土工格室加筋沥青混凝土阻裂性能研究*

朱云升 苏天圣 李小伟 王先镕 张振武

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (兰州德科材料工程有限公司2) 兰州 730000)

0 引 言

沥青路面的面层常因材料本身强度不够在车辆荷载作用下发生开裂，是其主要的破损形式[1-2].在道路工程中，采用土工合成材料进行加筋来满足结构的强度和稳定性已是一种技术成熟的手段，其基本应用于阻止沥青面层反射裂缝的产生和进一步发展、提高路面基层的强度、特殊路基的处治、挡土墙加固，以及边坡防护等[3-4].土工合成材料设置在沥青层间或沥青层与基层间，较少直接在沥青层内部进行加筋，而且这种加固体系需面对层间脱黏的问题[5-6].基于对现有土工合成材料的研究，同时考虑到沥青混凝土的黏弹性质，本研究选择土工格室对其进行加筋，以期形成一种刚度较大、强度较高的复合路面结构层，从而提高沥青路面的承载力和抗变形能力，阻止裂缝的产生和发展，最终提高其使用寿命.

土工格室是由超声波焊接而成的一种高分子聚合物，其代表性的性质是三维蜂窝网状的结构[7]，这种结构具有极强的侧向约束和限制作用，与填料间还会有一定摩阻力，已广泛应用于道路工程的各个领域.Kumawat等[8]用土工格室加筋粉煤灰基层，粉煤灰层的承载力在土工格室加筋后提高了3～4倍.晏长根等[9]将土工格室加筋黄土以此提高其抗剪强度.Li等[10]通过废旧轮胎和土工格室对路堤边坡进行加固，提高了路堤边坡的承载力和稳定性，减少了不均匀沉降，且有效地增加了附加应力的扩散角，使得附加应力的分布更加均匀.王炳龙等[11]通过土工格室补强路基来整治路基病害.以上众多研究的结果都表明利用土工格室加筋可以提高散粒体结构的承载力和抗变形性能，而本研究将格室加筋于沥青混凝土这种粘结材料中，其作用机理是否同样适用需通过试验验证.

基于此，文中提出了一种新型土工格室加筋沥青混凝土棱柱体试件成型方法来制作试验所需的试件，通过单轴压缩试验和计算机断层扫描技术(CT)来验证格室加筋沥青混凝土这种黏结材料的作用机理和加筋作用，再通过劈裂试验和劈裂疲劳试验，考虑不同温度条件，对土工格室加筋前后的沥青混凝土抗裂性能进行分析评价.

1 材料和试验方法

1.1 材料基本性质

试验沥青为SBS改性沥青，粗、细集料为玄武岩.其性质满足文献[12]的相关要求.沥青混凝土的配合比采用规范中规定的AC-13型中级配，最佳沥青含量为4.4%，毛体积密度为2.491 g/cm3.

试验所用土工格室类型为注塑预定型聚丙烯(polypropylene，PP)土工格室，其由高强土工格室条带整体编制而成.格室高度为20 mm，两节点间距为60 mm，节点处采用注塑成型工艺.将土工格室加筋到沥青混凝土中必须考虑热拌沥青混凝土室内成型和现场施工的温度要求，对于SBS改性沥青，室内成型时的压实温度需要达到150～160 ℃.这对土工格室的耐高温性能提出了较高的要求，基于此对土工格室原材料进行改性.改性后的PP格室条带的维卡软化温度为158.8 ℃，即在158.8 ℃下格室的物理力学性能不发生变化，其最大能够承受165 ℃高温，但此时格室片会受热稍微向内蜷缩，在土工格室内进行填料时，格室会整体向内收缩，这里的收缩变形很小，且不会随着温度降低而恢复，即在水平方向上给沥青混凝土施加了一个较小的预应压力，增强了格室的侧向约束力.25 ℃下PP土工格室节点及条带的拉伸性能见表1.

