玻纤格栅抵抗不同宽度裂缝反射性能的研究

徐永丽，程培峰，张佰真铭

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨150040)

玻纤格栅较一般格栅性能更加优越，具有高强度、高模量、低蠕变、抗腐蚀、抗老化、抗脆裂及可预设计等多种特性，是道路工程使用的优良材料［1－2］。在道路工程中，使用玻纤格栅主要是利用其高抗拉强度和高弹性模量的特点，将反射裂缝应力的方向由垂直转为水平，增加了整体的抗拉强度，减少了变形，对反射裂缝进行了有效地控制，延缓疲劳破坏，提高道路使用寿命。

沥青加铺层反射裂缝的扩展模式主要有两种:剪切型反射裂缝和张开型反射裂缝［3－5］。交通荷载和温度作用是引起反射裂缝的两大主要因素。通常认为，温度应力引起反射裂缝的产生，并参与了其最初的扩展，而荷载应力加速了裂缝的扩展。

本文对玻纤格栅抵抗不同宽度裂缝的性能进行静载试验和动载试验，旨在研究不同基层裂缝宽度所导致的面层裂缝出现与传导情况，确定玻纤格栅使用范围和条件，以便根据实际情况合理选择加铺玻纤格栅。

1 玻纤格栅界面粘层油的用量确定

采用玻纤格栅延缓反射裂缝发展，其必要条件为在两种不同材料交界面的抗剪强度必须足够大，以防止在临界区由于高剪应力导致新路面的滑动，尤其在车辆水平力的作用下，如急速刹车或弯道行驶时，使夹层材料的应用效果降低，无效果甚至产生副作用［6－9］。因此加铺格栅的粘层油用量和工艺非常重要。

试验采用基质沥青作为粘结材料，通过采用竖向直剪的试验方法，层间未加铺格栅与加铺格栅做抗剪强度对比确定层间最佳沥青用量如图1所示。

图1 基质沥青做粘结材料的抗剪强度对比Fig.1 Matrix asphalt serve as shear strength contrast of the bonding material

从图1中可以看出，基质沥青作为粘结材料，层间抗剪强度随沥青用量的增加而增大，当沥青用量达到某一值后，层间抗剪强度达到最大，而后随着沥青用量的增加，层间抗剪强度逐渐减小。加铺格栅后的最大抗剪强度与层间未加铺格栅相比有所下降，沥青最佳用量减少。不加格栅层间粘结料最佳用量在0.421 kg/m2，最大抗剪强度0.50MPa。加铺格栅层间粘结料最佳用量在0.40 kg/m2，最大抗剪强度0.39MPa。加铺格栅后沥青用量降低5.0%，最大抗剪强度降低22%。

2 不同裂缝宽度的静载实验

采用6种不同实验进行不同宽度的裂缝实验如图2所示。

图2 抗裂缝试验示意图Fig.2 Crack resistance test scheme.

试件制作规格300 mm×100 mm×50 mm的轮碾成型的梁条状试件，在试件的一侧涂抹白漆以便观察试验现象，整体试件的下面采用钢板模拟水泥混凝土结构，限制整个试件的两侧，采用有侧限试验。万能压力机的实验方式为混合料弯曲，加载速率为10 mm/min，温度为20℃，设定参数为10 mm回弹变形量。

表1 静载正压实验结果Tab.1 Experimental results with static positive pressure

裂缝宽度较小时 (3 mm)，反射裂缝位置基本对应着下面结构的裂缝，反射裂缝宽度也较小，裂缝基本从支点处开始向上发展，裂缝宽度为6 mm时，随着下面结构的宽度变宽，反射裂缝的形态也发生了变化，承受反射裂缝的混合料体积在增加，裂缝也已多根进行反射，形成一个区域，裂缝顺着粒径分布走向进行，裂缝宽度为9 mm时，在荷载作用下，裂缝有可能在上部事先出现，达到一定范围，例如9 mm及以上时，试件在裂缝上部存在足够大的悬空从而导致试件产生弯曲变形，此时裂缝的出现机理发生变化，主要取决于沥青加铺层本身的抗弯性能，具体如下。

