两种土工合成材料加筋沥青混凝土路面耐久性对比分析

2012-04-27何勇海

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2012年3期

何勇海

(河北省交通规划设计院，河北石家庄 050001)

0 引言

沥青路面在车辆荷载和环境自然因素的作用下，沥青混合料的物理、力学性能受气候和时间因素的影响而逐渐衰减，当其结构强度与稳定性不足时，易产生裂缝、车辙等路面病害［1-4］。基于土工合成材料具有整体性强、抗拉强度高、高温稳定性好、耐久性好等优良的物理力学特点，与沥青混合料形成沥青混凝土面层加筋结构后，提高了沥青混凝土路面的疲劳寿命、抗反射裂缝和抗高温车辙能力等，成为沥青路面路用技术性能改善的一个有效途径［5-7］。通过室内试验系统研究了玻纤格栅和聚酯玻纤布提高沥青路面低温抗裂性、高温稳定性和抗疲劳性能。

1 原材料

试验采用了无加筋层、中间加铺两种不同刚度的玻纤土工格栅或加铺聚酯玻纤布进行了对比试验。

玻纤土工格栅包括TGS－B 20－20(纵横向抗拉强度分别为20 kN/m，断裂延伸率≤3%)和TGS－B 50－50(纵横向抗拉强度分别为50 kN/m，断裂延伸率≤3%)两种规格。聚酯玻纤布的性能指标如下:单位质量为125～155 g/m2，抗拉强度为8 kN/m2，聚酯纤维含量为20% ～40%，无碱玻纤含量为50% ～70%，粘结剂含量为0～30%，厚度为≤1.2 mm，熔点为230℃。

2 试验方案

2.1 低温抗裂试验

试验上层为AC-13、下层为AC-20两种沥青混合料级配，作为对比设置普通沥青混合料、高强度玻纤格栅复合沥青混合料、低强度玻纤格栅复合沥青混合料及聚酯玻纤布复合沥青混合料四种结构形式。根据《公路沥青及沥青混合料试验规程》先碾压成型300 mm×300 mm×50 mm车辙板，为了符合施工现场实际情况，先制做一个车辙板试件而后在其上铺设土工合成材料，再在其上制作车辙板(如图1)。车辙板成型完成后，隔日脱模，在切割机上切割成250 mm×35 mm×30 mm小梁试件，切割时使得土工材料位于车辙板中部。每块车辙板切割6个小梁作为平行试件，试验采用仪器为WDW-1020微控电子万能材料试验机，试验温度为－10℃，加载速率为50 mm/min，试验数据由试验机自动记录。利用小梁低温弯曲试验来评价加筋路面的低温抗裂性能。

图1 四种结构形式试件制作过程

2.2 抗高温车辙试验

沥青路面应具有良好的高温稳定性，确保高温时期仍具有足够的强度和刚度。利用车辙试验评价其高温稳定性能。试验仍采用上层为AC-13、下层为AC-20材料，试样尺寸为300 mm×300 mm×100 mm车辙板，试样制备方法同小梁弯曲试验相同，试验分4组进行，每组有3个平行试验。试验仪器采用HYCZ-5A双轮自动车辙试验仪，试验温度为60℃，轮压为0.7 MPa。试验数据由试验机自动记录。试验通过板块状试件与车轮之间的反复相对运动，使试件在车轮的重复荷载作用下，在规定的温度条件下，产生压密、剪切、推移和流动而形成辙槽，以辙槽的深度RD(mm)和动稳定度DS(每产生1 mm辙槽所需碾压次数)来评价沥青混合料在规定温度下抵抗塑性流动变形的能力。

2.3 抗疲劳性能试验

试样上层采用AC-13，下层为AC-20，分别制做两块车辙板，土工织物夹在两层之间，试样制备过程如图1所示。试样脱模后利用切割机将试样切割成250 mm×40 mm×40 mm小梁。每个车辙板切割成6个小梁。试验机采用LDMT-25微机控制沥青混合料动态疲劳试验机。

3 试验结果分析

3.1 低温抗裂试验

根据试验结果计算其评价指标有抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏时的弯曲劲度模量SB。试验结果见图2。根据试验结果，可以看出:

