“白改黑”中常用土工合成材料防治反射裂缝的特点及性能比较

“白改黑”中常用土工合成材料防治反射裂缝的特点及性能比较

刘鹏飞

（重庆市渝北区城乡建设委员会，重庆 401147）

该文对在“白改黑”工程中广泛使用的层间连接物土工合成材料，以及其在抵抗沥青混凝土面层反射裂缝发生和发展中的特点及其粘接与剪切性能进行了介绍，为类似工程的施工与设计提供参考。

白改黑；土工合成材料；反射裂缝

引言

近年来，随着道路交通流量和汽车载重量的急剧增加，越来越多的水泥混凝土路面不堪重负，出现了不同程度的病害，迫切需要对原有路面进行改造。水泥混凝土路面加铺沥青罩面层（俗称“白改黑”）后可以使道路使用寿命延长、表面平整度得到改善、行车舒适度提高、噪声污染降低，使这种结构在水泥混凝土路面功能性维修中得到越来越广泛的运用；然而沥青加铺层迅速发生和发展的反射裂缝病害，严重缩短了沥青加铺层的使用寿命。为有效防止反射裂缝的发生和发展，近年来大家做了大量的试验和探索，在水泥混凝土路面与新铺沥青混凝土之间增铺一层土工夹层材料，减缓和防治反射裂缝的效果明显，同时其施工工艺简单、造价相对较低，广泛应用于“白改黑”工程中。搞清各种常用土工合成材料的工作特点及性能，对在不同环境条件下选择不同土工夹层材料有着非常重要的指导作用。在道路“白改黑”工程中用作夹层材料的土工合成材料主要有土工布（又名土工织物）、玻纤格栅和聚酯玻纤布，本文就这三种材料的工作特点及性能进行简要介绍。

1 影响土工合成材料防治反射裂缝发生的因素

在水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土涉及刚性和柔性两种结构形式，材料特性差异非常大，同时混凝土面板存在接缝、断裂、错台、脱空等病害以及土工合成材料自身特性等，都直接影响到加铺沥青混凝土反射裂缝的发生和发展。

（1）水泥混凝土路面结构自身强度及损坏情况。当混凝土面板在外力作用下其竖向相对变形超过2mm以及由温度效应引起的横向变形超过3mm时，在加铺土工夹层材料前都必须进行修补处理。

（2）水泥混凝土路面修补效果。混凝土路面常见病害包括断裂、块状裂缝、坑槽、沉陷、脱空等，这些病害在加铺沥青面层之前都必须进行修复，达到相应路面等级要求的设计弯沉指标。

（3）加铺沥青罩面的厚度。增加铺筑厚度，土工合成材料防治反射裂缝的效果越明显。

（4）气候条件。在潮湿和冻融循环次数较多的环境中使用土工合成材料效果不太明显。

（5）土工夹层材料自身的力学性能及抗高温的能力。土工夹层材料必须具有足够的强度，尤其是剪切强度，同时沥青混凝土铺设时温度较高，对以聚乙烯及聚酯等为主要成分融点较低的土工材料影响极大。

（6）土工材料铺帖的平顺程度以及洒布的粘层油与土工材料的粘合效果，对夹层材料使用后的成效将产生直接影响。

2 土工布（土工织物）防治沥青混凝土反射裂缝发生和发展的特点

（1）为避免沥青混凝土面层与水泥混凝土路面直接接触，在二者之间铺设一层土工布，阻断水泥混凝土面板裂缝变形产生的拉应力直接传递到沥青面层。

（2）土工布在外力作用下能产生一定的变形，柔韧性较好。在混凝土面板裂缝变形产生拉应力时，铺设的土工夹层材料能将此应力向周边扩散，大大减小裂缝处的应力，土工合成材料弹性较好，可以吸收缓冲部分拉伸能量。

（3）在混凝土表面铺设土工布后，由于土工布夹层可以抵抗面板裂缝变形产生的拉应力。只有当面板裂缝变形产生的拉应力大到土工夹层材料无法抵抗时，沥青混凝土面层才会开始工作，承受由土工夹层材料传递上去的那部分拉应力。

