玻纖格柵抵抗不同寬度裂縫反射性能的研究

徐永麗，程培峰，張佰真銘

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040)

玻纖格柵較一般格柵性能更加優(yōu)越，具有高強(qiáng)度、高模量、低蠕變、抗腐蝕、抗老化、抗脆裂及可預(yù)設(shè)計(jì)等多種特性，是道路工程使用的優(yōu)良材料［1－2］。在道路工程中，使用玻纖格柵主要是利用其高抗拉強(qiáng)度和高彈性模量的特點(diǎn)，將反射裂縫應(yīng)力的方向由垂直轉(zhuǎn)為水平，增加了整體的抗拉強(qiáng)度，減少了變形，對(duì)反射裂縫進(jìn)行了有效地控制，延緩疲勞破壞，提高道路使用壽命。

瀝青加鋪層反射裂縫的擴(kuò)展模式主要有兩種:剪切型反射裂縫和張開型反射裂縫［3－5］。交通荷載和溫度作用是引起反射裂縫的兩大主要因素。通常認(rèn)為，溫度應(yīng)力引起反射裂縫的產(chǎn)生，并參與了其最初的擴(kuò)展，而荷載應(yīng)力加速了裂縫的擴(kuò)展。

本文對(duì)玻纖格柵抵抗不同寬度裂縫的性能進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，旨在研究不同基層裂縫寬度所導(dǎo)致的面層裂縫出現(xiàn)與傳導(dǎo)情況，確定玻纖格柵使用范圍和條件，以便根據(jù)實(shí)際情況合理選擇加鋪玻纖格柵。

1 玻纖格柵界面粘層油的用量確定

采用玻纖格柵延緩反射裂縫發(fā)展，其必要條件為在兩種不同材料交界面的抗剪強(qiáng)度必須足夠大，以防止在臨界區(qū)由于高剪應(yīng)力導(dǎo)致新路面的滑動(dòng)，尤其在車輛水平力的作用下，如急速剎車或彎道行駛時(shí)，使夾層材料的應(yīng)用效果降低，無效果甚至產(chǎn)生副作用［6－9］。因此加鋪格柵的粘層油用量和工藝非常重要。

試驗(yàn)采用基質(zhì)瀝青作為粘結(jié)材料，通過采用豎向直剪的試驗(yàn)方法，層間未加鋪格柵與加鋪格柵做抗剪強(qiáng)度對(duì)比確定層間最佳瀝青用量如圖1所示。

圖1 基質(zhì)瀝青做粘結(jié)材料的抗剪強(qiáng)度對(duì)比Fig.1 Matrix asphalt serve as shear strength contrast of the bonding material

從圖1中可以看出，基質(zhì)瀝青作為粘結(jié)材料，層間抗剪強(qiáng)度隨瀝青用量的增加而增大，當(dāng)瀝青用量達(dá)到某一值后，層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，而后隨著瀝青用量的增加，層間抗剪強(qiáng)度逐漸減小。加鋪格柵后的最大抗剪強(qiáng)度與層間未加鋪格柵相比有所下降，瀝青最佳用量減少。不加格柵層間粘結(jié)料最佳用量在0.421 kg/m2，最大抗剪強(qiáng)度0.50MPa。加鋪格柵層間粘結(jié)料最佳用量在0.40 kg/m2，最大抗剪強(qiáng)度0.39MPa。加鋪格柵后瀝青用量降低5.0%，最大抗剪強(qiáng)度降低22%。

2 不同裂縫寬度的靜載實(shí)驗(yàn)

采用6種不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不同寬度的裂縫實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

圖2 抗裂縫試驗(yàn)示意圖Fig.2 Crack resistance test scheme.

試件制作規(guī)格300 mm×100 mm×50 mm的輪碾成型的梁條狀試件，在試件的一側(cè)涂抹白漆以便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，整體試件的下面采用鋼板模擬水泥混凝土結(jié)構(gòu)，限制整個(gè)試件的兩側(cè)，采用有側(cè)限試驗(yàn)。萬能壓力機(jī)的實(shí)驗(yàn)方式為混合料彎曲，加載速率為10 mm/min，溫度為20℃，設(shè)定參數(shù)為10 mm回彈變形量。

表1 靜載正壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results with static positive pressure

裂縫寬度較小時(shí) (3 mm)，反射裂縫位置基本對(duì)應(yīng)著下面結(jié)構(gòu)的裂縫，反射裂縫寬度也較小，裂縫基本從支點(diǎn)處開始向上發(fā)展，裂縫寬度為6 mm時(shí)，隨著下面結(jié)構(gòu)的寬度變寬，反射裂縫的形態(tài)也發(fā)生了變化，承受反射裂縫的混合料體積在增加，裂縫也已多根進(jìn)行反射，形成一個(gè)區(qū)域，裂縫順著粒徑分布走向進(jìn)行，裂縫寬度為9 mm時(shí)，在荷載作用下，裂縫有可能在上部事先出現(xiàn)，達(dá)到一定范圍，例如9 mm及以上時(shí)，試件在裂縫上部存在足夠大的懸空從而導(dǎo)致試件產(chǎn)生彎曲變形，此時(shí)裂縫的出現(xiàn)機(jī)理發(fā)生變化，主要取決于瀝青加鋪層本身的抗彎性能，具體如下。

