申愛琴，龍虹均，郭寅川，李 鵬，翟超偉

(1.長安大學公路學院，西安 710064；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州 451464)

0 引 言

半剛性基層瀝青路面因其優(yōu)良的強度特性和交通荷載承受能力，在我國高等級道路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但由于干縮與溫縮等原因，半剛性基層瀝青路面使用期間極易產(chǎn)生開裂，進而在行車荷載與溫度應(yīng)力作用下導致瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫，嚴重縮短路面使用壽命[2]。為減少路面反射裂縫，使用更合理的路面結(jié)構(gòu)組合類型與改良材料是目前采用的主要措施[3-5]。而在瀝青路面面層間使用土工合成材料不僅成本較低，安裝方便，且可優(yōu)化面層結(jié)構(gòu)受力[6]，因此國內(nèi)外學者對土工合成材料用于反射裂縫防治展開了大量研究。張晶等[7]在西藏地區(qū)鋪設(shè)聚丙烯土工布試驗段發(fā)現(xiàn)，加鋪土工布后，路面反射裂縫密度明顯降低。Arsenie等[8]通過四點彎曲疲勞試驗指出使用玻纖格柵可將瀝青混合料的疲勞壽命提升50%～62%。Nejad等[9]評估了聚丙烯土工織物與玻璃纖維類土工格柵對反射裂縫的控制效果，認為土工織物在路面面層間產(chǎn)生不連續(xù)性導致層間黏附性較低，在反射裂縫改善效果方面遜于土工格柵。Kumar等[10]采用直接拉伸試驗對比玻纖復合格柵、聚酯格柵、聚丙烯格柵和黃麻氈的抗反射裂縫能力得出，玻纖復合格柵因其較高的拉伸強度表現(xiàn)出了最優(yōu)的抗裂性能。譚玲等[11]通過跟蹤調(diào)查玻纖格柵用于晝夜溫差大、干旱少雨地區(qū)的反射裂縫防治效果，提出使用土工格柵可將裂縫產(chǎn)生時間推遲一年半以上。然而，有關(guān)研究[12]指出，玻纖土工合成材料在循環(huán)荷載作用下易發(fā)生斷裂，疲勞抗裂性能差，且在瀝青混合料中作用較為單一，而玻纖復合材料雖然改善了抗裂性能，但是對于制作工藝與復合材料選擇要求較為嚴格。因此，亟需一種對制作工藝和材料要求簡單且抗裂性能較好的土工合成材料，用于瀝青路面反射裂縫的防治。

玄武巖經(jīng)編纖維布是近年來出現(xiàn)的新型復合土工合成材料，其以玄武巖纖維為主料，采用浸漿和經(jīng)編加筋相結(jié)合的工藝制成。目前，玄武巖經(jīng)編纖維布因其優(yōu)異的約束能力主要應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的修復與加固[13-14]，而玄武巖纖維具有來源廣泛、綠色環(huán)保、抗拉強度高、耐溫性能突出，且對瀝青的吸附作用較好等優(yōu)點[15]，將其制成土工合成材料用于瀝青路面反射裂縫的防治具有較大潛質(zhì)與價值?；诖?，本文采用沖擊韌性與動態(tài)疲勞試驗研究玄武巖經(jīng)編纖維布的阻裂性能，并設(shè)置玻纖格柵、聚酯玻纖布作為對照，以期為玄武巖經(jīng)編纖維布的應(yīng)用推廣提供理論參考。最后將沖擊韌性試驗結(jié)果與動態(tài)疲勞試驗結(jié)果進行擬合分析，探討采用沖擊韌性評價土工合成材料加筋瀝青混合料疲勞性能的可行性。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 土工合成材料

試驗選用江蘇南京道之尊復合材料有限公司生產(chǎn)的玻纖格柵和玄武巖經(jīng)編纖維布以及TruPave牌聚酯玻纖布三種土工合成材料，如圖1所示，其性能指標見表1。

圖1 土工合成材料Fig.1 Geosynthetics used in the study

表1 土工合成材料性能指標Table 1 Performance indicators of geosynthetics

1.1.2 瀝青混合料

瀝青采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性瀝青，其主要性能指標見表2；粗集料選用山西方山石料廠生產(chǎn)的輝綠巖碎石和寧夏太陽山生產(chǎn)的石灰?guī)r，其主要性能指標見表3;細集料采用寧夏太陽山生產(chǎn)的機制砂；填料為石灰?guī)r經(jīng)球磨機加工得到的礦粉。原材料性能均滿足規(guī)范要求，混合料選用AC-13和AC-20兩種級配，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)馬歇爾方法進行瀝青混合料配合比設(shè)計。兩種混合料級配如表4所示，AC-13混合料油石比(瀝青與礦料質(zhì)量比)為4.9%，AC-20混合料油石比為4.2%。

