新型復(fù)合土工織物的路用性能

魏 鋒，仝曉輝，李 鵬

0 引言

反射裂縫是路面的主要病害形式之一，在舊路改造過程中，單純增加加鋪層厚度，只能有限地延緩裂縫擴展速率，而使用土工織物是預(yù)防反射裂縫的有效途徑之一［1-2］。同時，土工織物作為封閉層，能有效阻止路面積水滲入結(jié)構(gòu)層內(nèi)部。即使路面產(chǎn)生裂縫，由于土工織物的高延展性［3-5］，土工織物仍然能夠阻擋水分入侵，使路面下部結(jié)構(gòu)保持良好的工作狀態(tài)［6］。此外，土工織物也能作為應(yīng)力吸收層用于新建瀝青路面和“白加黑”鋪面工程［7-8］。

傳統(tǒng)的復(fù)合加筋土工織物由無紡布和玻璃纖維網(wǎng)格構(gòu)成［9-11］，能夠更有效地將路面荷載向多方向傳遞、擴散，弱化裂縫尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)，延緩甚至阻擋裂縫的擴散［12-14］。

本文選取3種類型的復(fù)合土工織物鋪設(shè)于新舊路面之間，以提高路面的使用性能。通過試驗確定最佳黏層油含量，測試層間剪切強度、滲透系數(shù)，并計算材料的蠕變?nèi)崃?，較為全面地研究復(fù)合型土工織物的路用性能，為該材料的工程推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗材料

試驗選用AC-13瀝青混合料，級配曲線為規(guī)范中值。采用90#瀝青，瀝青含量為5.4%。通過旋轉(zhuǎn)壓實制備試件，試件的空隙率為4.1%。

本文選取3種類型的復(fù)合土工織物(圖1)，下層為無紡布，上層為玻璃纖維。復(fù)合型土工織物主要在舊路加鋪時使用，鋪設(shè)于新舊路面之間。無紡布為土工織物的基礎(chǔ)材料，容易吸附瀝青，提高土工織物與瀝青混合料的黏結(jié)性能;玻璃纖維主要起到加勁的作用，能夠提高結(jié)構(gòu)層的抗拉強度并有效分散應(yīng)力。Ⅰ型土工織物為新型“米”字型網(wǎng)格的復(fù)合土工織物，“米”字型網(wǎng)格更有利于各方向均勻受力。Ⅱ型和Ⅲ型為傳統(tǒng)的“田”字型網(wǎng)格復(fù)合土工織物。與傳統(tǒng)的“田”字型網(wǎng)格復(fù)合土工織物相比，“米”字型網(wǎng)格的復(fù)合土工織物能夠更好地應(yīng)用于不規(guī)則開裂的路面。

圖1 三種類型的復(fù)合土工織物

2 確定黏層油最佳含量

施工過程中，為了提高復(fù)合土工織物與上下路面結(jié)構(gòu)層的黏結(jié)性，在鋪設(shè)土工織物前會噴灑黏層油。由于無紡布能夠吸附較多的瀝青，用于復(fù)合土工織物的黏層油的用量要高于常規(guī)路面施工時的黏層油用量，且土工織物類型不同，其最佳黏層油用量也不同。

研究采用ASTM D6140方法測試黏層油最佳用量［15］。首先將土工織物裁剪成寬10 cm、長20 cm的方形試件，浸泡于熱瀝青中30 min，之后懸掛于135益的烘箱內(nèi)，30 min之后將試件翻轉(zhuǎn)，再過30 min取出試件。通過對比試件質(zhì)量的變化，確定黏層油用量。每種土工織物測試8個試件。確定的最佳黏層油用量見表1。

表1 三種類型復(fù)合土工織物的最佳黏層油用量 L·m原2

3 層間剪切強度

土工織物與瀝青面層的黏結(jié)性對路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和使用性能有很大的影響。研究采用直接剪切試驗測試黏結(jié)面的層間剪切強度。

試件制備過程中，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀先制備下部瀝青混合料試件，然后依照之前測得的最佳黏層油含量噴灑黏層油，放置復(fù)合土工織物，最后裝入瀝青混合料，壓實成型。本文只測試了Ⅰ型和Ⅱ型土工織物。

復(fù)合型土工織物有兩面，一面為無紡布，一面包含玻璃纖維。為了確定土工織物的放置方向，每一種類型的土工織物分別制備無紡布面朝下(用N表示)和玻璃纖維面朝下(用G表示)的復(fù)合試件，通過測試層間剪切強度確定土工織物的放置方式。

測試過程中，試件下半部固定于支座上，上半部安裝環(huán)形鋼套(圖2)，測試夾具置于力學試驗機中，通過力學試驗機加載并測試層間剪切強度。

圖2 層間剪切實驗裝置

圖3 為剪切試驗測試結(jié)果。對于同一種材料，玻璃纖維面朝下的土工織物的剪切強度遠高于無紡布朝下的試件。Ⅰ型(“米”字網(wǎng)格)土工織物試件的強度高于Ⅱ型(“田”字網(wǎng)格)土工織物試件的強度。

