碳纤维土工格栅加筋沥青面层抗车辙性能研究

要文静

（山西辰润交通科技有限公司，山西 晋中 030600）

0 引言

高速公路运行速度快，对路面平整度、行车舒适性要求高。高速公路沥青路面在使用一段时间后往往会出现车辙、裂缝等病害，影响行车安全。土工格栅近年来在公路施工中得到广泛应用，其中碳纤维土工格栅具有较高的强度和模量，为预防车辙病害，可采用碳纤维土工格栅加筋的方式提高沥青面层的强度[1-3]。为验证碳纤维土工格栅的加筋效果，通过车辙试验检测高温抗车辙性能，为实际应用提供理论参考。

1 原材料选择与检验

1.1 沥青

试验选择AC-13、AC-20、AC-25 三种沥青混合料，沥青均选择SBS 改性沥青，SBS 改性沥青混合料检测结果如表1 所示，各项指标检测结果均满足设计要求，可以选用。

表1 SBS 改性沥青混合料检测结果

1.2 集料

三种沥青混合料的集料选择玄武岩，填料选择石灰岩矿粉。试验前对集料取样检测，并确保物理力学指标满足设计要求。应严格控制矿粉含水量，不得超过1%，外观无团粒结块等现象，且指标满足要求[4]。

1.3 碳纤维土工格栅

试验选用的碳纤维土工格栅网格形状为正方形，通过取样试验，得出碳纤维土工格栅主要技术参数（见表2）。各项技术参数检测结果均满足设计要求，可以选用。

表2 碳纤维土工格栅检测结果

1.4 级配形式

AC-13、AC-20、AC-25 三种沥青混合料均采用密级配设计，通过试验获得三种沥青混合料矿料级配，如表3 所示。其中AC-13 沥青混合料一般作为沥青路面上面层使用，AC-20 沥青混合料一般用于中面层，AC-25 沥青混合料用于下面层。

1.5 最佳油石比

根据上述级配，AC-13 沥青混合料选取4.0%、4.5%、5.0% 和5.5% 四种油石比，制备试件开展马歇尔试验，通过分析试验结果确定最优油石比为4.6%。同样根据马歇尔试验结果，确定AC-20、AC-25 沥青混合料最佳油石比分别为4.2%和3.8%。

2 车辙试验方案

分别选取AC-13、AC-20、AC-25 三种沥青混合料，分不加筋和碳纤维土工格栅加筋两种情况，制备车辙板试件开展高温车辙试验。试验车辙板试件共分两组，一组为AC-13 与AC-20 混合料组合的上中面层，另一组为AC-20 与AC-25 混合料组合的中下面层，分碳纤维土工格栅加筋和不加筋两种方式制备车辙试验试块。试验选择SYD-0719C-2 型全自动车辙试验仪，在试验加载过程中保持轮压不变，行走速度为匀速。将车辙板试件连同试模一起放入试验仪上，试验轮放置在试件中心，试验轮行走方向与碾压方向一致，试验时间为1h，车辙变形达到25mm 即可停止试验，试验中实时采集数据以便于后期分析。

3 车辙试验结果与分析

3.1 室内车辙对比试验结果分析

统计车辙试验数据，得出不加筋和碳纤维土工格栅加筋两种情况下的车辙板试件动稳定度和车辙深度试验结果，具体如图1 和图2 所示。

图1 动稳定度试验结果对比分析图

图2 车辙深度试验结果对比分析图

分析图1 得出，采用碳纤维土工格栅加筋后，两种试件动稳定度均得到明显提升，说明加筋后沥青混合料高温抗车辙性能得到明显提升。与不加筋情况相比，上中面层组合试件加筋后动稳定度从3.265 次/mm提升到5.068 次/mm，提升幅度为55.2%；中下面层组合试件加筋后动稳定度从2.706 次/mm 提升到4.527 次/mm，提升幅度为67.3%，提升幅度均较大。加筋后动稳定度提高，说明沥青混合料的高温抗车辙性能提升[5-7]。