(1)未加鋪格柵。當(dāng)荷載慢慢增加，混合料首先形成壓縮變形，當(dāng)壓縮到一定程度后，裂縫首先在鋼塊與混合料的夾縫處出現(xiàn)，當(dāng)荷載繼續(xù)加載裂縫慢慢向兩側(cè)發(fā)展出部分細(xì)小裂縫，主裂縫則繼續(xù)向上發(fā)展直到完全開裂。若在裂縫產(chǎn)生或擴(kuò)展過程中遇到大粒料阻擋則裂縫由大粒料邊緣開始。

(2)加鋪格柵。裂縫在整個(gè)擴(kuò)展過程都較為緩慢，裂縫較細(xì)。細(xì)小裂縫伴隨主要裂縫同時(shí)出現(xiàn)，并對(duì)稱發(fā)展，這說明在格柵的加筋作用下，受力范圍擴(kuò)大，應(yīng)力集中得到了消散。切縫處正上方裂縫較寬，兩側(cè)依次變窄。裂縫發(fā)展出許些小裂縫后，小裂縫基本無太大變化。終裂時(shí)接縫處玻纖格柵有被拉長(zhǎng)的現(xiàn)象，但拉伸現(xiàn)象不明顯，玻纖格柵與鋼板粘結(jié)良好，未出現(xiàn)過大滑移現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果示意圖Fig.3 Test results.(a)6mm overlay grid positive pressure;(b)6mm without overlay grid positive pressure

(3)3 mm、6 mm和9 mm裂縫是否加鋪格柵的初裂數(shù)值基本處在一個(gè)級(jí)別，且裂縫越大則影響越小。從而表明是否加鋪格柵對(duì)于瀝青加鋪層本身的裂縫初始并無顯著影響。而對(duì)于裂縫在瀝青加鋪層中的傳導(dǎo)具有顯著的抑制作用，通過格柵加鋪延長(zhǎng)了路面的開裂時(shí)間減少了路面的維修頻率。

(4)3 mm裂縫試驗(yàn)中格柵對(duì)于裂縫的最終破壞值提高了20%以上，6 mm裂縫中格柵對(duì)于裂縫的最終破壞值也提高了10%，9 mm裂縫中格柵對(duì)于裂縫的最終破壞值提高了不到1%。因此當(dāng)裂縫寬度大于9 mm后，加鋪格柵的意義不大。

(5)達(dá)到一定范圍 (如9 mm及以上)時(shí)，試件在裂縫上部存在足夠大的懸空從而令試件產(chǎn)生彎曲變形，此時(shí)裂縫的出現(xiàn)機(jī)理發(fā)生變化，主要取決于瀝青加鋪層本身的抗彎性能，格柵在這里只對(duì)瀝青加鋪層的彎曲形變進(jìn)行一定的改善。對(duì)于裂縫的初裂以及終裂改善性能不明顯。

(6)裂縫發(fā)展時(shí)間，加鋪格柵試件均大于未加鋪格柵試件，裂縫從出現(xiàn)到貫穿時(shí)間延長(zhǎng)了40%～50%，而彎拉力的斜率增加基本一致。

3 無側(cè)限6 mm裂縫寬度試驗(yàn)

對(duì)同樣是6 mm寬度，但是基層裂縫無側(cè)限情況進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較小荷載作用下即發(fā)生破壞，不僅破壞了整體結(jié)構(gòu)，也令整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，此種情況在路面中線附近并不能發(fā)生，此種試件開裂類型常發(fā)生在路面邊緣位置。此種直觀感受也為我們形象的解釋了當(dāng)路面邊緣出現(xiàn)裂縫后不進(jìn)行路基加固時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生基層橫移并塌陷的可能如圖4所示。

圖4 無側(cè)限試件壓裂圖Fig.4 Fracturing figure for unconfined specimen

4 不同裂縫寬度的重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)

利用車轍試驗(yàn)機(jī)的重復(fù)荷載作用能力，對(duì)上述不同裂縫寬度進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。可以看出，9 mm寬度裂縫的荷載作用次數(shù)明顯小于6 mm寬度作用次數(shù)，無格柵時(shí)，9 mm為6 mm的80%;而格柵對(duì)荷載的作用次數(shù)具有一定的延緩效果，6 mm情況延長(zhǎng)了30%，9 mm情況延長(zhǎng)了24%。對(duì)于有格柵試件，不僅荷載作用時(shí)間增長(zhǎng)，而且裂縫基本看不出反射現(xiàn)象，裂縫主要由于荷載重復(fù)作用在表面產(chǎn)生。

圖5 不同裂縫寬度的荷載作用次數(shù)Fig.5 Load repetition times at different crack width

5 結(jié)論

(1)格柵最初主要為擴(kuò)散應(yīng)力減小應(yīng)力集中作用，加鋪格柵對(duì)于瀝青加鋪層本身的裂縫初始并無顯著影響，而對(duì)于裂縫在瀝青加鋪層中的傳導(dǎo)具有顯著的抑制作用，并與上部結(jié)構(gòu)層共同承擔(dān)部分應(yīng)力。

(2)裂縫的發(fā)展形態(tài)與路面結(jié)構(gòu)、材料和原始裂縫相關(guān)，格柵的有效能力為15%～40%。裂縫寬度從3 mm到9 mm變化時(shí)，梁在支點(diǎn)處產(chǎn)生裂縫，并向上反射，隨著裂縫寬度而反射速度增加。

(3)側(cè)限大小對(duì)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展影響顯著。

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