（4）在混凝土面板上铺筑土工布后，其孔隙被沥青粘合料封闭，阻断地表水的下渗，保证了基层的强度。

（5）土工布具有高温吸收热量，低温释放热量的性能，铺设后可调节温度变化梯度，可以减小温度应力和温度裂缝。

3 玻璃纤维格栅防治沥青混凝土反射裂缝发生和发展的特点

（1）玻纤格栅的抗拉强度非常强，经检测其抗拉强度约为370MPa，铺筑后能为抵抗裂缝发生提供足够的刚度；同时，玻纤格栅能将沥青面层中的各种应力向周边扩散，使得面层所承受的应力不至于形成突变。

（2）玻纤格栅抵抗变形的能力非常高，其破坏延伸率不到4%。

（3）由于玻纤格栅材料的低延伸率，在长时间荷载作用下不会像土工布一样发生较大的蠕变，能保证其长期性能。

（4）玻纤格栅在使用前都在其表面进行了有机涂层处理，使其与沥青材料的相容性非常突出；同时经过处理后还可以改善其不耐磨、不耐折的缺点。

（5）玻璃纤维的融化点经测定在1000℃左右，使其在沥青混凝土高温摊铺时保持极强的稳定性。

（6）玻纤格栅经聚合物涂层处理，大大提高了其抵抗物理、化学侵蚀的能力，并且对环境变化不敏感，保证了材料的长期稳定性。

（7）沥青混凝土集料在碾压成形前，在外力作用下通过自身蠕动进入玻纤格栅，最终形成一种相互嵌锁制约的体系，阻止和约束沥青混合料的流动，沥青混合料更易于压实，路面的承载能力也得到相应提高，相同外力作用下变形也减少；同时由于沥青面层与玻纤格栅相互阻碍和限制，就防止了沥青面层的相对滑移，尤其在高温条件下避免形成车辙。

（8）在严寒地区沥青混凝土路面易于收缩开裂，铺设玻纤格栅后提高沥青混凝土面层抵抗拉应力的能力；即使局部位置出现裂纹，其集中应力也可以通过玻纤格栅的传递逐渐衰减和消失，使得已有裂纹的扩展速度和范围得到控制。

（9）在车轮荷载作用下车轮底部的沥青混凝土面层将承受压应力，车轮边缘以外的面层将承受拉应力，在铺设了玻纤格栅后就可能将相应的应力进行分散、消解，在两种不同受力区界面处形成缓冲，减小两种拉、压应力突变的破坏，减缓和抑制沥青混凝土面层的疲劳裂缝；玻纤格栅具有强大的抗变形能力，能有效减小路面的弯沉，使得路面结构不致发生过大变形而破坏。

4 聚酯玻纤布防止反射裂缝的特点

聚酯玻纤布是一种全新玻纤复合防裂材料，是由60%玻璃纤维和40%聚酯纤维组成的一种复合土工合成材料。聚酯玻纤布具有玻璃纤维的强度和聚酯纤维的柔韧性，却对这两种材料的缺点进行了克服。聚酯玻纤布防止反射裂缝的主要特点如下。

（1）抗拉强度高，延伸率低。

（2）聚酯玻纤布在使用过程中不发生蠕变，产品的性能使用能够得到长时间保证。

（3）聚酯玻纤布的熔点在230℃以上，在160℃热铺沥青混凝土时其物理、化学稳定性均能得到保持。

（4）为保证面层与基层的粘接而共同受力，热铺面层必须吸收加铺土工合成材料下的粘油并达到饱和。聚酯玻璃纤维布具有良好的吸附能力，与沥青及沥青混合料都具有良好的相容性，能将沥青面层和粘油层吸附粘接在一起。

（5）经特殊处理后的聚酯玻纤布具有更加强大的抵御各类化学、生物、物理侵蚀和环境气候变化的能力。

（6）在沥青混凝土面层出现裂缝时，只要聚酯玻纤布与洒布的粘层油结合密贴，形成有效防水阻断，就能使得地表水不至于渗透到路面基层，这是聚酯玻纤布相比于玻纤格栅最明显的优点。

