格柵增強級配碎石單軸強度試驗分析

田 文，鄭少平，石學文

（1.湖北交通職業(yè)技術學院，武漢 430079；2.煙建集團有限公司，煙臺 264000；3.湖北楚天高速公路股份有限公司，武漢 430051）

城市瀝青路面在交叉路口處易出現(xiàn)嚴重的車轍、擁包、推移、側向剪切變形病害。上述病害產(chǎn)生的原因主要歸結于高溫條件下車輛在長時間的等待交通信號，頻繁的剎車減速，加速起步以及轉彎等不利因素下造成的高溫失穩(wěn)。瀝青混合料是典型的瀝青穩(wěn)定顆粒材料，其強度通常用摩爾庫倫－強度理論來解釋［1－3］。瀝青高溫粘聚力和混合集料的內摩擦角是瀝青混合料高溫抗剪強度的重要表征參數(shù)。應力摩爾圓則說明了瀝青混合料的軸向抗壓強度對側向圍壓具有很強的依賴性，當側向約束力提高后，瀝青混合料的抗壓強度和抗剪強度均可大幅度增加。提高瀝青混凝土抗剪切能力通常采用提高瀝青混凝土路面的材料內部粘結力和增大瀝青混凝土內部骨料的內摩擦角來實現(xiàn)，其中采用改性瀝青可顯著提高材料內部粘結力，但在高溫且慢速行車條件下瀝青混合料的抗剪切能力主要依賴于集料的內摩擦角，因此增大瀝青路面在高溫環(huán)境下的骨料內摩擦角是提高其抗剪切能力、改善瀝青路面路用性能的有效途徑。

研究表明二維格柵對顆粒狀集料具有很好的加固作用，其主要是通過顆粒狀集料內陷在格柵孔中，當荷載作用于表面時，格柵孔在一定程度上約束了集料的上下和左右方向的移動，使得集料具有一定的穩(wěn)定性。因此使用格柵可抑制瀝青混合料的側向流動，提高其抵抗永久變形的能力，大幅度減少路面車轍病害的出現(xiàn)［4－6］。該文主要研究格柵對級配碎石的增強作用，所采用的級配碎石按瀝青混合料級配進行設計，以針對性的分析格柵對瀝青混合料骨架的約束能力，為基于格柵增強的抗高溫車轍瀝青路面的設計提供技術參考。

1 試 驗

1.1 原材料

玻璃纖維格柵具有高抗拉強度、低延伸性、高溫穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、物理耐久性等優(yōu)良特性。該試驗采用泰安萬力工程材料有線公司提供的產(chǎn)品，型號WL－60，各項參數(shù)符合《JTJ/T 060—98公路土工合成材料試驗規(guī)程》。經(jīng)向和緯向強度為60kN/m，網(wǎng)格尺寸25mm×25mm，彈性模量67 000MPa，拉伸斷裂伸長率小于4%。

該試驗所用的瀝青混凝土級配類型為AC－16型，合成級配見表1。所用的粗集料（2.36～19mm）和細集料（0～2.36mm）均為玻璃山碎石場軋制玄武巖，粗集料表觀相對密度為2.959，吸水率為0.8%，壓碎值10.2%，洛杉磯磨耗值9.2%，針片狀含量為9.8%。細集料表觀相對密度為2.918，砂當量為72.0%。填料采用吉林華晨石灰?guī)r礦粉。表1中的合成級配以下材料按比例9.5～19mm∶4.75～9.5mm∶2.36～4.75mm∶0～2.36mm：礦粉＝30%∶25%∶14%∶25%∶6%混合而成。

表1 集料合成級配

1.2 方法

試驗用的混合集料是按照前面所給配比配制符合表1通過率的級配碎石，共5份，每份6kg。為了避免集料松散，采用復合木板制作組裝盒以提供初始圍壓來保持格柵加筋級配碎石試件的初始形狀，木盒內圍尺寸為26cm×26cm。制件成型時先在組裝盒底放置26cm×26cm的格柵，再將1份6kg的級配碎石鋪入作為底層，整平后再依次倒入級配碎石和安置格柵，最后形成5層級配碎石＋6張格柵夾層結構，如圖1所示。

試驗儀器采用新三思CMT5305壓力機，試驗試件的成型過程直接在該儀器承件平臺上進行，如圖1所示，首先將復合木板組裝盒固定，然后將格柵、單份級配碎石依次重復順序鋪入組裝盒內。試驗開始前在組裝盒上下兩面均用10mm厚鋼板作為垂直壓力承載面，將儀器壓桿微調至該試件承受預加載5mm形變，以確保集料能相互作用而不松散，后拆去四圍復合木板，按加載速率為1mm/min開始試驗，并采用電腦配套軟件測量記錄實時加載力與位移。

2 試驗結果與討論

不同的粒徑集料經(jīng)過級配設計成所謂的密實級配并混合充分后，自然堆積狀態(tài)下呈錐體形狀。該文制備了中間未鋪設格柵的純粹級配碎石試件進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)在提供充足預壓力后撤去木盒，級配碎石發(fā)生了坍塌，難以形成如圖1所示具有穩(wěn)定結構的試件。上述現(xiàn)象表明集料間不存在內部粘結力，而且集料間內摩阻力也很小，不足以克服自身重量而產(chǎn)生了滑移，最終表現(xiàn)為集料堆的整體坍塌。