表2 瀝青技術(shù)指標Table 2 Technical indicators of asphalt

表3 粗集料技術(shù)指標Table 3 Technical indicators of coarse aggregate

表4 瀝青混合料級配組成Table 4 Aggregate gradation of asphalt mixture

1.2 試驗方案

1.2.1 沖擊韌性試驗

研究采用三點彎曲沖擊試驗。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定的輪碾法成型AC-13和AC-20車轍板試件，并采用高速切割機將制作好的車轍板試件切割成250 mm×35 mm×35 mm的小梁試件。在加鋪土工合成材料前，為充分模擬材料在實際路面的施工受力過程，對土工合成材料進行四角懸掛重物處理，如圖2所示；隨后將帶有粘層油的小梁試件放置到處理后的土工合成材料上，同時施加一定壓力，使兩者黏結(jié)緊密。成型完成的沖擊韌性試件如圖3所示。試驗儀器采用美國美斯特工業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)的SANS萬能試驗機，加載速率為500 mm/min，試驗溫度選取15 ℃。

圖2 土工合成材料重物處理過程Fig.2 Treatment process of geosynthetics

圖3 沖擊韌性小梁試件Fig.3 Trabecular specimens of impact ductility test

沖擊韌性試驗完成后獲得荷載-位移曲線，將荷載-位移數(shù)據(jù)導入Origin軟件中，借助Origin軟件內(nèi)自動積分功能計算當荷載達到最大值時荷載-位移曲線與X軸所圍曲線面積。為降低誤差，每種土工合成材料設(shè)置三組平行試件，取平均值作為該土工合成材料的最終沖擊韌性值。

1.2.2 動態(tài)疲勞試驗

采用應(yīng)力控制的三點彎曲疲勞試驗。為了貼近路面實際使用情況并在試驗中觀察到裂縫的動態(tài)發(fā)展，試驗采用0.3應(yīng)力水平。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)制備AC-20車轍板，待強度形成后，在室溫下將140～170 ℃的粘層油均勻涂抹在車轍板上，并將土工合成材料平鋪于其表面，同時采用輪碾儀往返碾壓5次以模擬實際施工工藝，隨后將試件(上表面為土工合成材料)置于100 mm厚車轍板模具中并裝填壓實AC-13瀝青混合料形成復合車轍板，最后采用切割機將復合車轍板切割成250 mm×50 mm×50 mm的小梁試件?？紤]帶反射裂縫的路面結(jié)構(gòu)，使用切縫機在試件下層瀝青混合料中部進行切縫處理，縫高5 mm，寬3 mm。成型完成的疲勞試件見圖4。試驗過程采用MTS landmark 801萬能材料試驗機，加載頻率10 Hz，參考國內(nèi)學者疲勞試驗過程，將試驗溫度設(shè)定為15 ℃。

圖4 預切縫復合梁疲勞試件Fig.4 Fatigue specimens of composite beams with preformed joint

對加鋪不同土工合成材料預切縫復合梁試件進行動態(tài)疲勞加載試驗，每種土工合成材料設(shè)置三組平行試驗，取平均值得到裂縫擴展不同位置復合梁試件的疲勞加載次數(shù)，以試件完全斷裂時的加載次數(shù)評價加鋪不同土工合成材料瀝青混合料的疲勞抗裂性能，并通過記錄裂縫擴展到小梁不同位置(距離土工合成材料加鋪層頂端1 cm、2 cm)的疲勞加載次數(shù)來探討不同土工合成材料延緩反射裂縫發(fā)展的能力。為便于分析，定義初裂次數(shù)為裂縫擴展至土工合成材料加鋪層頂端時的疲勞次數(shù)，終裂次數(shù)為復合梁試件完全斷裂時的加載次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊韌性試驗分析

2.1.1 沖擊韌性

AC-13和AC-20瀝青混合料加鋪不同土工合成材料后沖擊韌性試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，加鋪土工合成材料后，瀝青混合料試件的沖擊韌性均有不同程度的提高。加鋪聚酯玻纖布、玻纖格柵和玄武巖經(jīng)編纖維布，AC-13瀝青混合料的沖擊韌性分別提高59%、54%和79%，AC-20瀝青混合料的沖擊韌性分別提高52%、38%和70%。這是因為土工合成材料在瀝青混合料中起到了加筋阻裂的作用，而玄武巖經(jīng)編纖維布不僅與瀝青相容性較好[16]，可與粘層形成優(yōu)良的應(yīng)力吸收系統(tǒng)，其還具有較優(yōu)異的抗拉伸性能(見表1)。因此加鋪玄武巖經(jīng)編纖維布可獲得最佳的沖擊韌性。