（7）聚酯玻纤布施工时，由于不分正反面，铺贴不易褶皱，施工工艺简单。

（8）聚酯玻纤布能够再生使用，在沥青混凝土再生施工时，铣刨会把聚酯玻纤布粉碎成非常小的纤维作为掺入的再生料，既环保又经济。

5 各土工夹层材料的物理、力学性能比较

各种土工夹层材料最重要的性能是粘结性能及抗剪性能，这二者综合性指标的优劣直接决定了夹层材料在沥青罩面中抑制反射裂缝发生和发展的效果。

5.1 夹层材料的粘结强度性能

5.1.1 夹层材料粘结强度的确定方法

土工夹层材料在层间的粘结强度可以通过钻芯拉拔试验来得到；如果沥青混凝土与水泥混凝土层间结合好，则层间的粘结强度应较高。制作的拉拔试件应为风干状态，采用自制夹具，拉拔试验将拉拔头用环氧树脂粘牢，保持时间不少于6h以保证拉拔头粘结牢固。试验时的温度控制在25±2℃，拉拔速度控制为2mm/min，试验数据自动采集，采集数据仪器的精度应不低于0.001kN。拉拔试验模型如图1。

5.1.2 粘结强度试验数据处理及分析夹层材料粘结强度的计算方法：

图1 拉拔试验模型

式中：R—粘结强度（10-3MPa）

x—拉拔力（kN）

S—拉头的截面积（单位：m2）

每次试验取3个平行试件进行试验，结果取平均值，粘结强度试验结果分析对比见表1和图2。

表1 三种土工夹层材料拉拔试验结果

图2 拉拔试验结果分析比较图

5.2 夹层材料的抗剪强度性能

5.2.1 夹层材料抗剪强度的确定方法

通过UTM试验机进行夹层材料的斜剪试验，以确定其抗剪强度。抗剪强度试件应为风干状态，采用自制夹具。试验时的温度控制在25±2℃，试验剪切速率控制在50mm/min。试件模型和试验模型如图3和图4。试验时考虑到车辆在实际行驶过程中出现的加、减速及制动会对路面产生水平摩擦作用，根据经验选取斜剪角度α为40°，基本上与刹车情况类似，比较好地与路面实际工作情况相吻合，同时也是最不利工况。试验过程见图5。

图3 试件模型

图4 剪切试验模型

图5 剪切试验过程

5.2.2 夹层材料抗剪强度试验数据的处理及分析

夹层材料粘结强度的计算方法：

式中：τ—抗剪强度（MPa）；

F—竖向加载力（N）；

A—剪切面的接触面积（单位：m2）；

α—斜剪角度，取40°。

每次取5个平行试件进行试验，结果取平均值，剪切强度分析对比见图6。

表2 三种土工夹层材料剪切试验结果

图6 剪切试验结果对比图

5.3 夹层材料的各项性能对比

（1）通过夹层材料的拉拔试验结果可以看出，常用的这三种夹层材料，玻纤格栅的粘结强度最高，土工布最差；土工布和聚酯玻纤布的粘结强度相差很小。

（2）通过剪切试验的结果可知，常用的这三种夹层材料，玻纤格栅的剪切强度最高，土工布最差，但相差并不大。

6 结语

土工合成材料作为“白改黑”工程的层间夹层材料，是目前最常用的一种价廉物美的材料，它能较好地解决罩面沥青混凝土反射裂缝的发生和发展，而且施工工艺较为简单，在具体的设计和施工过程中可以根据道路的病害情况、等级、使用情况等因素酌情选用。

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责任编辑：孙苏

Features and Performance Comparison of Geo-synthetics Applied in Add-surfacing AC Layer on the PCC Project to Resist Reflection Crack

Geo-synthetics are widely applied as interlayer connective in the add-surfacing AC Layer on the PCC project.Its role in resisting reflection crack on bituminous concrete surface and splicing as well as shear property are introduced in hope of offering some references for similar engineering.

add-surfacing AC Layer on the PCC;geo-synthetics;reflection crack

U416.21

A

1671-9107（2013）03-0048-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.048

2012-12-24

刘鹏飞（1978-），男，河南社旗人，研究生，工程师，主要从事土木工程的施工及管理工作。