金属网应力吸收层在路面大修工程中的应用

史任杰

(湖南省交通规划勘察设计院, 湖南 长沙 410008)

金属网应力吸收层在路面大修工程中的应用

史任杰

(湖南省交通规划勘察设计院, 湖南 长沙 410008)

反射裂缝是路面大、中修工程中最常见的病害，也是工程设计中要研究和解决的重要问题。结合(G5513)长沙至张家界高速公路益阳至常德段K121+446～K124+349大修工程实施方案，对一种新型的补强型应力吸收层——路面加筋网与沥青同步碎石封层组合而成的“金属网补强应力吸收层”的防反射裂缝性能进行了研究与分析，结论表明“金属网补强应力吸收层”可以有效缓解反射裂缝、车辙以及差异沉降等病害对路面结构的影响，大幅度提高路面结构层的抗疲劳寿命。

高速公路; 路面加筋网; 应力吸收层; 反射裂缝

0 引言

就我省目前经历的多个高速公路大修工程项目而言，工程设计主要从两个角度考虑对反射裂缝的处治： ①加铺补强型罩面，利用罩面自身强度来实现防反射裂缝，如京港澳国家高速公路(G4)长沙至湘潭段、湘潭至耒阳段、耒阳至宜章段大修工程中大量采用并得到成功经验的“复合式路面加铺——连续配筋方案”； ②通过对原旧路面进行碎石化(水泥路面共振碎石化、多锤头碎石化)或者再生处理(沥青路面就地或场拌、冷或热再生)。选择正确的防反射裂缝处治设计方案，要根据项目自身特点、交通量大小及组成、加铺路面设计寿命等因素综合考虑。

路面应力吸收层作为一种传统的抗裂工艺，其应力吸收效果是通过大粒径碎石相互嵌挤并形成较大空隙，当下层裂缝延伸至应力吸收层，裂缝必须发展到某种程度，超出大粒径碎石孔隙率所能承载的极限范围，才能穿透应力吸收层进一步发展。因此应力吸收层的两项指标最为重要，一是骨料粒径，二是沥青性能和用量。理论上粒径越大空隙越大，吸收应力效果越好，但是骨料太大，其与沥青的粘附效果和稳固性就越差，沥青用量就要加大，过大的沥青用量既不经济，又对加铺层路面有负面的影响。

在路面加筋网铺设固定后，撒布应力吸收层，由于加筋网的格栅效果可以确保骨料较为均匀的分布在各个网格之中，起到一种“捆绑”效果，同等油量下大骨料的包裹和稳固性更佳；再则是提高了应力吸收层整体的抗拉强度，要达到拉伸而不断裂；三则是整体提升沥青混凝土加铺结构层的抗拉强度和与原路面的粘附强度，沥青下面层铺筑于其上，并通过充分的压实揉搓，柔性加筋网与沥青混凝土融为一体，与之形成类似于“钢筋沥青混凝土”的受力结构。

金属网应力吸收层结合了两种结构特点，能够更有效地抑制反射裂缝传播，吸收沥青层内部裂缝应力，限制沥青集料变形，在充分利用旧路面情况下，降低整体造价，是一种极具性价比的技术方案。

1 工程项目情况

1.1 项目简介

G5513长张高速公路(益常段)是长沙至张家界高速公路二期工程，位于湖南省益阳市和常德市境内，全长71.2km，设计速度100km/h，采用双向四车道高速公路标准设计，路基宽度27m，1999年12月建成通车运营，截止至大修工程开展已经运营了15a。该项目是湖南省规划“六纵九横三环”中第三横——浏阳至花垣高速公路的一段，也是实施湖南湘西大开发战略，加强与川、鄂、渝等省市沟通联系，促进湘西北地区经济发展和繁荣的重要通道。

原路面结构为25cm水泥混凝土面层+18cm半刚性基层+15cm半刚性底基层，此次大修工程的主旨为“白改黑”。选择其中的K121+446～K124+349段上行益阳到常德方向作为金属网补强应力吸收层的加铺试验段，全长2926m。

1.2 设计思路

益常高速原路状况: 脱空38.3%接缝传荷能力较差，四车道路面均不同程度出现多处典型的水泥板常规病害，其中行车道更为严重，主要类型有破碎板、修补、裂缝、板角断裂、唧泥、错台、边角剥落等。交通组成:2012年工可调查的交通量为：18181辆/d，其中大型车占比为：31.4%。设计路面结构类型见图1。