表1 在25 ℃下土工格室的拉伸性能

1.2 试件成型

劈裂试验和劈裂疲劳规定使用的试件均为标准马歇尔试件，但标准马歇尔试件只能用小尺寸土工格室进行加筋，对于本研究使用的AC-13级配的沥青混凝土，小尺寸土工格室包裹不住足够的沥青混凝土来形成加筋复合层，反而会造成较大的结构内部空隙，且土工格室的三维立体结构使得加筋试件难以通过击实法来成型.所以在参考水泥混凝土试验后，提出了一种新的土工格室加筋沥青混凝土试件成型方法.

如果在沥青路面上进行土工格室加筋，考虑到现场施工工法，只能将格室铺设在路面底部，且不能进行路面全厚度加筋.于是试件的加筋方式为：将格室铺设在底部一层很薄的沥青混合料上，然后再加料填满格室，见图1a).接下来再通过静压法成型尺寸为40 cm×10 cm×10 cm的梁试件，见图1b)，脱模后再对梁试件进行切割得到边长为10 cm的棱柱体试件，见图1c).加筋试件切割后可以从侧面很明显的看到格室条带.通过CT扫描技术对多个不同梁试件切割成的无损加筋棱柱体试件进行扫描，其结果见图1d)，可以看到在切割后一个棱柱体试件内部有3个完整的格室单元.

在梁试件成型过程中，除了尺寸不同，成型的步骤均按照一般静压法进行.

图1 土工格室加筋沥青混凝土试件成型过程

1.3 试验条件

单轴压缩试验的试验温度为-10，5，20，35和50 ℃，加载速率为50 mm/min；劈裂试验的试验温度为-10，5，15和25 ℃，加载速率为50 mm/min；劈裂疲劳试验的试验温度为5，15和25 ℃，采用应力控制的连续偏正弦加载模式，加载频率为10 Hz，即一个加载循环的时间为0.1 s，为加快试验速度，在相邻波载间不设置间歇时间，每个温度条件根据相应温度下的劈裂荷载选择0.3，0.4，0.5和0.6四个应力比进行加载.以上试验均在MTS万能材料试验机上进行.在每个试验中，每个温度条件下有4组平行对照试验.

在劈裂试验和劈裂疲劳试验中，原有夹具的压条为圆弧形，为了防止圆弧形压条与棱柱体试件接触时产生应力集中，将其表面磨平，压条截面尺寸为100 mm×20 mm.试验加载设备见图2.

图2 试验加载设备

2 土工格室加筋沥青混凝土作用机理

在传统研究中，土工格室的作用机理都是针对于类似土等散粒体材料而言的，其主要表现为以下三个方面.

1) 土工格室的侧向约束力 当加筋体受到竖向荷载时，格室壁受到张拉会对格室单元内部包裹的材料产生紧箍作用，不同的格室单元之间还会相互产生约束，见图3.

图3 土工格室加筋体的侧向约束和摩阻效应

2) 格室的摩阻效应 竖向荷载作用下，格室壁与材料之间会产生摩阻力，从而抵消掉部分荷载.

3) 土工格室加筋体复合结构层的膜效应 复合层在外力作用下由平面变为凹曲面，通过拉伸变形承受部分凹面上的应力，使得凸面上的应力降低，见图4.从而减小了向下传递的荷载，也相应地减小了复合层下面层的变形.

图4 土工格室加筋体的膜效应

对于沥青混凝土这种粘结材料，本研究通过单轴压缩试验和CT扫描技术来对其作用机理的适用性进行验证.

在单轴压缩试验中，当试验温度为5，20，35和50 ℃时，格室加筋前后试件的破坏状态均见图5a)～b).对比试件的破坏过程可以发现，随着荷载增大，未加筋试件在中面产生的拉应力也越来越大，在短时间内就超过了其强度，使得试件中部向外膨胀产生裂缝并迅速发育贯穿整个试件，试件完全破坏；对于加筋试件，试件同样会在荷载作用下向四周膨胀并开裂，但裂缝并未扩散至加筋复合层内部，相反，加筋区域由于格室的侧向约束作用而基本保持完好，只有其外表面未被格室包裹住的沥青混凝土会产生轻微开裂，见图5b).当试验温度为-10 ℃时，未加筋试件在荷载作用下发生脆性破坏，整个试件在荷载达到极值时完全碎裂；而加筋试件在非加筋区域碎裂破坏比较严重，在加筋区域，土工格室条带与沥青混凝土并未脱粘，仍然保持一体化状态，使得加筋区域的沥青混凝土仍有部分保持完好，见图5c).格室加筋前后试件的单轴抗压强度结果见表2，由表2可知，格室加筋提高了试件的单轴抗压强度，且温度越高，强度提升越大.

