裂缝一般从该较大颗粒处产生。由此可知，施工时应注意矿料拌和均匀性，以有助于裂缝的缓解。

2.3抗压特性

本文采用沥青混合料单轴压缩试验研究沥青混合料的抗压特性，试验条件为：试验温度20℃，加载速度50 mm/min，试件恒温时间为5 h。试验结果见图3、表7。

1）由图3（a）～（c）可以看出，加铺玻璃纤维格栅、土工布2种材料对沥青混合料的抗压强度和劲度模量等参数的影响不显著，试件的破坏应变得到了显著改善。

2）由表7可以看出，从破坏应变值增加量、劲度模量减小量2个指标看，玻璃纤维格栅与土工布的效果比较接近；从对破坏应变增加量的影响看，加铺玻璃纤维格栅的影响显著优于加铺土工布的，是加铺土工布的2倍。综合比较不难发现，加铺玻璃纤维格栅效果显著优于不加格栅或加铺土工布的。

3）对比图3（d）、（e）可以发现，图3（d）中荷载接近峰值荷载时，出现了挠度增加、荷载上下浮动的现象，图3（e）中未铺土工材料时则无该现象。由此可以看出玻璃纤维格栅对试件具有显著加筋作用。

2.4劈裂强度特性

进行了劈裂强度试验，试验条件如下：环境箱中恒温5 h，试验温度-10℃时加速速率为1 mm/min，15℃时加速速率为50 mm/min。试验方法参考JTG E20—2011试验规程，试验结果见图4。

图3　抗压试验结果

表7　土工材料加铺在沥青面层1/2高度处时压缩试验各指标相对变化量汇总

图4　劈裂强度试验结果

由图4可以看出：

1）随着温度降低，3种工况下试件的劈裂抗拉强度均得到显著提高，加玻璃纤维格栅试件的劈裂强度最优，但不加或加土工布的之差距也不显著。

2）随着温度降低，加铺玻璃纤维格栅试件抗拉强度提高幅度显著优于加铺土工布的。

3）随着温度降低，3种工况对试件破坏应变、劲度模量的影响不是很显著。

3　结论

1）由破坏应变指标可知，铺设玻璃纤维格栅对沥青混合料低温变形能力有显著影响，且铺设层位对该指标的影响尤为显著。加铺玻璃纤维格栅对沥青混合料低温变形能力的改善是通过降低其低温劲度模量来实现的，铺设层位对该指标的影响不显著。可见，在影响沥青混合料低温变形能力的体系中，不仅仅是其劲度模量决定的。

2）对土工材料而言，当其铺设位置偏高时，对沥青混合料的抗拉强度有负面影响，即会降低沥青混合料水平方向的承载能力。

3）设铺玻璃纤维格栅有利于改善沥青混合料的竖向变形能力，且铺设位置越低，效果就越显著，而铺设土工布则无此效果。

4）玻璃纤维格栅可有效改善沥青混合料的疲劳性能，可使其应力水平增加，疲劳寿命敏感性降低。

［1］李卫，谢晓东，邓敏，等.铺设土工格栅的半刚性基层沥青路面温度应力有限元分析［J］.公路交通技术，2006（6）：41-45.

［2］孔令云，周进川，李红岩.铺设土工合成材料的沥青混合料力学特性评价［J］.石油沥青，2004，18（3）：6-9.

［3］孔令云.玻璃纤维格栅在西北地区路面反射裂缝中的应用与研究［D］.北京：北京工业大学，2003.

［4］张晓冰，程日盛，汪丽娟.我国高速公路沥青路面厚度现状调查分析［R］.郑州：河南省高速公路建设管理局，2007.

［5］黄卫，钱振东.高等沥青路面设计理论与方法［M］.北京：科学出版社，2001.

［6］沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［7］ 同济大学.半刚性基层沥青路面［M］.北京：人民交通出版社，1991.

［8］ 黎军，林延鹏.土工格栅（网格）在公路边坡防护及路基中的应用［J］.公路，2000（9）：266-267.

［9］YOON H C，CHIU L，TERRY D，et al.Asphalt overlay Design MethodsForRigidPavementsConsideringRutting，Reflection Cracking，and Fatigue Cracking［R］.Austin：The University of Texas At Austin，1998.

［10］王随原，周志刚.旧水泥路面沥青加铺层反射裂缝防治方法［J］.中外公路，2003，23（6）：11-14.

［11］张肖宁，邹桂莲，贺志勇.沥青混合料抵抗反射裂缝能力的评价方法研究［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2002，29（7）：88-91.

Study on Influence of Geotextile and Its Laying Position to Anti-Cracking Performance of Asphalt Mixture

MO Shixiu1，KONG Lingyun2

By comparing bending test，cracking test，uniaxial compression test，and fatigue test on sample beams of fiber glass geo-grid，paving polyester filament singeing Geotextile and geo-grid with no paving，this paper studies influence to performance of asphalt mixture by different geotextile material and its laying position.Analysis on test results shows that laying fiber glass geo-grid has obvious influence to rupture strain of asphalt mixture which has greatly improved the stiffness modulus as well as the antifatigue performance.As temperature reduces，test samples paved with fiber glass geo-grid has better anti -tensile strength comparing with test sample paved with geo-textile cloths.However，the influence on rupture strain or stiffness modulus was not so obvious.

Road project；pavement project；fiber-glass geo-grid；rupture strain；stiffness modulus；cleavage strength

1009-6477（2016）04-0039-05

U416.217

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.009

2016-02-26

莫石秀（1978-），男，广东省广州市人，博士，高工。