土工格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响

高雪池 张晓萌 薛志超 吴文娟 马士杰 徐希忠 李洪利

摘要：为研究土工格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响，分别采用碳纤维格栅、玻璃纤维格栅、经编玻璃纤维格栅、聚丙烯格栅等4种土工格栅加筋砂粒式沥青混合料，进行沥青混合料裂缝扩展性能试验、三点弯曲试验、高温车辙试验和四点弯曲疲劳试验，分析铺设土工格栅前、后砂粒式沥青混合料的路用性能。结果表明：加入玻璃纤维格栅和经编玻璃纤维格栅可显著提升沥青混合料性能的抗拉、抗弯拉、抗车辙及抗疲劳性能；碳纤维格栅在抗拉和抗弯拉和抗车辙性能提升中效果最佳，但在疲劳性能提升方面最弱；聚丙烯纤维格栅的改善效果不如其他3种格栅突出。

关键词：土工格栅；砂粒式沥青混合料；抗裂性能；抗车辙性能；抗疲劳性能

中图分类号：U416.217；U414文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0047-06

引用格式：高雪池，张晓萌，薛志超，等.土木格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响［J］.山东交通学院学报，2024，32（2）：47-52.

GAO Xuechi， ZHANG Xiaomeng， XUE Zhichao，et al. Influence of geogrid on the road performance of sand-grained asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：47-52.

0 引言

沥青路面结构在车辆荷载的长期反复作用下易产生裂缝等损伤病害。将土工格栅应用到沥青面层可有效改善沥青路面的应力分布，防止沥青面层产生裂缝，延长路面使用寿命[1-3]。

研究人员通过不同试验评价格栅加筋沥青混合料的路用性能，或采用室内试验、数值模拟等方法研究格栅铺设层位对沥青混合料路用性能的影响，沥青混合料的不同性能受格栅铺设层位的影响显著[4-6]。Brown[7]发现采用玻璃纤维土工格栅可延长试件使用寿命约1.5倍。Partl等[8]采用试验与模拟结合，认为碳纤维土工格栅增强了热拌沥青和玛蹄脂沥青的耐低温开裂性、路面刚度、破坏时的应变和应力。Lee等[9]对比韩国国道纤维格栅加筋路面和普通路面的病害情况，结果表明纤维网格截面的断裂能、屈服后位移和抗剪刚度均高于普通截面。孔令云等[10]、王书云等[11]比较玻璃纤维土工格栅、加铺聚酯长丝烧毛土工布及不加铺土工格栅试样的小梁弯曲试验、劈裂试验、单轴压缩试验、疲劳试验结果，发现玻璃纤维格栅对沥青混合料破坏应变影响显著，对劲度模量有较大改善，同等应力水平条件下，铺设格栅试件的疲劳寿命显著提高，应力水平越高，疲劳寿命敏感性越低；随大气温度降低，加铺玻璃纤维格栅后试件的抗拉强度的增幅明显大于加铺土工布的试件，但对破坏应变、劲度模量的影响不显著。对格栅增强沥青混合料的抗车辙和抗疲劳性能的研究较多，但多数集中在试验评价方法、铺设层位对沥青混合料性能的影响，沥青混合料的最大粒径一般大于13 mm，大多采用玻璃纤维格栅，研究其他复合材料的格栅在砂粒式沥青混合料中对路用性能的影响较少[12-14]。

在沥青路面中，砂粒式沥青混合料一般设于沥青层层底，作为抗疲劳层改善路面结构的抗疲劳性能。在沥青混合料的相应层位布设格栅，研究格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响，重点研究砂粒式沥青混合料-格栅-AC-25沥青混合料复合结构层性能，研究砂粒式沥青混合料-格栅用于提升沥青路面疲劳性能的适用性，为格栅加筋复合结构层的大规模应用提供技术参考[15-19]。

本文通过沥青混合料裂缝扩展性能试验（overlay test，OT）、三点弯曲试验、高温车辙试验和四点弯曲疲劳试验，比较不同类型土工格栅加筋砂粒式沥青混合料的抗拉、抗弯拉、抗车辙和抗疲劳性能，分析土工格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响，为土工格栅在沥青路面结构的工程应用提供依据。

1 试验方案

1.1 材料

采用经编玻璃纤维格栅、玻璃纤维格栅、碳纤维格栅、聚丙烯格栅4种类型格栅，尺寸分别为20 mm×15 mm、20 mm×20 mm、25 mm×25 mm、15 mm×15 mm，如图1所示。格栅的工作温度为-100～280 ℃，温度适用性较好。

a）经编玻璃纤维格栅 b）玻璃纤维格栅c）碳纤维格栅d）聚丙烯格栅

图1 格栅类型

试验主要采用砂粒式沥青混合料，选用70#基质沥青，沥青的质量分数为6.8%；集料为石灰岩，级配如表1所示。在砂粒式沥青混合料中，粒径为>3～5 mm、0～3 mm石灰岩的质量分数分别为35%、60%，矿粉的质量分数为5%。

