瀝青路面結構層間加筋性能試驗研究

黃立葵 ，馮曉東 ，夏愛輝，姜正暉，黃冰

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2. 綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082；3. 馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發有限公司，湖南 長沙 410600；4. 浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012)

瀝青路面建設行業正不斷尋求提高施工效率、改善路面性能、節約資源和推進環境管理的方案[1-2]。半剛性基層瀝青路面在荷載和溫度耦合作用下容易產生反射裂縫，雨水滲入裂縫進一步惡化路面狀況[3-4]。為防止和延緩反射裂縫，通常在路面結構中鋪設筋材、增加路面結構層厚度、使用改性瀝青等，以此增強瀝青層的抗疲勞性能[5-8]。土工合成材料是應用最廣泛的路面加筋材料，能有效防止瀝青路面的反射裂縫，提高瀝青路面的抗車轍性能，并在一定程度上減小瀝青面層的厚度[9-11]。近年來，鋼絲加筋網逐漸受到重視，相比于土工合成材料，鋼絲加筋網具有更高的性價比和更好的長期性能[12]。BROWN 等[13]對鋼絲加筋網、玻纖格柵、土工布進行了層間剪切試驗和疲勞性能試驗，表明鋼絲加筋網試件層間粘結性能較好，設置鋼絲加筋網的瀝青層疲勞壽命提高了3倍。AL-QADI 等[14]利用三維有限元分析，證明了鋼絲加筋網可以提高瀝青加鋪層50%～90%的使用壽命。ELSEIFI 等[15]利用有限元模擬Virginia Smart Road 的I和L 路段路面結構，證實鋼絲加筋網對路面的抗疲勞性能都有所改善。AHMED 等[16]進行了疲勞試驗和永久變形試驗，表明鋼絲加筋網能提高試件疲勞壽命和抵抗車轍變形的能力。VANELSTRAETE 等[17]對鋼絲加筋網、土工織物、玻纖格柵等加筋材料進行了數值模擬和室內試驗，表明鋼絲加筋網比其他幾種材料具有更好的低溫抗裂性能。CONI 等[18]采用靜力和動力分析方法研究了鋼絲加筋網對瀝青路面受力性能的影響，表明加筋網能夠降低瀝青路面的應力應變水平。ROMEO等[19]對設置鋼絲加筋網的瀝青混凝土試件進行了三點彎曲試驗，并利用數字圖像技術研究試件中應變變化和損傷分布，表明加筋網能提供更好的抗剪切性能，加筋網與瀝青混合料的力學聯鎖優化了荷載的傳遞。NARENDRA 等[20-21]通過靜載試驗得出了鋼絲加筋網對基層的荷載改善系數為1.4～1.9，通過直接剪切試驗證明了加筋網試件層間剪切強度峰值高于土工格柵試件。查旭東等[22]建立了三維有限元模型，分析發現鋼絲加筋網可以提高AC+PCC 復合式路面結構抗開裂能力。MAZZOTTA 等[23]對瀝青層層間的鋼絲加筋網進行了拉拔試驗，證明Ω 型鋼絲網在瀝青層層間的錨固性能優于直絲型鋼絲網。SUKU 等[24]通過靜載試驗和重復加載試驗證實了鋼絲加筋網能夠分散路面所受壓力，減少路面變形，提高路面的使用壽命。TANG等[25]通過車轍試驗和凍融劈裂試驗，證明了鋼絲加筋網試件有很好的抗車轍和抗開裂性能。查旭東等[26]選取鋼絲加筋網、自粘式玻纖格柵、鋼塑復合土工格柵和聚酯長絲土工布4種材料進行層間加筋試驗，發現鋼絲加筋網提高試件高溫抗車轍性能和低溫抗開裂性能效果最好。以往的研究表明，鋼絲加筋網可以優化路面結構層間的荷載傳遞，改善加筋結構力學性能，提高路面抗疲勞和抗車轍性能，然而鋼絲網加筋瀝青路面的作用機制及影響因素研究甚少。本文選擇3種不同規格的鋼絲加筋網、玻纖格柵和自粘式應力布共5種材料，通過車轍試驗和層間剪切試驗，研究不同加筋材料路面結構組合試件的高溫抗車轍性能和層間抗剪切性能，通過3 種規格鋼絲加筋網試件的拉拔試驗，研究鋼絲網在路面結構層間的錨固性能，旨在進一步探討瀝青路面層間加筋的行為機理，綜合評價不同類型加筋方式對瀝青路面層間力學性能的改善效果，為工程應用提供參考。