(1)未加铺格栅。当荷载慢慢增加，混合料首先形成压缩变形，当压缩到一定程度后，裂缝首先在钢块与混合料的夹缝处出现，当荷载继续加载裂缝慢慢向两侧发展出部分细小裂缝，主裂缝则继续向上发展直到完全开裂。若在裂缝产生或扩展过程中遇到大粒料阻挡则裂缝由大粒料边缘开始。

(2)加铺格栅。裂缝在整个扩展过程都较为缓慢，裂缝较细。细小裂缝伴随主要裂缝同时出现，并对称发展，这说明在格栅的加筋作用下，受力范围扩大，应力集中得到了消散。切缝处正上方裂缝较宽，两侧依次变窄。裂缝发展出许些小裂缝后，小裂缝基本无太大变化。终裂时接缝处玻纤格栅有被拉长的现象，但拉伸现象不明显，玻纤格栅与钢板粘结良好，未出现过大滑移现象如图3所示。

图3 试验结果示意图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裂缝是否加铺格栅的初裂数值基本处在一个级别，且裂缝越大则影响越小。从而表明是否加铺格栅对于沥青加铺层本身的裂缝初始并无显著影响。而对于裂缝在沥青加铺层中的传导具有显著的抑制作用，通过格栅加铺延长了路面的开裂时间减少了路面的维修频率。

(4)3 mm裂缝试验中格栅对于裂缝的最终破坏值提高了20%以上，6 mm裂缝中格栅对于裂缝的最终破坏值也提高了10%，9 mm裂缝中格栅对于裂缝的最终破坏值提高了不到1%。因此当裂缝宽度大于9 mm后，加铺格栅的意义不大。

(5)达到一定范围 (如9 mm及以上)时，试件在裂缝上部存在足够大的悬空从而令试件产生弯曲变形，此时裂缝的出现机理发生变化，主要取决于沥青加铺层本身的抗弯性能，格栅在这里只对沥青加铺层的弯曲形变进行一定的改善。对于裂缝的初裂以及终裂改善性能不明显。

(6)裂缝发展时间，加铺格栅试件均大于未加铺格栅试件，裂缝从出现到贯穿时间延长了40%～50%，而弯拉力的斜率增加基本一致。

3 无侧限6 mm裂缝宽度试验

对同样是6 mm宽度，但是基层裂缝无侧限情况进行试验，发现在较小荷载作用下即发生破坏，不仅破坏了整体结构，也令整体结构发生了较大变形，此种情况在路面中线附近并不能发生，此种试件开裂类型常发生在路面边缘位置。此种直观感受也为我们形象的解释了当路面边缘出现裂缝后不进行路基加固时间过长就会发生基层横移并塌陷的可能如图4所示。

图4 无侧限试件压裂图Fig.4 Fracturing figure for unconfined specimen

4 不同裂缝宽度的重复荷载实验

利用车辙试验机的重复荷载作用能力，对上述不同裂缝宽度进行疲劳试验，结果如图5所示。可以看出，9 mm宽度裂缝的荷载作用次数明显小于6 mm宽度作用次数，无格栅时，9 mm为6 mm的80%;而格栅对荷载的作用次数具有一定的延缓效果，6 mm情况延长了30%，9 mm情况延长了24%。对于有格栅试件，不仅荷载作用时间增长，而且裂缝基本看不出反射现象，裂缝主要由于荷载重复作用在表面产生。

图5 不同裂缝宽度的荷载作用次数Fig.5 Load repetition times at different crack width

5 结论

(1)格栅最初主要为扩散应力减小应力集中作用，加铺格栅对于沥青加铺层本身的裂缝初始并无显著影响，而对于裂缝在沥青加铺层中的传导具有显著的抑制作用，并与上部结构层共同承担部分应力。

(2)裂缝的发展形态与路面结构、材料和原始裂缝相关，格栅的有效能力为15%～40%。裂缝宽度从3 mm到9 mm变化时，梁在支点处产生裂缝，并向上反射，随着裂缝宽度而反射速度增加。

(3)侧限大小对裂缝的产生和扩展影响显著。

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