1.2 试件成型

1）OT试验

采用直径为150 mm、高170 mm的圆柱体试模旋转压实，先装入高约60 mm的沥青混合料旋转压实50次，放入格栅后加剩余沥青混合料，注意格栅筋带的走向，再旋转压实100次。分别加入4种不同的格栅，同时设置1组未加格栅作为对照组。

将成型试件切割为长、宽、高分别为150、75、38 mm的棱柱体小梁，切割时控制格栅距底面10 mm，设置无格栅的试件为对照组，进行沥青混合料路面开裂试验。

2）三点弯曲试验、高温车辙试验

我国现行沥青路面结构一般下面层为AC-25沥青混合料，为研究砂粒式沥青混合料-格栅-AC-25复合结构层的路用性能，制备长、宽、高分别为300、300、100 mm的试模，采用振动压实的方法，在试模底部成型厚20 mm的砂粒式沥青混合料结构层，在结构层上面铺设1层土工格栅，注意格栅筋带的走向，受力筋为车辆前进方向；铺设格栅后撒布热沥青，在砂粒式沥青混合料结构层上继续铺筑80 mm的AC-25沥青混合料，压实成型。

将成型试件切割为长、宽、高分别为250、35、30 mm的棱柱体小梁，切割时控制格栅距底面10 mm，对沥青混合料进行低应变速率条件下的三点弯曲试验；将成型试件进行沥青混合料高温车辙试验。

3）四点弯曲疲劳试验

制备长、宽、高分别为500、300、80 mm的试模，在试模层底40 mm或50 mm内铺设一层砂粒式沥青混合料结构层后整平；在砂粒式沥青混合料温度较高状态下，立即将4种格栅分别放置在已成型试件上，标记格栅筋带走向，在试模中加入新的砂粒式沥青混合料并填满试模，再次轮碾压实，制备砂粒式沥青混合料-格栅复合结构层。

将成型试件切割为长、宽、高分别为380.0、63.5、50.0 mm的棱柱体小梁，切割时控制格栅距底面10.0 mm，进行沥青混合料四点弯曲疲劳试验。

对各试件参照文献[20]进行OT试验，按文献[21]中的T0715—2011进行三点弯曲试验，按T0719—2011进行沥青混合料车辙试验，按T0739—2011进行沥青混合料四点疲劳试验。

2 结果与讨论

2.1 OT试验结果

对不同土工格栅类型加筋砂粒式沥青混合料及对照组（无格栅）试件进行OT试验，加载荷载随循环加载次数的变化曲线如图2所示。5种试件的OT试验结果如表2所示。

由表2可知：加载至247次拉伸循环后，对照组试件从中部断裂，其他4种加入格栅的砂粒式沥青混合料均能承受1 000次的拉伸循环，表明加入格栅有利于提高砂粒式沥青混合料的抗疲劳开裂性能；初始荷载从大到小依次为碳纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料、对照组、经编玻璃纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料、聚丙烯纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料、玻璃纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料，表明铺设碳纤维格栅的砂粒式沥青混合料的抗裂强度有所增大，铺设经编玻璃纤维格栅、聚丙烯纤维格栅和玻璃纤维格栅均使砂粒式沥青混合料的抗裂强度减小；承受1 000次循环荷载后，初始荷载衰减率从小到大依次为玻璃纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料及聚丙烯纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料（二者相等）、对照组、经编玻璃纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料、碳纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料，表明铺设经编玻璃纤维格栅、聚丙烯纤维格栅和玻璃纤维格栅虽不利于提高砂粒式沥青混合料的抗裂强度，但试件的抗疲劳性比碳纤维格栅加筋砂粒式沥青混合料高。

2.2 三点弯曲试验结果

研究铺设格栅的砂粒式沥青混合料在低应变速率下的力学行为，在15 ℃下，对5种砂粒式沥青混合料试件进行三点弯曲试验，抗弯强度试验曲线如图3所示。由图3可知：铺设格栅后，试件的弯曲强度曲线有较大变化，因格栅的牵拉作用，试件的破坏过程更缓慢，破坏后的曲线更缓和，加入格栅有效提高砂粒式沥青混合料的韧性，试件破坏时突然加大的变形程度得以缓解。

三点弯曲强度试验结果如表3所示。由表3可知：加入格栅后，沥青混合料复合梁的最大弯拉强度显著增大，碳纤维格栅试件的最大弯拉强度和最大弯拉应变最大，玻璃纤维格栅次之；聚丙烯纤维格栅试件的劲度模量最大。