1 材料和試驗方法

1.1 材料和準備過程

1.1.1 混合料設計

試驗所用SBS 改性瀝青技術指標如表1 所示。粗細集料均為石灰巖集料，礦料級配如表2 所示。采用馬歇爾法確定混合料瀝青用量[27]，AC-13 最佳油石比為4.7%，AC-20 最佳油石比為4.3%。采用標準擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，確定水泥穩定碎石水泥劑量為4.5%(42.5號硅酸鹽水泥)，混合料最大密度為2.35 g/cm3。

表1 SBS改性瀝青技術指標Table 1 Technical parameters of SBS modified asphalt

表2 混合料礦料級配Table 2 Mineral aggregate gradations

1.1.2 加筋材料

鋼絲加筋網分為3 種：直絲型-L3(φ=3.4 mm)、Ω 型-L2(φ=3.9 mm)、Ω 型-L3(φ=3.4 mm)。玻纖格柵是利用經編工藝制成的網狀基材，表面經過了涂覆處理，經、緯向均有很高的抗拉強度和較低的延伸率。自粘式應力布由基布與防水層組成，基布由無堿玻纖紗和聚酯玻纖布定向經編而成，基布的單面覆蓋有防水層；防水層由SBS 改性瀝青與EVA 樹脂共聚制備而成。5 種加筋材料(圖1)技術參數見表3。

表3 加筋材料技術參數Table 3 Properties of reinforced materials

圖1 加筋材料Fig. 1 Reinforced materials

1.1.3 試件制備

進行車轍試驗和層間剪切試驗的I 型組合試件尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，結構形式為水泥穩定碎石+加筋材料+AC-13(圖2)，采用輪碾成型機壓實成型。

圖2 I型組合試件Fig. 2 Type I composite specimen

進行拉拔試驗的II型組合試件尺寸為150 mm×400 mm×100 mm，采用輪碾成型機壓實的板式試件切割而成。結構形式分為水泥穩定碎石+鋼絲網+AC-13和AC-20+鋼絲網+AC-13(圖3)。

圖3 II型組合試件Fig. 3 Type II composite specimen

層間黏結劑的種類和用量會影響層間黏結強度[28]。以乳化瀝青作為層間黏結劑時，參考JTG F40-2004規范[27]確定乳化瀝青用量。實體工程鋪設鋼絲網的過程中，需要用錨釘或者稀漿封層將加筋網固定在路面結構層上，一般使用錨釘固定鋼絲加筋網[12]。為了防止錨釘對試件的破壞，采用熱熔性改性環氧樹脂202 將鋼絲網固定在I 型組合試件下層表面，每塊試件環氧樹脂用量為40 g，25 ℃固化18 h。不同加筋試件層間處理方式見圖4。

圖4 不同加筋材料的層間處理Fig. 4 Interlayer processing of different reinforcing materials

1.2 試驗方法

試驗方法匯總于表4。

表4 試驗方法Table 4 Experiment methods

動穩定度(DS)計算公式為：

式中：DS為瀝青混合料的動穩定度，次/mm；d1和d2分別為對應于時間t1和t2的變形量，mm；C1為試驗機類型系數，曲柄連桿驅動加載輪往返運行方式取1.0；C2為試件系數，試驗室制備寬300 mm的試件取1.0；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。層間剪切強度(S)計算公式為：

式中：S為直剪試驗層間剪切強度，MPa；Pmax為作用在組合試件上最大剪切荷載，N；A為組合試件受力面面積，mm2。

加筋材料的相互作用系數定義為：在相同的豎向壓力下，加筋界面的抗剪強度與未加筋界面的抗剪強度之比，采用式(3)計算加筋材料的相互作用系數[29-30]。

拉拔試驗試件兩側使用鋼板夾持，利用扭矩扳手在鋼板表面施加0.1 N/mm2的約束力，約束試件側面的螺栓總共4個，平均每個螺栓上施加的垂直壓力為1 500 N，試件固定方式如圖5所示。