图1 设计路面结构类型

由于益常高速原水泥砼路面板的板缝位置都设置了传力杆和拉杆，同时考虑到本项目虽然交通量较大，但重载交通量组成比较小，并结合考虑工程造价、资源回收利用及环保等因素，设计对本大修工程项目进行了方案对比，如表1所示。

表1 旧水泥板块处治技术对比

考虑到益常高速(K121+446～K124+349段上行益阳到常德方向)路面状况较好，路面破损状况评定等级和接缝传荷能力评定等级分别为“优”和“良”，且结合工程造价、资源回收利用及环保等因素，设计推荐采用：在对原路面进行换板、灌浆等病害综合处治后铺设金属网+SAMI应力吸收层并“直接加铺”的方案。

路面加筋网以其独特网格形式与沥青同步碎石封层集料很好地咬合嵌挤作用形成一个高强抗剪应力吸收层，切断车辆荷载剪切圆弧，降低面层弯曲变形，降低车辆荷载产生的车辙和推移效应，从而改善路面使用状况，提高路面的使用寿命。

1.3 路面加筋网材料性能

路面加筋网由网孔规格为8cm×10cm的双绞合金属网面制成，并将横向加筋棒以大约16cm的间距编织到网面中。路面加筋网的卷长30m，卷宽为2～4m。为了防止路面加筋网的腐蚀，采用镀锌钢丝，如图2。

图2 路面加筋网图样

路面加筋网的特点主要体现在以下两方面。

1.3.1 材料特点

结构主材为低碳镀锌绞合钢丝，具有较高的弹性，这主要是考虑能充分适应沥青混凝土的高温稳定性，施工过程中沥青的高温不会引起材料变形，并降低后期项目运营中受气温变化导致的蠕变影响。而且金属防腐材质自身强度高，较土工、玻纤等材质的拉筋材料更耐久。

1.3.2 结构特点

3D开敞式结构：三维立体结构，具有较大的骨架空间，利于沥青骨料与网孔的结合，不会出现空洞等现象。

嵌固咬合作用：横向加筋棒与网面钢丝形成封闭立体空间，沥青集料经过压路机碾压后能够与钢丝紧密嵌固咬合，并产生边界收紧的作用，加强与沥青的结合强度。

高抗剪层：网面钢丝与横向加筋棒厚度在6～9mm之间，与沥青集料结合后，形成一个加筋高强度抗剪层，提高路面抗车辙和变形能力。

双向抗拉：网面形式为双绞合六边形金属网，从结构受力考虑，六边形结构具有很好的双向抗拉稳定性，结合较粗直径的横向加筋棒进一步加强网面抗拉强度。

易施工性：虽然结构为金属材质，但经过机器加工形成一种柔性网面结构，铺设方便，以锚钉固定，尤其适合大纵坡、弯道等复杂地段路面改造。

1.4 现场施工情况

益常高速大修工程(K121+446～K124+349段)路面总施工面积32000m2，施工周期9月6日至9月21日，其中有效施工时间为9.5d，每班组施工人员10人，网面铺设施工效率为3368m2/d。具体施工流程如图3。

1) 旧路面灌缝修补处理

2) 纵横缝贴设聚酯玻纤布

3) 铺设固定路面加筋网

4) 撒布改性沥青粘层

5) 铺设应力吸收层

6) 沥青面层摊铺施工

2 相关试验研究

为了进一步验证金属加筋材料在路面工程中的效应，安排进行了必要的试验并查阅了国外的相关资料，从金属网在路面结构层中的抗剪切、抗反射裂缝和抗车辙3个角度对金属网路面加筋结构进行评估，并与其他加筋类方案进行技术比较。

2.1 金属网在沥青结构层中的抗剪切试验

通过剪切试验评估不同夹层筋材和沥青之间的粘结强度。试验装置如图4所示。

图4 各种界面系统在循环剪切荷载作用下的粘结强度测试

在此剪切试验中，测量了2个用于评估界面系统有效性的重要参数，即剪切强度和剪切刚度，对于剪切强度，和传统的“加筋土”的剪切试验不同的是，这里施加的是和路面工程实践更接近的循环荷载；而对于剪切刚度，主要反映界面系统剪切变形和剪切应力的关系。根据试验成果，各种筋材的上述参数如表2所示。