通過觀察破壞試件(圖4)發(fā)現(xiàn)，試件總是沿著有玻璃纖維的一面破壞。這是由于玻璃纖維的表面光滑，與瀝青的黏附性較差，因此這一面的抗剪切強度較小。在試件制備和實際施工中，先鋪灑黏層油，再鋪土工織物，當玻璃纖維面向下時，玻璃纖維、黏層油、瀝青混合料之間的黏結(jié)較充分;而當玻璃纖維面朝上時，玻璃纖維和瀝青混合料之間的黏層油滲入量不足或分布不均，導(dǎo)致玻璃纖維、黏層油、瀝青混合料之間的黏結(jié)相對較弱，致使玻璃纖維面朝下的抗剪切強度遠低于無紡布朝下時的抗剪切強度。

圖3 層間剪切強度

圖4 試件破壞照片

直接剪切試驗的結(jié)果表明:相對于傳統(tǒng)的“田”字型網(wǎng)格土工織物，新型的“米”字型網(wǎng)格土工織物具有更高的剪切強度;對于2類土工織物，當無紡布面向下放置(直接與黏層油接觸)時，黏結(jié)層具有更高的抗剪切強度。

4 滲透系數(shù)

復(fù)合土工織物的主要作用之一是作為密封層阻斷水分進入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。對于舊路改造項目，由于原路面已經(jīng)產(chǎn)生開裂，密封層的作用則更加明顯。研究采用ASTM PS129方法測試材料的滲透系數(shù)，試驗設(shè)備如圖5所示，計算公式見式(1)。試件的制備過程與剪切強度試驗的試件相同，土工織物水平鋪設(shè)于試件中部。

式中:k為滲透系數(shù)(cm·s原1);a為進水管的平均直徑(cm2);L為試件平均厚度(cm);A為試件的平均截面積(cm2);t為水頭通過高度h1和h2之間的時間(s);h1為t1時刻的水頭高度(cm);h2為t2時刻的水頭高度(cm);tc為水的黏性修正系數(shù)(20益時為1.0)。

圖5 滲水系數(shù)測試儀

圖6 總結(jié)了加入不同類型復(fù)合土工織物的瀝青混合料和原瀝青混合料的滲透系數(shù)。Maupin的研究結(jié)果中建議:密水型路面材料的最大滲透系數(shù)為125伊10原3cm·s原1。本研究中所有測試結(jié)果都遠小于這一推薦值。其中，未加土工織物的瀝青混合料的滲透系數(shù)為 18.5 伊10原5cm·s原1，加入土工織物后混合料的透水系數(shù)下降至2伊10原5cm·s原1左右。Ⅱ型土工織物的透水系數(shù)最低。

圖6 滲透系數(shù)計算結(jié)果

分別添加3種土工織物后，瀝青混合料的抗?jié)B透性都得到顯著提高，不同土工織物的抗?jié)B透效果差異不大?？?jié)B透性的提高源自無紡布層吸收瀝青后形成的不透水層，3種材料使用了同樣材質(zhì)的無紡布，因此3種材料對混合料抗?jié)B透性的提高幅度相近。

5 間接拉伸試驗

通過間接拉伸試驗(IDT)測試材料的蠕變?nèi)崃浚渥內(nèi)崃康亩x是采用恒定應(yīng)力加載，在特定加載時間和溫度下材料應(yīng)變與應(yīng)力的比值，是黏彈性材料的基本力學指標之一。材料的低溫蠕變?nèi)崃颗c材料的抗低溫開裂性能直接相關(guān)。

對于加入3種復(fù)合土工織物的瀝青混合料和未加土工織物的瀝青混合料，分別在20益、原10益和原30益測試其蠕變?nèi)崃?。圖7是測試裝置，測試過程中分別在試件的兩面沿水平和垂直方向安裝2個位移傳感器，測試試件沿水平和豎直方向的位移，測試時間為1 000 s。

表2總結(jié)了4種材料不同溫度和不同時間的蠕變?nèi)崃?，并?00 s的蠕變?nèi)崃窟M行比較，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，蠕變?nèi)崃侩S溫度的降低而顯著降低。加入土工織物的瀝青混合料蠕變?nèi)崃枯^小，表明在低溫時加入土工織物有利于提高材料的低溫抗裂性，延緩路面低溫開裂;在常溫時能夠一定程度地降低因下層結(jié)構(gòu)開裂引起的應(yīng)力集中，延緩反射裂縫的發(fā)生。

圖7 間接拉伸試驗裝置

表2 不同時間材料的蠕變?nèi)崃縂Pa原1

圖8 500 s各種材料不同溫度下的蠕變?nèi)崃?/p>

6 結(jié)語

選取了3種類型的復(fù)合土工織物，通過試驗確定其最佳黏層油含量，之后通過剪切試驗、滲透試驗和間接拉伸試驗測試了材料的路用性能，得到以下結(jié)果。

(1)相對于傳統(tǒng)的“田”字型網(wǎng)格復(fù)合土工織物，新型的“米”字型復(fù)合土工織物具有更高的抗剪切強度;對于2類土工織物，當土工纖維面向下放置(直接與黏層油接觸)時，黏結(jié)層具有更高的抗剪切強度。

(2)添加3種土工織物后，瀝青混合料的抗?jié)B透性顯著提高，但不同土工織物的抗?jié)B透效果差異不大。(3)添加土工織物后，瀝青混合料的蠕變模量有所降低，有利于提高材料的低溫抗裂性，延緩路面低溫開裂，并能夠一定程度地降低因下層結(jié)構(gòu)開裂引起的應(yīng)力集中，延緩反射裂縫的發(fā)生。

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