田 文，鄭少平，石學(xué)文

（1.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430079；2.煙建集團(tuán)有限公司，煙臺(tái) 264000；3.湖北楚天高速公路股份有限公司，武漢 430051）

城市瀝青路面在交叉路口處易出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍、擁包、推移、側(cè)向剪切變形病害。上述病害產(chǎn)生的原因主要?dú)w結(jié)于高溫條件下車輛在長(zhǎng)時(shí)間的等待交通信號(hào)，頻繁的剎車減速，加速起步以及轉(zhuǎn)彎等不利因素下造成的高溫失穩(wěn)。瀝青混合料是典型的瀝青穩(wěn)定顆粒材料，其強(qiáng)度通常用摩爾庫(kù)倫－強(qiáng)度理論來(lái)解釋［1－3］。瀝青高溫粘聚力和混合集料的內(nèi)摩擦角是瀝青混合料高溫抗剪強(qiáng)度的重要表征參數(shù)。應(yīng)力摩爾圓則說(shuō)明了瀝青混合料的軸向抗壓強(qiáng)度對(duì)側(cè)向圍壓具有很強(qiáng)的依賴性，當(dāng)側(cè)向約束力提高后，瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均可大幅度增加。提高瀝青混凝土抗剪切能力通常采用提高瀝青混凝土路面的材料內(nèi)部粘結(jié)力和增大瀝青混凝土內(nèi)部骨料的內(nèi)摩擦角來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中采用改性瀝青可顯著提高材料內(nèi)部粘結(jié)力，但在高溫且慢速行車條件下瀝青混合料的抗剪切能力主要依賴于集料的內(nèi)摩擦角，因此增大瀝青路面在高溫環(huán)境下的骨料內(nèi)摩擦角是提高其抗剪切能力、改善瀝青路面路用性能的有效途徑。

研究表明二維格柵對(duì)顆粒狀集料具有很好的加固作用，其主要是通過(guò)顆粒狀集料內(nèi)陷在格柵孔中，當(dāng)荷載作用于表面時(shí)，格柵孔在一定程度上約束了集料的上下和左右方向的移動(dòng)，使得集料具有一定的穩(wěn)定性。因此使用格柵可抑制瀝青混合料的側(cè)向流動(dòng)，提高其抵抗永久變形的能力，大幅度減少路面車轍病害的出現(xiàn)［4－6］。該文主要研究格柵對(duì)級(jí)配碎石的增強(qiáng)作用，所采用的級(jí)配碎石按瀝青混合料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，以針對(duì)性的分析格柵對(duì)瀝青混合料骨架的約束能力，為基于格柵增強(qiáng)的抗高溫車轍瀝青路面的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

玻璃纖維格柵具有高抗拉強(qiáng)度、低延伸性、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、物理耐久性等優(yōu)良特性。該試驗(yàn)采用泰安萬(wàn)力工程材料有線公司提供的產(chǎn)品，型號(hào)WL－60，各項(xiàng)參數(shù)符合《JTJ/T 060—98公路土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》。經(jīng)向和緯向強(qiáng)度為60kN/m，網(wǎng)格尺寸25mm×25mm，彈性模量67 000MPa，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率小于4%。

該試驗(yàn)所用的瀝青混凝土級(jí)配類型為AC－16型，合成級(jí)配見(jiàn)表1。所用的粗集料（2.36～19mm）和細(xì)集料（0～2.36mm）均為玻璃山碎石場(chǎng)軋制玄武巖，粗集料表觀相對(duì)密度為2.959，吸水率為0.8%，壓碎值10.2%，洛杉磯磨耗值9.2%，針片狀含量為9.8%。細(xì)集料表觀相對(duì)密度為2.918，砂當(dāng)量為72.0%。填料采用吉林華晨石灰?guī)r礦粉。表1中的合成級(jí)配以下材料按比例9.5～19mm∶4.75～9.5mm∶2.36～4.75mm∶0～2.36mm：礦粉＝30%∶25%∶14%∶25%∶6%混合而成。