圖5 固定試件Fig. 5 Fixed specimen

2 試驗結果及分析

2.1 車轍試驗

車轍試驗結果如圖6 和圖7 所示。5 種加筋材料均提升了組合試件動穩定度，減小了最大車轍深度。加筋試件最大車轍深度由小到大排序依次為Ω 型-L2，直絲型-L3，Ω 型-L3，自粘式應力布和玻纖格柵試件；與未加筋試件相比，動穩定度相應提高了33%，27%，22%，13%和8%。

圖6 加筋試件的動穩定度Fig. 6 Dynamic stability of specimens with reinforced materials

圖7 加筋試件的最大車轍深度Fig. 7 Maximum rutting depth of specimens with reinforced materials

加筋材料提升路面結構組合試件抗車轍能力的機理如圖8和圖9所示。

圖8 拉膜效應Fig. 8 Tensioned membrane effect

圖9 平面限制效應Fig. 9 Plane confinement effect

1) 拉膜效應：試件表面產生變形時，加筋材料隨之變形，其抗拉能力分散了結構上部傳來的荷載應力，限制了結合面附近集料的豎向位移。

2) 平面限制效應：鋼絲加筋網和玻纖格柵存在網格空間，與上層瀝青混合料產生嵌鎖作用，網格限制了集料的運動，優化了荷載傳遞，提高了加筋界面集料塑性流動的阻力。

Ω 型-L2 鋼絲網試件的抗車轍性能強于另外2種鋼絲網試件，源于Ω 型-L2 鋼絲網更高抗拉強度導致更優的“拉膜效應”。鋼絲加筋網的抗拉強度雖低于玻纖格柵，但六邊形網孔的限制作用要優于正方形網孔[31]，三維網孔結構的鋼絲加筋網與集料有更強的嵌鎖作用，故鋼絲網試件抗車轍能力優于玻纖格柵試件主要是“平面限制效應”所致。玻纖格柵的抗拉強度與自粘式應力布相當，“平面限制效應”均較弱，故2種組合試件抗車轍能力大體相同。

2.2 層間剪切試驗

層間剪切強度試驗結果如圖10 所示，加筋材料的相互作用系數如圖11 所示。不同加筋方式對試件層間抗剪強度的影響排序為：直絲型-L3，Ω型-L3，Ω 型-L2，未加筋、玻纖格柵、自粘式應力布。

圖10 加筋試件的層間剪切強度Fig. 10 Interface shear strength of specimens with reinforced materials

圖11 加筋材料的相互作用系數Fig. 11 Interaction coefficients for reinforced materials

加筋試件層間抗剪能力來源于3 個方面[32-33]：1) 配筋筋面與集料之間的摩阻力；2) 筋材開口區域集料之間的摩阻力；3) 因網孔的存在，集料對加筋材料的被動抗剪能力。

加筋土工織物會降低試件層間黏結性能[34-35]，層間接觸面的隔離對結構層間抗剪性能產生了不利影響，故玻纖格柵試件和自粘式應力布試件的層間抗剪能力弱于未加筋試件。土工格柵試件的抗剪強度與開口面積比成正比[35]，本次試驗選用的土工格柵開口面積比為68%。自粘式應力布則分隔了上下層接觸面，故其試件層間抗剪強度最低。鋼絲網開口面積比為93%，未進行層間固定的鋼絲網也會略微降低試件層間黏結性能，未固定的直絲型鋼絲網相互作用系數為0.997[26]，固定后的直絲型鋼絲網相互作用系數為1.17，固定后的鋼絲網與試件上層集料有很好的嵌鎖作用，體現在鋼絲網的“被動抗剪”能力較好(作用機理見圖12)，故鋼絲加筋網試件的層間剪切強度明顯高于未加筋試件。由于Ω型駝峰的存在，Ω型加強鋼絲開口區域上下層集料之間的接觸面積較直絲型略小，Ω型鋼絲網相互作用系數稍低于直絲型鋼絲網，但3種鋼絲加筋網的相互作用系數差異較小。

