格栅增强级配碎石单轴强度试验分析

田 文，郑少平，石学文

（1.湖北交通职业技术学院，武汉 430079；2.烟建集团有限公司，烟台 264000；3.湖北楚天高速公路股份有限公司，武汉 430051）

城市沥青路面在交叉路口处易出现严重的车辙、拥包、推移、侧向剪切变形病害。上述病害产生的原因主要归结于高温条件下车辆在长时间的等待交通信号，频繁的刹车减速，加速起步以及转弯等不利因素下造成的高温失稳。沥青混合料是典型的沥青稳定颗粒材料，其强度通常用摩尔库伦－强度理论来解释［1－3］。沥青高温粘聚力和混合集料的内摩擦角是沥青混合料高温抗剪强度的重要表征参数。应力摩尔圆则说明了沥青混合料的轴向抗压强度对侧向围压具有很强的依赖性，当侧向约束力提高后，沥青混合料的抗压强度和抗剪强度均可大幅度增加。提高沥青混凝土抗剪切能力通常采用提高沥青混凝土路面的材料内部粘结力和增大沥青混凝土内部骨料的内摩擦角来实现，其中采用改性沥青可显著提高材料内部粘结力，但在高温且慢速行车条件下沥青混合料的抗剪切能力主要依赖于集料的内摩擦角，因此增大沥青路面在高温环境下的骨料内摩擦角是提高其抗剪切能力、改善沥青路面路用性能的有效途径。

研究表明二维格栅对颗粒状集料具有很好的加固作用，其主要是通过颗粒状集料内陷在格栅孔中，当荷载作用于表面时，格栅孔在一定程度上约束了集料的上下和左右方向的移动，使得集料具有一定的稳定性。因此使用格栅可抑制沥青混合料的侧向流动，提高其抵抗永久变形的能力，大幅度减少路面车辙病害的出现［4－6］。该文主要研究格栅对级配碎石的增强作用，所采用的级配碎石按沥青混合料级配进行设计，以针对性的分析格栅对沥青混合料骨架的约束能力，为基于格栅增强的抗高温车辙沥青路面的设计提供技术参考。

1 试 验

1.1 原材料

玻璃纤维格栅具有高抗拉强度、低延伸性、高温稳定性、化学稳定性、物理耐久性等优良特性。该试验采用泰安万力工程材料有线公司提供的产品，型号WL－60，各项参数符合《JTJ/T 060—98公路土工合成材料试验规程》。经向和纬向强度为60kN/m，网格尺寸25mm×25mm，弹性模量67 000MPa，拉伸断裂伸长率小于4%。

该试验所用的沥青混凝土级配类型为AC－16型，合成级配见表1。所用的粗集料（2.36～19mm）和细集料（0～2.36mm）均为玻璃山碎石场轧制玄武岩，粗集料表观相对密度为2.959，吸水率为0.8%，压碎值10.2%，洛杉矶磨耗值9.2%，针片状含量为9.8%。细集料表观相对密度为2.918，砂当量为72.0%。填料采用吉林华晨石灰岩矿粉。表1中的合成级配以下材料按比例9.5～19mm∶4.75～9.5mm∶2.36～4.75mm∶0～2.36mm：矿粉＝30%∶25%∶14%∶25%∶6%混合而成。

表1 集料合成级配

1.2 方法

试验用的混合集料是按照前面所给配比配制符合表1通过率的级配碎石，共5份，每份6kg。为了避免集料松散，采用复合木板制作组装盒以提供初始围压来保持格栅加筋级配碎石试件的初始形状，木盒内围尺寸为26cm×26cm。制件成型时先在组装盒底放置26cm×26cm的格栅，再将1份6kg的级配碎石铺入作为底层，整平后再依次倒入级配碎石和安置格栅，最后形成5层级配碎石＋6张格栅夹层结构，如图1所示。

试验仪器采用新三思CMT5305压力机，试验试件的成型过程直接在该仪器承件平台上进行，如图1所示，首先将复合木板组装盒固定，然后将格栅、单份级配碎石依次重复顺序铺入组装盒内。试验开始前在组装盒上下两面均用10mm厚钢板作为垂直压力承载面，将仪器压杆微调至该试件承受预加载5mm形变，以确保集料能相互作用而不松散，后拆去四围复合木板，按加载速率为1mm/min开始试验，并采用电脑配套软件测量记录实时加载力与位移。

2 试验结果与讨论

不同的粒径集料经过级配设计成所谓的密实级配并混合充分后，自然堆积状态下呈锥体形状。该文制备了中间未铺设格栅的纯粹级配碎石试件进行对比试验，发现在提供充足预压力后撤去木盒，级配碎石发生了坍塌，难以形成如图1所示具有稳定结构的试件。上述现象表明集料间不存在内部粘结力，而且集料间内摩阻力也很小，不足以克服自身重量而产生了滑移，最终表现为集料堆的整体坍塌。