分析图2 得出，加筋后两种组合情况的车辙板试件车辙深度均下降，且上中面层下降幅度高于中下面层。与不加筋情况相比，上中面层组合试件加筋后车辙深度从2.354mm 下降到1.965mm，下降幅度为16.5%；中下面层组合试件加筋后车辙深度从2.503mm 下降到2.184mm，下降幅度为12.7%，相比上中面层下降幅度较小。加筋后两种组合试件车辙深度均有一定幅度下降，且上中面层提升效果较好。结合上述动稳定度对比分析结果，加筋后沥青混合料动稳定度提升幅度较大，车辙深度上中面层下降幅度较大。由于通常以动稳定度作为评价高温抗车辙性能的主要指标，因此加筋后沥青混合料高温抗车辙性能有较大幅度改善[8-11]。

3.2 车辙高温变形规律分析

整理试验期间各时间点车辙板试件表面车辙深度试验数据，绘制不加筋和碳纤维土工格栅加筋两种情况下车辙深度变化曲线如图3、图4 所示。

图3 上中面层车辙深度变化曲线

图4 中下面层车辙深度变化曲线

分析图3 曲线得出，试验加载前期车辙变形增幅较大，加载时间达到10min 以上后逐步变缓，与不加筋情况相比，加筋后沥青混合料车辙变形曲线较缓。在试验开始后的前10min，车辙变形量增幅较大，而后逐渐下降，在试验结束后二者车辙深度分别为2.354mm 和1.965mm，采用碳纤维加筋后车辙深度明显下降。

分析图4 曲线得出，同样在加载初期时车辙变形较大，在加载时间超过15min 后车辙增长速率明显下降，且加筋后车辙深度小于不加筋时。与上中面层相比，中下面层前期所产生的车辙变形更大，这是由于混合料组成不同造成的。车辙变形速率也呈现先快后慢的趋势，在试验结束后二者车辙深度分别为2.503mm 和2.184mm，加筋后车辙深度有所下降。车辙深度试验结果与现场沥青面层变形情况类似，通车前期沥青面层处于压密期，车辙深度增长速度快，而后沥青面层逐渐达到密实稳定状态，车辙深度增长速率逐渐下降，由此可见，试验车辙变化规律与现场车辙形成规律一致。

3.3 不同面层组合车辙变形试验结果分析

根据图3 和图4 中统计的上中面层和中下面层组合的车辙深度试验数据，分别对不加筋情况下车辙变形和碳纤维加筋情况下的车辙变形进行对比分析。在不加筋的情况下，中下面层组合车辙深度始终高于上中面层组合，在前期增长幅度较大，而后逐渐趋缓，在试验结束时中下面层组合依然具有较高的增长趋势。与中下面层相比，上中面层车辙深度较小，但二者变化趋势相近，且中下面层增长趋势高于上中面层。在试验结束时，中下面层组合车辙变形曲线斜率高于上中面层组合，说明在不加筋的情况下上中面层组合具有较好的抗车辙性能。

在加筋的情况下，中下面层车辙深度始终高于上中面层，且在试验结束时中下面层车辙深度的增加趋势仍高于上中面层。在试验初期，二者车辙深度增长速度均较快，而后逐渐趋缓，在试验结束时中下面层车辙变形曲线斜率高于上中面层，说明中下面层的车辙深度增长趋势较大。因此，结合上述不加筋情况下的分析结果，与中下面层相比，上中面层组合具有更高的抗车辙能力。

4 结论

为分析采用碳纤维土工格栅加筋后沥青面层抗车辙性能的改善效果，分别制备AC-13、AC-20、AC-25 三种类型的沥青混合料，分加筋和不加筋两种情况制备车辙板试件开展车辙试验，分析试验结果得出以下结论：

首先，加筋后两种组合形式沥青混合料动稳定度提高，车辙深度下降，特别是动稳定度提升幅度较大，说明加筋可有效提升沥青混合料的高温抗车辙性能。

其次，在试验初期，两组试件车辙变形增长速度均较快，而后逐渐下降，在采用碳纤维土工格栅加筋的情况下，中下面层和上中面层组合试件车辙深度均下降，且加筋和不加筋情况车辙变形趋势相同，与现场车辙形成规律一致。

最后，在不加筋和碳纤维土工格栅加筋两种情况下，中下面层组合试件车辙深度均高于上中面层组合，且在试验结束后仍具有较高的增长趋势，因此得出上中面层组合的高温抗车辙性能优于中下面层组合。