(1)各种结构类型小梁的弯拉强度指标:3#＞4#＞1#＞2#;弯拉应变指标:3#＞4#＞1#＞2#;劲度模量指标:2#＞3#＞1#＞4#。加入高强度玻纤格栅及聚酯玻纤布后试件抗弯拉强度及弯拉应变均提高，只有聚酯玻纤布弯曲劲度模量减小。加入低强度格栅弯拉强度与弯拉应变均减小而劲度模量增大，原因可能是由于加入格栅后减小了小梁试件的有效高度，导致低强度格栅所起的增强幅度小于强度下降的幅度。

(2)根据试验结果，3#试样的弯曲劲度模量较1#试样增加了6.8%，而4#的弯曲劲度模量比1#试样减小了6.0%。可见，在抗低温裂缝方面聚酯玻纤布比玻纤格栅更好一些。

图2 小梁低温弯曲试验结果

高强度玻纤土工格栅和聚酯玻纤布加筋沥青路面材料使抗拉强度提高，主要原因是材料脆性由于土工合成材料的韧性贡献而得到缓解，土工合成材料铺设在沥青面层中，由于其具有较强的拉应力，提高了面层内的横向拉伸强度，当试件底部拉应力超过沥青混凝土拉伸强度后沥青底层出现裂缝，裂缝延伸到土工合成材料处时，由于土工合成材料的存在改变了裂缝尖端的受力状况，使得应力集中得到分散，限制了裂缝的扩展。说明土工合成材料加筋路面具有良好的韧性，即具有良好的低温抗裂能力。聚酯玻纤布加紧效果在低温条件下效果更好，其劲度模量得到明显降低。

3.2 抗高温车辙试验

高温车辙试验结果如图3所示，根据试验结果可以看出:

图3 复合沥青路面结构高温稳定性试验结果

(1)路面中加入土工合成材料后，车辙深度大小依次为2#＞1#＞4#＞3#，动稳定度大小依次为3#＞4#＞2#＞1#。因此，加入高强度玻纤格栅或聚酯玻纤布后可明显减小车辙深度，增大其动稳定度。

(2)采用一定强度玻纤格栅加筋沥青混凝土可显著提高沥青路面的高温稳定性。加入玻纤格栅后，格栅与沥青混合料由于网孔的作用而相互嵌锁，限制了集料的移动，抑制了塑性变形的累积，从而保持矿质骨架的稳定。而聚酯玻纤布降低了面层与基层之间的结合力，与沥青混合料的整体性结合弱于玻纤格栅。

3.3 抗疲劳性能试验

试件破坏后如图4所示。

图4 沥青试样抗疲劳破坏图

根据疲劳理论，在应力控制疲劳试验中，应力与疲劳寿命成双对数线性关系，疲劳方程表达形式为

式中，Nf为试件破坏时加载次数;σ为弯曲应力;a、b为试验所确定参数。沥青混合料疲劳方程中的参数a、b分别具有不同的意义。a值反映了疲劳曲线线位的高低，a值越大，疲劳曲线线位越高，混合料疲劳性能越好。b值反映了疲劳寿命对荷载在水平上的敏感性，b值越大，疲劳曲线斜率越大，疲劳寿命对于荷载水平的变化越敏感。

4种类型疲劳方程汇总结果见表3。

表3 4种结构类型疲劳方程

根据试验结果可以看出:

(1)应力水平和疲劳寿命两者之间在双对数坐标下满足良好的线性关系。根据a值的大小得出疲劳性能好坏的顺序:3#＞4#＞2#＞1#，根据b值的大小得到疲劳寿命对荷载的敏感性程度:3#＞4#＞2#＞1#。由表1可知，玻纤格栅和聚酯玻纤布在各应力水平下均能提高沥青混合料的疲劳破坏寿命。

(2)沥青路面材料表面层的抗压强度远大于抗拉强度，而在荷载作用处面层底部所受的拉应力较表面拉应力大的多，因此在荷载重复作用下路面裂缝在面层底面开始发生。在加入土工合成材料后，试件底层向上发展的裂缝在土工合成材料层位处变为在水平方向上发展，这说明土工合成材料可以有效的阻止裂缝向上发展的趋势，从而减缓了疲劳破坏的速度。