圖5 加鋪不同土工合成材料瀝青混合物沖擊韌性Fig.5 Impact ductility of asphalt mixtures with different geosynthetics

對比不同瀝青混合料的沖擊韌性發(fā)現(xiàn)，相比AC-20瀝青混合料，AC-13瀝青混合料表現(xiàn)出更高的沖擊韌性。未加鋪土工合成材料時，AC-13混合料的沖擊韌性較AC-20高出7%，而加鋪聚酯玻纖布、玻纖格柵和玄武巖經(jīng)編纖維布后，沖擊韌性分別高出12%、20%、13%。這是因為AC-13瀝青混合料中集料尺寸較小而瀝青用量較高，在混合料內(nèi)部集料與瀝青黏結(jié)得更好。此外，混合料較低的空隙率有效防止了粘層油下滲，使得瀝青混合料與土工合成材料黏結(jié)較為緊密，形成了更優(yōu)的受力體系，從而增大了其沖擊韌性。進一步分析，玻纖格柵為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相對聚酯玻纖布和玄武巖經(jīng)編纖維布而言整體性較差，且自身變形范圍小，故與瀝青混合料黏結(jié)成整體后，其沖擊韌性受到混合料類型的影響較大。

2.1.2 彎拉強度

不同瀝青混合料加鋪土工合成材料后彎拉強度見圖6。由圖6可知，與未加鋪土工合成材料瀝青混合料相比，加鋪土工合成材料可顯著提升混合料的彎拉強度。在瀝青混合料小梁試件加鋪聚酯玻纖布、玻纖格柵和玄武巖經(jīng)編纖維布后，AC-13瀝青混合料彎拉強度分別提升了11%、13%和19%，AC-20瀝青混合料分別提升了22%、28%和30%，表明在提升混合料彎拉強度方面，加鋪玄武巖經(jīng)編纖維布效果最好，玻纖格柵次之，聚酯玻纖布的提升作用相對較差。分析原因可能是玄武巖經(jīng)編纖維布的拉伸強度較好于玻纖格柵而顯著高于聚酯玻纖布，且前兩種土工合成材料的斷裂伸長率相對較小(見表1)，因此玄武巖經(jīng)編纖維布表現(xiàn)出了最優(yōu)的提升效果，而聚酯玻纖布提升效果最差。此外，AC-20瀝青混合料均表現(xiàn)出了高于AC-13瀝青混合料的彎拉強度，最大可高出35%，這是因為AC-20瀝青混合料較AC-13瀝青混合料集料粒徑及空隙率較大，瀝青混合料內(nèi)部微孔隙發(fā)達，應(yīng)力松弛能力較強，從而表現(xiàn)出了更好的彎拉性能。

圖6 加鋪不同土工合成材料后試件彎拉強度Fig.6 Flexural tensile strength of specimens with different geosynthetics

2.2 動態(tài)疲勞試驗分析

不同土工合成材料在裂縫發(fā)展各階段的疲勞加載次數(shù)如圖7所示。由圖7可知，在預切縫復合梁試件上加鋪不同土工合成材料后，其疲勞加載次數(shù)在裂縫擴展各階段均顯著提升，但各種土工合成材料的阻裂效果隨裂縫動態(tài)發(fā)展的規(guī)律有明顯不同。

圖7 裂縫發(fā)展不同階段疲勞加載次數(shù)Fig.7 Fatigue loading times at different stages of crack development

復合梁初裂時，加鋪聚酯玻纖布、玻纖格柵和玄武巖經(jīng)編纖維布的試件疲勞加載次數(shù)分別提升了57%、104%和196%，即土工合成材料的初期阻裂性能由好到差依次為玄武巖經(jīng)編纖維布、玻纖格柵、聚酯玻纖布。這是因為玄武巖經(jīng)編纖維布的拉伸強度高于玻纖格柵，而聚酯玻纖布的拉伸強度顯著較低，且伸長率較大，故玄武巖經(jīng)編纖維布防治裂縫產(chǎn)生的效果最好，而聚酯玻纖布最差。

在裂縫擴展階段，玄武巖經(jīng)編纖維布始終表現(xiàn)出最優(yōu)的阻裂性能，而聚酯玻纖布出現(xiàn)阻裂效果好于玻纖格柵現(xiàn)象，且兩者的性能差距隨裂縫的發(fā)展逐漸增大，當裂縫發(fā)展至2 cm時，聚酯玻纖布的疲勞加載次數(shù)較玻纖格柵提高了7%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是隨著疲勞加載進行，裂縫不斷擴展，玻纖格柵因斷裂伸長率較低發(fā)生部分斷裂，加筋作用逐漸降低，而聚酯玻纖布在此階段抗拉能力得到充分展現(xiàn)但仍低于玄武巖經(jīng)編纖維布，再者聚酯玻纖布與玄武巖經(jīng)編纖維布均具有與瀝青相容性較好的特點，可吸收部分粘層瀝青形成具有一定抗變形能力的應(yīng)力吸收層，因此在延緩反射裂縫擴展方面，玄武巖經(jīng)編纖維布性能最好，聚酯玻纖布次之，玻纖格柵相對較差。