圖12 鋼絲網的被動抗剪Fig. 12 Passive shear resistance of reinforced mesh

2.3 拉拔試驗

組合試件層間橫向加強鋼絲的最大拉拔力如圖13 所示。直絲型鋼絲在基層-面層、面層-面層間的最大拉拔力都很低。Ω型鋼絲的最大拉拔力遠遠高于直絲型鋼絲，Ω 型-L2 鋼絲的最大拉拔力高于Ω 型-L3 鋼絲，設置于基層-面層、面層-面層間的Ω 型-L2 鋼絲最大拉拔力分別是Ω 型-L3 鋼絲的1.15倍、1.28倍，說明較大直徑的加強鋼絲增加了鋼絲與結構層的接觸面積，提升了鋼絲網的錨固性能。

圖13 加強鋼絲最大拉拔力Fig. 13 Maximum pulling force of reinforced bar

橫向加強鋼絲在2種路面結構層間的拉拔變形曲線如圖14 和圖15 所示。同種鋼絲網在基層-面層間和面層-面層間的拉拔力-位移曲線趨勢相似。直絲型鋼絲的變形曲線呈現先上升后下降的趨勢，且拉拔力一直處于很低的狀態。Ω型鋼絲的變形曲線呈現先快速上升然后穩定發展的趨勢，拉拔力一直處于較高的狀態。

圖15 試件II-2變形曲線Fig. 15 Deformation curves for specimen II-2

在小變形階段(1～5 mm)，加強鋼絲拉拔變形曲線如圖16和圖17所示。選取該階段變形率(變形曲線的趨勢線斜率)來衡量鋼絲加筋網的穩定錨固性能，變形率平均值如圖18 所示。直絲型鋼絲在位移達到3 mm 之前，抗拉拔強度開始下降，變形率為負值；Ω 型鋼絲變形率均超過了200 N/mm。可見直絲型鋼絲網的錨固穩定性差，2 種Ω 型鋼絲網的錨固穩定性較好。

圖16 試件II-1 1～5 mm變形曲線Fig. 16 Deformation curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-1

圖17 試件II-2 1～5 mm變形曲線Fig. 17 Deformstion curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-2

圖18 1～5 mm區間變形率Fig. 18 Slope of the linear interpolation from 1 mm to 5 mm

拉拔試驗中，加強鋼絲的Ω 型駝峰逐漸趨于平緩，靠近拉拔力源處的駝峰變形更加明顯。Ω型鋼絲網抗拉拔的受力機理見圖19。Ω 型鋼絲網優良的錨固性能來源于：1) 鋼絲長度的增加提高了橫向加強鋼絲在結構層間的摩阻力；2) 鋼絲網的受力變形使Ω 型駝峰受到了周邊材料的正壓力，提高了鋼絲與層間材料之間的摩阻力；3) 施加拉力后，Ω型駝峰“端部承壓”作用，增大了Ω型鋼絲的抗拉拔力。

圖19 Ω型駝峰的受力機理Fig. 19 Functional mechanism of hump bars

3 結論

1) 布設于瀝青路面面層-基層之間的鋼絲網、玻纖格柵、自粘式應力布，對提高結構抗車轍能力都有積極的影響；因其“平面限制效應”，鋼絲加筋網與集料有更強的嵌鎖作用，抗車轍能力顯著改善。

2) 布置于瀝青路面面層-基層之間鋼絲網，因其與集料間的嵌鎖致使鋼絲網具有良好的“被動抗剪”作用，改善了結構層間抗剪能力；自粘式應力布和玻纖格柵因層間接觸面的隔離作用，對界面抗剪強度有不利影響。

3) 設置于基層-面層、面層-面層間的Ω 型加強鋼絲的抗拉拔能力和錨固穩定性比直絲型鋼絲大大提高；增大加強鋼絲直徑也能提升Ω 型鋼絲網的層間錨固性能。

4) Ω 型駝峰顯著提高鋼絲網在路面結構層間的錨固性能，主要源于Ω 型鋼絲網受力變形后，提高了鋼絲與層間材料之間的摩阻力和Ω 型駝峰的“端部承壓”作用。