表1 集料合成級(jí)配

1.2 方法

試驗(yàn)用的混合集料是按照前面所給配比配制符合表1通過(guò)率的級(jí)配碎石，共5份，每份6kg。為了避免集料松散，采用復(fù)合木板制作組裝盒以提供初始圍壓來(lái)保持格柵加筋級(jí)配碎石試件的初始形狀，木盒內(nèi)圍尺寸為26cm×26cm。制件成型時(shí)先在組裝盒底放置26cm×26cm的格柵，再將1份6kg的級(jí)配碎石鋪入作為底層，整平后再依次倒入級(jí)配碎石和安置格柵，最后形成5層級(jí)配碎石＋6張格柵夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

試驗(yàn)儀器采用新三思CMT5305壓力機(jī)，試驗(yàn)試件的成型過(guò)程直接在該儀器承件平臺(tái)上進(jìn)行，如圖1所示，首先將復(fù)合木板組裝盒固定，然后將格柵、單份級(jí)配碎石依次重復(fù)順序鋪入組裝盒內(nèi)。試驗(yàn)開(kāi)始前在組裝盒上下兩面均用10mm厚鋼板作為垂直壓力承載面，將儀器壓桿微調(diào)至該試件承受預(yù)加載5mm形變，以確保集料能相互作用而不松散，后拆去四圍復(fù)合木板，按加載速率為1mm/min開(kāi)始試驗(yàn)，并采用電腦配套軟件測(cè)量記錄實(shí)時(shí)加載力與位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

不同的粒徑集料經(jīng)過(guò)級(jí)配設(shè)計(jì)成所謂的密實(shí)級(jí)配并混合充分后，自然堆積狀態(tài)下呈錐體形狀。該文制備了中間未鋪設(shè)格柵的純粹級(jí)配碎石試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在提供充足預(yù)壓力后撤去木盒，級(jí)配碎石發(fā)生了坍塌，難以形成如圖1所示具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的試件。上述現(xiàn)象表明集料間不存在內(nèi)部粘結(jié)力，而且集料間內(nèi)摩阻力也很小，不足以克服自身重量而產(chǎn)生了滑移，最終表現(xiàn)為集料堆的整體坍塌。

圖2為格柵增強(qiáng)后級(jí)配碎石單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果。圖中的壓應(yīng)力由加載力除以試件截面積，而應(yīng)變?yōu)閴毫C(jī)壓頭位移除以試件高度。因試驗(yàn)采用的試驗(yàn)機(jī)加載力不足達(dá)到試件的最大的承載力，應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈單調(diào)性遞增，未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)或屈服點(diǎn)。經(jīng)線性擬合后得其斜率約為12，即所試驗(yàn)的格柵增強(qiáng)后級(jí)配碎石的彈性模量為12MPa。圖2中的試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了格柵增強(qiáng)后級(jí)配碎石具有很高的承載力，在應(yīng)變達(dá)到0.058時(shí)可承受輪胎與路面的標(biāo)準(zhǔn)壓力0.7MPa。