在復合梁完全斷裂時，加鋪玄武巖經(jīng)編纖維布的疲勞加載次數(shù)較未加鋪土工合成材料復合梁提升215%，較加鋪聚酯玻纖布高出31%，較加鋪玻纖格柵高出38%。以終裂疲勞加載次數(shù)評價土工合成材料的疲勞抗裂性能，玄武巖經(jīng)編纖維布優(yōu)于聚酯玻纖布，而聚酯玻纖布好于玻纖格柵。

綜合裂縫整個發(fā)展過程，玄武巖經(jīng)編纖維布的阻裂性能最優(yōu)。原因是玄武巖經(jīng)編纖維布具有比玻纖格柵更高的拉伸強度與較低的斷裂伸長率，并且玄武巖纖維與瀝青的相容性較好，故其不僅具有比玻纖格柵更好的前期阻裂性能，同時也兼具如聚酯玻纖布一樣優(yōu)異的延緩反射裂縫擴展的能力。

圖8為不同土工合成材料復合梁試件反射裂縫擴展路徑圖。由圖8可知，未加鋪土工合成材料的復合梁試件的裂縫擴展路徑相對較短，且裂縫基本沿預切縫方向垂直向上反射，僅存在一條主裂縫，裂縫無明顯分支。而加鋪不同土工合成材料后的復合梁裂縫擴展路徑較長，且在土工合成材料加鋪層位置存在明顯的應(yīng)力擴散現(xiàn)象，特別是加鋪聚酯玻纖布和玄武巖經(jīng)編纖維布復合梁試件的應(yīng)力消散作用較為明顯，在加鋪層位置出現(xiàn)了大量細微裂紋，同時也存在裂縫橫向擴展的現(xiàn)象，說明加鋪土工合成材料可有效延緩反射裂縫的發(fā)展，增強復合梁試件的疲勞抗裂性能。

圖8 不同土工合成材料復合梁試件反射裂縫擴展路徑Fig.8 Reflection crack propagation path of composite beam specimens with different geosynthetics

2.3 沖擊韌性與疲勞抗裂性能相關(guān)性分析

采用沖擊韌性與疲勞壽命對土工合成材料阻裂性能進行評價時，均得到了相同的結(jié)果，即玄武巖經(jīng)編纖維布>聚酯玻纖布>玻纖格柵。為了進一步研究不同土工合成材料抗裂性能和抗疲勞性能之間的相關(guān)性，探討采用沖擊韌性作為加鋪不同土工合成材料后瀝青混合料疲勞性能評價指標的可行性，對15 ℃溫度條件下，加鋪不同土工合成材料后瀝青混合料試件的沖擊韌性和動態(tài)疲勞試驗結(jié)果進行回歸分析，回歸曲線如圖9所示。

圖9 沖擊韌性與疲勞壽命擬合曲線Fig.9 Fitting curves of impact ductility and fatigue life

由圖9可知，不同土工合成材料的沖擊韌性與動態(tài)疲勞試驗結(jié)果擬合程度較高，在AC-13、AC-20瀝青混合料中，其相關(guān)性系數(shù)分別達到了0.925 1、0.928 3，表明加鋪土工合成材料后，瀝青混合料的沖擊韌性與其疲勞壽命具有較好的相關(guān)性。因此，可采用沖擊韌性作為土工合成材料加筋瀝青混合料疲勞性能的評價指標[17]，且沖擊韌性越大，加鋪該種類型土工合成材料的瀝青混合料疲勞壽命越長。

3 結(jié) 論

(1)加鋪玄武巖經(jīng)編纖維布后，瀝青混合料的抗沖擊性能得到大幅度提升。

(2)玄武巖經(jīng)編纖維布在復合梁初裂與裂縫擴展階段始終表現(xiàn)出優(yōu)于聚酯玻纖布和玻纖格柵的阻裂性能；鋪設(shè)玄武巖經(jīng)編纖維布后，復合梁的疲勞壽命較加鋪聚酯玻纖布高31%，較玻纖格柵復合梁高38%。

(3)瀝青混合料加鋪不同土工合成材料后的沖擊韌性與其疲勞壽命相關(guān)性較高，可將沖擊韌性作為土工合成材料加筋瀝青混合料的疲勞性能評價指標。