圖2為格柵增強后級配碎石單軸抗壓試驗結果。圖中的壓應力由加載力除以試件截面積，而應變?yōu)閴毫C壓頭位移除以試件高度。因試驗采用的試驗機加載力不足達到試件的最大的承載力，應力－應變曲線呈單調性遞增，未出現(xiàn)明顯的拐點或屈服點。經(jīng)線性擬合后得其斜率約為12，即所試驗的格柵增強后級配碎石的彈性模量為12MPa。圖2中的試驗結果也說明了格柵增強后級配碎石具有很高的承載力，在應變達到0.058時可承受輪胎與路面的標準壓力0.7MPa。

為了更好的檢測格柵增強型級配碎石的承載力，采用大型壓力機對格柵增強后級配碎石進行單軸抗壓破壞試驗。圖3為相應的試驗過程圖。其中，圖3（a）為試驗準備狀態(tài)，木制裝配盒上下倆表面采用10mm厚鋼板作為荷載施加和承受介質，為防止鋼板接觸面的集料松垮，在其接觸面上各鋪設一層玻璃纖維格柵，分別為圖3（f）中格柵A與格柵F。此外，在級配碎石中每隔約31mm鋪設一層玻璃纖維格柵。圖3（b）為試驗開始加載一定預壓力之后拆除木制盒子之后的試件狀態(tài)，預壓力的加載是為了防止無預壓力拆除木制盒子后試件松散垮塌。圖3（c）和圖3（d）為在1mm/min的形變控制加載速率下試驗過程中的狀態(tài)，圖中觀察可以看出試件四周外圍部分集料因為中心軸區(qū)域集料體積膨脹被擠落，但試件整體承受荷載的能力并未因這些周邊部分集料的脫落而喪失。圖3（e）為試驗結束后，壓桿升起并卸去承載鋼板之后的狀態(tài)，試件中心軸區(qū)域集料已經(jīng)明顯與四周外圍集料形態(tài)相異，呈現(xiàn)出集料被壓碎后的顆粒粉末狀態(tài)。圖3（f）中是試驗完畢后試件內的6層格柵，A－F分別依次代表自上至下第一、第二…第六層玻璃纖維格柵，中間C、D兩層格柵中心軸區(qū)部分破壞最嚴重。

圖4為采用大型壓力機對格柵增強后級配碎石進行單軸抗壓破壞試驗結果。由于壓力機的加載力足夠大，應力－應變曲線出現(xiàn)了明顯的拐點。在拐點前，試驗前期應力－應變曲線呈平穩(wěn)和緩慢增加，而過了拐點后，應力隨著應變的增加而急劇增加，表明在拐點前后受力模式發(fā)生了根本性的改變。結合圖3的試驗過程分析可知，在格柵阻礙集料水平移動的情況下，荷載加載初始階段，集料通過緩慢相對移動、緊縮集料間隙的方式，在減小體積的同時承受外部荷載，其在圖4中表面試件受到的壓力隨著應變逐漸增加。當集料內陷入格柵孔后，集料的側向約束力急劇提高，集料顆粒間受到的剪切力提高，部分集料會被壓碎，表現(xiàn)為壓應力隨著應變的增加而急劇增加。當施加的壓力足夠大時，集料產(chǎn)生剪切側向變形，沖破了格柵孔的約束力，使格柵網(wǎng)發(fā)生斷裂，見圖3（f）中的格柵網(wǎng)C和D所示。上述試驗結果初步證實了格柵對瀝青混合料的骨架具有很好的約束作用，可起到減小其側向剪切變形，提高其承載力的目的［2，3，7］。

3 結 論

采用單軸壓力試驗分析了格柵對瀝青混合料級配碎石的加筋增強作用。試驗結果證實了格柵對瀝青混合料的集料骨架可起到約束作用，從而提高其抗剪性能和承載力。格柵網(wǎng)孔阻礙集料水平移動，提高了集料間的內摩擦力，是承載能力提高的主要原因，其作用機理可用摩爾庫倫－強度理論予以解釋。該試驗中的格柵增強型級配碎石在沒有瀝青膠結料的情況下，表現(xiàn)出足夠的抵抗荷載能力，表明了用格柵增強可設計出優(yōu)異的抗高溫車轍瀝青混合料。目前格柵已被廣泛用于防止瀝青路面反射裂縫，但其主要鋪設在瀝青面層之間，施工過程易受攤鋪機和運料車碾壓破壞。如何將格柵有效地鋪設在單層瀝青混合料中以提高瀝青混合料的整體性能仍是一大施工難題。

［1］ 黃曉明，吳少鵬，趙永利.瀝青與瀝青混合料［M］.南京：東南大學出版社，2002.

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［7］ 鄭少平.格柵對瀝青混凝土路面高溫性能的影響［D］.武漢理工大學，2012.