為了更好的檢測(cè)格柵增強(qiáng)型級(jí)配碎石的承載力，采用大型壓力機(jī)對(duì)格柵增強(qiáng)后級(jí)配碎石進(jìn)行單軸抗壓破壞試驗(yàn)。圖3為相應(yīng)的試驗(yàn)過(guò)程圖。其中，圖3（a）為試驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)，木制裝配盒上下倆表面采用10mm厚鋼板作為荷載施加和承受介質(zhì)，為防止鋼板接觸面的集料松垮，在其接觸面上各鋪設(shè)一層玻璃纖維格柵，分別為圖3（f）中格柵A與格柵F。此外，在級(jí)配碎石中每隔約31mm鋪設(shè)一層玻璃纖維格柵。圖3（b）為試驗(yàn)開(kāi)始加載一定預(yù)壓力之后拆除木制盒子之后的試件狀態(tài)，預(yù)壓力的加載是為了防止無(wú)預(yù)壓力拆除木制盒子后試件松散垮塌。圖3（c）和圖3（d）為在1mm/min的形變控制加載速率下試驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)，圖中觀察可以看出試件四周外圍部分集料因?yàn)橹行妮S區(qū)域集料體積膨脹被擠落，但試件整體承受荷載的能力并未因這些周邊部分集料的脫落而喪失。圖3（e）為試驗(yàn)結(jié)束后，壓桿升起并卸去承載鋼板之后的狀態(tài)，試件中心軸區(qū)域集料已經(jīng)明顯與四周外圍集料形態(tài)相異，呈現(xiàn)出集料被壓碎后的顆粒粉末狀態(tài)。圖3（f）中是試驗(yàn)完畢后試件內(nèi)的6層格柵，A－F分別依次代表自上至下第一、第二…第六層玻璃纖維格柵，中間C、D兩層格柵中心軸區(qū)部分破壞最嚴(yán)重。

圖4為采用大型壓力機(jī)對(duì)格柵增強(qiáng)后級(jí)配碎石進(jìn)行單軸抗壓破壞試驗(yàn)結(jié)果。由于壓力機(jī)的加載力足夠大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)前，試驗(yàn)前期應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈平穩(wěn)和緩慢增加，而過(guò)了拐點(diǎn)后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而急劇增加，表明在拐點(diǎn)前后受力模式發(fā)生了根本性的改變。結(jié)合圖3的試驗(yàn)過(guò)程分析可知，在格柵阻礙集料水平移動(dòng)的情況下，荷載加載初始階段，集料通過(guò)緩慢相對(duì)移動(dòng)、緊縮集料間隙的方式，在減小體積的同時(shí)承受外部荷載，其在圖4中表面試件受到的壓力隨著應(yīng)變逐漸增加。當(dāng)集料內(nèi)陷入格柵孔后，集料的側(cè)向約束力急劇提高，集料顆粒間受到的剪切力提高，部分集料會(huì)被壓碎，表現(xiàn)為壓應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而急劇增加。當(dāng)施加的壓力足夠大時(shí)，集料產(chǎn)生剪切側(cè)向變形，沖破了格柵孔的約束力，使格柵網(wǎng)發(fā)生斷裂，見(jiàn)圖3（f）中的格柵網(wǎng)C和D所示。上述試驗(yàn)結(jié)果初步證實(shí)了格柵對(duì)瀝青混合料的骨架具有很好的約束作用，可起到減小其側(cè)向剪切變形，提高其承載力的目的［2，3，7］。

3 結(jié) 論

采用單軸壓力試驗(yàn)分析了格柵對(duì)瀝青混合料級(jí)配碎石的加筋增強(qiáng)作用。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了格柵對(duì)瀝青混合料的集料骨架可起到約束作用，從而提高其抗剪性能和承載力。格柵網(wǎng)孔阻礙集料水平移動(dòng)，提高了集料間的內(nèi)摩擦力，是承載能力提高的主要原因，其作用機(jī)理可用摩爾庫(kù)倫－強(qiáng)度理論予以解釋。該試驗(yàn)中的格柵增強(qiáng)型級(jí)配碎石在沒(méi)有瀝青膠結(jié)料的情況下，表現(xiàn)出足夠的抵抗荷載能力，表明了用格柵增強(qiáng)可設(shè)計(jì)出優(yōu)異的抗高溫車轍瀝青混合料。目前格柵已被廣泛用于防止瀝青路面反射裂縫，但其主要鋪設(shè)在瀝青面層之間，施工過(guò)程易受攤鋪機(jī)和運(yùn)料車碾壓破壞。如何將格柵有效地鋪設(shè)在單層瀝青混合料中以提高瀝青混合料的整體性能仍是一大施工難題。

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