对5种砂粒式沥青混合料试件进行高温车辙试验，铺设土工格栅对砂粒式沥青混合料的高温抗车辙能力影响如表4所示。

由表4可知：铺设格栅试件的车辙深度比未铺设格栅试件小，聚丙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维和经编玻璃纤维格栅砂粒式沥青混合料1h的车辙深度分别较未铺设格栅试件减小1.8%、10.4%、10.0%和14.0%；铺设格栅试件的1 h动稳定度比未铺设格栅的试件大，聚丙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维和经编玻璃纤维格栅砂粒式沥青混合料的动稳定度分别较未铺设格栅试件增大11.1%、30.4%、36.4%和13.2%，铺设格栅后砂粒式沥青混合料的抗车辙能力明显提高，铺设经编玻璃纤维格栅试件的改善效果最好，其次是碳纤维格栅、经编玻璃纤维格栅、聚丙烯纤维格栅。

2.4 四点疲劳试验结果

对5种砂粒式沥青混合料试件进行四点疲劳试验，疲劳曲线如图4所示。

由图4可知：对照组、碳纤维格栅、玻璃纤维格栅、经编玻璃纤维格栅、聚丙烯纤维格栅的疲劳次数分别为32 400、25 600、46 700、342 000、40 800。铺设玻璃纤维、经编玻璃纤维和聚丙烯纤维格栅的砂粒式沥青混合料试件的疲劳寿命显著提高，加入经编玻璃纤维格栅的试件的疲劳寿命增大效果显著，与OT试验结果可相互印证。加入玻璃纤维、经编玻璃纤维和聚丙烯纤维格栅可约束矿料颗粒，使得沥青混合料能更好地抵抗重复弯拉应力[22-24]；此3种纤维的收缩特性较好，提高了沥青混合料的弹性恢复能力，沥青混合料更坚韧，能有效抵抗重复荷载的作用，延长疲劳寿命；加入碳纤维格栅试件的疲劳寿命缩短，加入碳纤维不利于改善试件的抗疲劳性能[25-27]。

3 结束语

采用碳纤维格栅、玻璃纤维格栅、经编玻璃纤维格栅、聚丙烯格栅4种类型格栅加筋砂粒式沥青混合料，对制备试件进行OT试验、三点弯曲试验、高温车辙试验和四点弯曲疲劳试验，分析土工格栅对砂粒式沥青混合料路用性能的影响。结果表明：玻璃纤维格栅和经编玻璃纤维格栅对砂粒式沥青混合料的抗拉、抗弯拉、抗车辙及抗疲劳性能均有明显改善，抗疲劳性能最突出；铺设碳纤维格栅试件的拉伸和弯拉强度最高，表明碳纤维格栅可明显增强砂粒式沥青混合料的抗裂性能；但拉伸循环强度衰减率最小，且四点弯曲疲劳寿命比未加格栅试件小，碳纤维格栅在疲劳性能提升方面最弱；铺设聚丙烯纤维格栅可使砂粒式沥青混合料获得较好的抗拉、抗弯拉、抗车辙及抗疲劳性能，但不如其他几种格栅改善效果突出。

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Influence of geogrid on the road performance of

sand-grained asphalt mixture

GAO Xuechi1， ZHANG Xiaomeng2*， XUE Zhichao3， WU Wenjuan2，

MA Shijie2， XU Xizhong2， LI Hongli4

1.Shandong Hi-speed Group Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；2. Shandong Transportation Institute， Jinan 250102， China；

3. Shandong Hi-speed Group Innovation Research Institute， Jinan 250101， China;

4. Shandong Hi-speed Group Intelligent Management Center， Jinan 250013， China

Abstract：To study the influence of geogrids on the performance of sand-grained asphalt mixture for pavement， four types of geogrids， including carbon fiber geogrid， glass fiber geogrid， stitched glass fiber geogrid， and polypropylene geogrid， are used to reinforce the sand-asphalt mixture. Tests are conducted on the asphalt mixture for crack propagation， three-point bending， high-temperature rutting， and four-point bending fatigue. The road performance of the sand-asphalt mixture before and after laying geogrids is analyzed. The results show that incorporating glass fiber geogrid and stitched glass fiber geogrid significantly improves the tensile， flexural， rutting， and fatigue resistance of the asphalt mixture. The carbon fiber geogrid performs best in enhancing tensile， flexural， and rut resistance， but is the weakest in improving fatigue performance. The improvement effect of polypropylene geogrid is not as significant as the other three types of geogrids.

Keywords：geogrid; sand-grained asphalt mixture; tensile resistance; rut resistance; fatigue resistance

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2022-10-25

基金项目：山东省自然科学基金青年项目（ZR2020QE271）

第一作者简介：高雪池（1967—），男，山东德州人，研究员，工学博士，主要研究方向为道路与桥梁工程，E-mail：gaoxc@sina.com。

*通信作者简介：张晓萌（1987—），男，济南人，工程师，工学博士，主要研究方向为沥青路面结构与材料研发，E-mail：zhangxiaomeng@sdjtky.cn。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.007