表2 各种界面系统的界面剪切刚度和剪切强度

从表2可以看到，在标准正压力环境下，动荷载的反复作用，使除了金属加筋网之外，所有加筋界面系统的剪切强度均有很大程度的折减。而对于铺设了土工膜之类的界面系统，由于筋材和沥青集料之间不能形成相互咬合，因此界面强度有显著的折减。之所以能够忽略由于铺设金属加筋网而导致的剪切刚度和强度的折减，是由于金属加筋网特殊的三维开敞式结构，金属筋材和沥青集料之间有充分的咬合。

试验研究成果归纳如下：

1) 根据路面结构的不同，界面系统的刚度是决定加筋沥青铺面系统有效性的重要因素，因此，对于选择加筋材料，优先选择界面剪切刚度大的产品。

2) 根据理论和试验相结合的分析，筋材和周围沥青的粘结强度是影响加筋沥青抗反射裂缝性能的重要因素，因此选择三维几何特性的筋材，以保证足够的粘结强度非常重要。

3) 金属加筋网可将未加筋的沥青加铺层抗反射裂缝能力提高至原来的2.5至3倍。

2.2 金属网在复合式路面结构中的抗反射裂缝试验

该试验对多种拉筋材料在复合式路面结构中的作用进行了测试。试验中，混凝土板的裂缝(或施工缝)以非常小的循环张开变化来模拟下层的移动，下层混凝土板的位移差将在板缝位置产生应力集中，到一定极限值时板缝变形将突破界面系统，发展到沥青加铺层上来，形成反射裂缝。在整个测试中，在一定循环荷载作用次数下，沥青加铺层中裂缝不断向上发展，各种筋材组成的界面系统抵抗温度型反射裂缝的有效性将得到体现。试验装置如图5。

图5 水泥混凝土界面系统抗温度性反射裂缝的试验装置示意

如图6所示，试验结论如下：

1) 对于金属加筋网界面系统，几乎没有裂缝反射传播至沥青加铺；而为其他加筋的样品，在经历45h的测试后，裂缝长度大都已经超过7cm。

2) 所有的筋材(除金属加筋网)，均能不同程度地延缓裂缝传播的进程，唯独金属加筋网和玻纤格栅两种材料完成了45h的试验。

对于路面加筋网抗疲劳性能，在全球范围内的大学和公路交通部门也进行了大量的试验和理论研究，在循环荷载试验基础上，通过试验路段获取实际数据，结合有限元模型分析及经典疲劳法则发现路面加筋网可以大大改善路面抗疲劳寿命，性能提升1.4～3倍之间。

图6 各种界面系统抗温度性反射裂缝的有效性对比

2.3 金属网的抗车辙试验

为了更好地研究路面加筋网的抗车辙性能，在一公交站选取试验路面进行了抗车辙测试，在此试验中在路面层中布设应变感测仪等精密感应元件(见图7、图8)，来测试公交车等车辆加速行驶、正常行驶和刹车3种情况下加筋路面和未加筋路面沥青的应变情况。

图7 公交车站试验路段

图8 金属网与应变感应元件设置

经过长期跟踪测试及数据监控，获取应变数据见表3。

从表3中可以发现：

1) 无论沿道路纵向还是道路横向，采用路面加筋网的路段应变监测值明显小于未加筋路段应变值。

2) 沿道路纵向，加筋路段应变值在刹车、加速和正常行驶3种情况下，应变值分别降低14%、48%和48%。

表3 3种情况下应变数据

3) 沿道路横向，加筋路段应变值在刹车、加速和正常行驶3种情况下，应变值分别降低88%、77%和46%。

该试验充分体现了路面加筋网在限制沥青集料变形的情况下，能更有效地控制集料横向推移变形，降低车辙产生的几率。

3 结论

本文根据益常高速公路(K121+446～K124+349段)大修工程路面加筋网应力吸收层的应用实例，进一步验证了路面加筋网这种金属网材在路面大修工程中应用的可行性；同时通过相关室内试验及实际工程应用得到的数据，表明路面加筋网同步碎石封层可以有效缓解反射裂缝、车辙以及差异沉降等病害对路面结构的影响，大幅度提到路面结构层的抗疲劳寿命。

路面加筋网结合应力吸收层组合而成的金属网应力吸收层是一种新型的路面夹层结构形式，它充分结合了金属加筋网材和应力吸收层优良的抗拉、限制集料变形和吸收裂缝应力的性能，形成一种更为稳定可靠的复合应力吸收层，相信在进一步的跟踪研究之后，能为国内公路大、中修铺面改造提供一种更为有效的技术。

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1008-844X(2017)02-0039-06

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