图5 单轴压缩试验试件破坏状态对比

表2 土工格室加筋前后试件的单轴抗压强度

格室加筋前后试件的两种破坏状态以及单轴抗压强度结果说明，在沥青混凝土这种粘结材料中进行土工格室加筋，由于格室的三大机理发挥作用对沥青混凝土起到了较好的加筋作用，不仅提高了试件的抗压强度，而且就算当荷载超过其强度，在格室的侧向限制作用下，只要加筋试件内部产生的拉应力未超过格室的约束力之前，格室加筋层就不会发生破坏.还可以发现，温度越高，格室的加筋作用发挥就越好，此时格室对其流动变形产生的限制作用越明显.

对单轴压缩破坏后的加筋试件进行CT扫描，结果见图6.由图6a)可知，试件破坏后只在格室外侧发生开裂，格室条带与其内部包裹的沥青混凝土保持紧密黏结而形成一个整体，未产生裂缝.由图6b)可知，格室筋带与沥青混凝土之间未出现明显空隙，且格室加筋层以下部分由于加筋层的膜效应降低了荷载，并未破坏.CT扫描的结果进一步说明格室的加筋机理发挥了作用，同时展现出格室与沥青混凝土之间良好的整体性.

图6 加筋试件单轴压缩破坏的CT扫描剖面图

综合以上试验结果分析，土工格室的作用机理适用于沥青混凝土这种黏结材料，且具有较好的加筋作用，通过这三种作用机理，土工格室可以提高沥青混凝土的强度，有效地约束沥青混凝土的侧向流动变形.同时，土工格室与沥青混凝土之间保持着较好的黏结性，即使试件被破坏也不会出现明显的脱黏现象，这样保证了在沥青混凝土内进行格室加筋时并不会破坏它的整体性，可以用于实际路面结构.

3 阻裂性能试验结果分析

3.1 间接拉伸强度

劈裂试验加载结束后，试件在土工格室加筋前后的破坏状态见图7，不同温度的破坏状态均是如此，破坏过程却不尽相同.在不同温度条件下，未进行土工格室加筋的试件在较短时间内就发生了破坏，且伴随裂缝扩散的破坏发展阶段过程也很短，试件在受力面被完全劈开.格室加筋试件在发生破坏后未被完全劈开，试件裂口呈现“V”形，在破坏发展阶段，从侧面可以清晰地看到裂缝从上至下逐渐扩散，扩散至格室加筋复合层后破坏速率就变慢，并维持一段较长的相持阶段.产生这两种现象的主要原因是土工格室强大的侧向约束力让土工格室加筋复合层的整体强度得到了提高，所以虽然在加载后试件的上下面同时受到荷载作用，但试件底部并未开裂，而是上表面先开裂而后向下发展.在相持阶段内，格室加筋复合层里格室包裹的沥青混凝土已破坏，但格室还是将沥青混凝土约束着，使其保持部分整体性而未被完全破坏.

图7 劈裂试验试件破坏状态

试件在不同温度下的劈裂荷载和破坏变形见表3.由表3可知，沥青混凝土的劈裂荷载在加筋后的值均要比加筋前的大，且温度越高，强度的提升率越大.这一特性在抵抗变形方面更为明显，当温度为-10 ℃和5 ℃时，试件在土工格室加筋前后的破坏变形几乎保持不变；但从15 ℃开始，试件在格室加筋后的破坏变形要比加筋前的大，在15 ℃和25 ℃时分别提高了9.3%和28.5%，这与格室对强度的提升是相对应的.图8为加筋试件曲线的峰值均比相应未加筋曲线的大，且破坏后的下降趋势变得缓慢，这也说明格室的侧向约束发挥了作用.另当试验温度为-10 ℃时，由图8可知，加筋试件的曲线出现了二次峰值，这是由于低温下沥青混凝土的材料性质由粘弹性变为弹性，在试件破坏时格室加筋复合层里被格室包裹的沥青混凝土并未破坏，故当荷载作用于加筋复合层时才会再次出现峰值，而由于试件整体性已被破坏，二次峰值远低于第一次.