图2为格栅增强后级配碎石单轴抗压试验结果。图中的压应力由加载力除以试件截面积，而应变为压力机压头位移除以试件高度。因试验采用的试验机加载力不足达到试件的最大的承载力，应力－应变曲线呈单调性递增，未出现明显的拐点或屈服点。经线性拟合后得其斜率约为12，即所试验的格栅增强后级配碎石的弹性模量为12MPa。图2中的试验结果也说明了格栅增强后级配碎石具有很高的承载力，在应变达到0.058时可承受轮胎与路面的标准压力0.7MPa。

为了更好的检测格栅增强型级配碎石的承载力，采用大型压力机对格栅增强后级配碎石进行单轴抗压破坏试验。图3为相应的试验过程图。其中，图3（a）为试验准备状态，木制装配盒上下俩表面采用10mm厚钢板作为荷载施加和承受介质，为防止钢板接触面的集料松垮，在其接触面上各铺设一层玻璃纤维格栅，分别为图3（f）中格栅A与格栅F。此外，在级配碎石中每隔约31mm铺设一层玻璃纤维格栅。图3（b）为试验开始加载一定预压力之后拆除木制盒子之后的试件状态，预压力的加载是为了防止无预压力拆除木制盒子后试件松散垮塌。图3（c）和图3（d）为在1mm/min的形变控制加载速率下试验过程中的状态，图中观察可以看出试件四周外围部分集料因为中心轴区域集料体积膨胀被挤落，但试件整体承受荷载的能力并未因这些周边部分集料的脱落而丧失。图3（e）为试验结束后，压杆升起并卸去承载钢板之后的状态，试件中心轴区域集料已经明显与四周外围集料形态相异，呈现出集料被压碎后的颗粒粉末状态。图3（f）中是试验完毕后试件内的6层格栅，A－F分别依次代表自上至下第一、第二…第六层玻璃纤维格栅，中间C、D两层格栅中心轴区部分破坏最严重。

图4为采用大型压力机对格栅增强后级配碎石进行单轴抗压破坏试验结果。由于压力机的加载力足够大，应力－应变曲线出现了明显的拐点。在拐点前，试验前期应力－应变曲线呈平稳和缓慢增加，而过了拐点后，应力随着应变的增加而急剧增加，表明在拐点前后受力模式发生了根本性的改变。结合图3的试验过程分析可知，在格栅阻碍集料水平移动的情况下，荷载加载初始阶段，集料通过缓慢相对移动、紧缩集料间隙的方式，在减小体积的同时承受外部荷载，其在图4中表面试件受到的压力随着应变逐渐增加。当集料内陷入格栅孔后，集料的侧向约束力急剧提高，集料颗粒间受到的剪切力提高，部分集料会被压碎，表现为压应力随着应变的增加而急剧增加。当施加的压力足够大时，集料产生剪切侧向变形，冲破了格栅孔的约束力，使格栅网发生断裂，见图3（f）中的格栅网C和D所示。上述试验结果初步证实了格栅对沥青混合料的骨架具有很好的约束作用，可起到减小其侧向剪切变形，提高其承载力的目的［2，3，7］。

3 结 论

采用单轴压力试验分析了格栅对沥青混合料级配碎石的加筋增强作用。试验结果证实了格栅对沥青混合料的集料骨架可起到约束作用，从而提高其抗剪性能和承载力。格栅网孔阻碍集料水平移动，提高了集料间的内摩擦力，是承载能力提高的主要原因，其作用机理可用摩尔库伦－强度理论予以解释。该试验中的格栅增强型级配碎石在没有沥青胶结料的情况下，表现出足够的抵抗荷载能力，表明了用格栅增强可设计出优异的抗高温车辙沥青混合料。目前格栅已被广泛用于防止沥青路面反射裂缝，但其主要铺设在沥青面层之间，施工过程易受摊铺机和运料车碾压破坏。如何将格栅有效地铺设在单层沥青混合料中以提高沥青混合料的整体性能仍是一大施工难题。

［1］ 黄晓明，吴少鹏，赵永利.沥青与沥青混合料［M］.南京：东南大学出版社，2002.

［2］ 杨 军，邓学军.国产格栅加筋沥青混凝土抗车辙能力的研究［J］.东南大学学报，1996，26（2）：132－135.

［3］ 王朝辉，王选仓.不同层位格栅加筋沥青混凝土的抗车辙性能［J］.长沙交通学院学报，2008，24（4）：27－31.

［4］ 金 江，隋允康.土工格栅加筋沥青混凝土路面结构的优化设计模型［J］.公路，2005，12：86－88.

［5］ Tamikuni Komatsua，Hiroshi Kikuta，Yoshinobu Tuji，Eijiro Muramatsu.Durability assessment of geogrid－reinforced asphalt concrete［J］.Geotextiles and Geomembranes，1998，16：257－271.

［6］ Austin R A，Gilchrist A J T.Enhanced Performance of Asphalt Pavements Using Geocomposites［J］.Geotextiles and Geomernbranes，1996，14：175－186.

［7］ 郑少平.格栅对沥青混凝土路面高温性能的影响［D］.武汉理工大学，2012.