表3 不同温度下试件的劈裂荷载和破坏变形

图8 劈裂试验荷载-变形曲线

3.2 疲劳性能

在进行劈裂疲劳试验时，首先通过手动控制加载杆使压条与试件紧密垂直接触，但接触力不超过500 N，然后启动程序自动控制加载.试件的破坏状态与前面的劈裂试验基本一样，相比承受重复荷载被完全劈开的未加筋试件，加筋试件依旧未被完全劈裂开.

试验得到的典型疲劳试验曲线(时间-位移)见图9.由图9可知，疲劳曲线明显的分为3个变化阶段：快速变形阶段、平稳变形阶段和破坏变形阶段.这里将曲线进入破坏变形阶段的时间点判定为试件疲劳失效标准，不同温度和应力比下试件在土工格室加筋前后的疲劳寿命结果见表4.

图9 典型疲劳曲线

表4 不同温度和应力比下试件的疲劳寿命

由表4可知，在土工格室加筋后，试件的疲劳寿命对比未加筋时均得到了提高，而根据疲劳失效标准，同时也说明了加筋试件进入破坏变形阶段的时间点晚于加筋前.说明当试件承受波形循环荷载作用时，土工格室强大的侧向约束作用和复合层的整体膜效应发挥了主要作用，降低了试件产生的不可恢复的强度衰减所导致的变形积累，从而抑制了裂缝的产生和扩散.或者说，土工格室加筋后，试件在每个荷载循环作用下所积累的不可恢复变形都要小于未加筋试件，故土工格室加筋后试件能承受更多周次的循环荷载.

图10为清晰的看到试件在不同温度和应力比下的疲劳寿命变化趋势.当温度为5 ℃和15 ℃时，在0.4和0.5的应力水平下，疲劳寿命的提升幅度超过了1倍；当温度为25 ℃时，不同应力水平下的疲劳寿命则均提升了1倍以上，应力水平为0.6时甚至达到了225.7%，而且此时土工格室加筋试件的疲劳寿命在不同应力水平下均比15 ℃时未加筋试件的大.说明当温度越高，未加筋试件所能承受的荷载循环次数越小，土工格室的加筋效果越明显，这与劈裂试验得出的结论相同.其原因为，温度越高，格室对劈裂荷载的强度提升越大，那么相比未加筋试件，加筋试件在重复荷载作用下产生强度衰减至破坏的时间就越长.

图10 疲劳寿命-应力比曲线

4 结 论

1) 针对土工格室的三维结构和沥青混凝土的室内试件成型方法，提出了一种新的土工格室加筋沥青混凝土试件成型方法，即先成型沥青混凝土梁形试件，再切割成棱柱体试件.从试验结果来看，虽然现有的公式无法将利用非标准棱柱体试件得到的荷载值进一步转化为强度，但也可以反映土工格室加筋前后沥青混凝土的抗变形性能.

2) 通过单轴压缩试验和对破坏后的加筋试件进行CT扫描，验证了在沥青混凝土这种粘结材料中进行土工格室加筋，格室的作用机理仍然可以发挥作用，并且对沥青混凝土具有较好的加筋作用.还进一步发现，由于格室与沥青混凝土之间较好的粘结性使得沥青混凝土自身的完整性并不会被破坏，土工格室可以用于实际路面结构中.

3) 用耐高温土工格室加筋沥青混凝土，格室以其独特的加筋机理提高了沥青混凝土的劈裂抗拉强度和承受重复劈裂荷载的疲劳寿命，从而提高了其抗变形性能，抑制了沥青混凝土在静载和循环荷载作用下裂缝的产生和发育.且随着温度的增高，格室对沥青混凝土的加筋作用更明显，此时格室的侧向约束作用能更好的限制沥青混凝土在高温下的流动变形.

4) 土工格室加筋后会与沥青混凝土形成一层等同格室高度的复合层结构，复合层具有较大的强度和刚度，可以提高整个试件的强度和抗变形性能，并有效地抑制沥青混凝土破坏后的裂缝扩散.