基于反射裂缝防治的玄武岩经编纤维布阻裂性能研究

申爱琴，龙虹均，郭寅川，李 鹏，翟超伟

(1.长安大学公路学院，西安 710064；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 451464)

0 引 言

半刚性基层沥青路面因其优良的强度特性和交通荷载承受能力，在我国高等级道路建设中得到了广泛应用[1]。但由于干缩与温缩等原因，半刚性基层沥青路面使用期间极易产生开裂，进而在行车荷载与温度应力作用下导致沥青面层产生反射裂缝，严重缩短路面使用寿命[2]。为减少路面反射裂缝，使用更合理的路面结构组合类型与改良材料是目前采用的主要措施[3-5]。而在沥青路面面层间使用土工合成材料不仅成本较低，安装方便，且可优化面层结构受力[6]，因此国内外学者对土工合成材料用于反射裂缝防治展开了大量研究。张晶等[7]在西藏地区铺设聚丙烯土工布试验段发现，加铺土工布后，路面反射裂缝密度明显降低。Arsenie等[8]通过四点弯曲疲劳试验指出使用玻纤格栅可将沥青混合料的疲劳寿命提升50%～62%。Nejad等[9]评估了聚丙烯土工织物与玻璃纤维类土工格栅对反射裂缝的控制效果，认为土工织物在路面面层间产生不连续性导致层间黏附性较低，在反射裂缝改善效果方面逊于土工格栅。Kumar等[10]采用直接拉伸试验对比玻纤复合格栅、聚酯格栅、聚丙烯格栅和黄麻毡的抗反射裂缝能力得出，玻纤复合格栅因其较高的拉伸强度表现出了最优的抗裂性能。谭玲等[11]通过跟踪调查玻纤格栅用于昼夜温差大、干旱少雨地区的反射裂缝防治效果，提出使用土工格栅可将裂缝产生时间推迟一年半以上。然而，有关研究[12]指出，玻纤土工合成材料在循环荷载作用下易发生断裂，疲劳抗裂性能差，且在沥青混合料中作用较为单一，而玻纤复合材料虽然改善了抗裂性能，但是对于制作工艺与复合材料选择要求较为严格。因此，亟需一种对制作工艺和材料要求简单且抗裂性能较好的土工合成材料，用于沥青路面反射裂缝的防治。

玄武岩经编纤维布是近年来出现的新型复合土工合成材料，其以玄武岩纤维为主料，采用浸浆和经编加筋相结合的工艺制成。目前，玄武岩经编纤维布因其优异的约束能力主要应用于混凝土结构的修复与加固[13-14]，而玄武岩纤维具有来源广泛、绿色环保、抗拉强度高、耐温性能突出，且对沥青的吸附作用较好等优点[15]，将其制成土工合成材料用于沥青路面反射裂缝的防治具有较大潜质与价值。基于此，本文采用冲击韧性与动态疲劳试验研究玄武岩经编纤维布的阻裂性能，并设置玻纤格栅、聚酯玻纤布作为对照，以期为玄武岩经编纤维布的应用推广提供理论参考。最后将冲击韧性试验结果与动态疲劳试验结果进行拟合分析，探讨采用冲击韧性评价土工合成材料加筋沥青混合料疲劳性能的可行性。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 土工合成材料

试验选用江苏南京道之尊复合材料有限公司生产的玻纤格栅和玄武岩经编纤维布以及TruPave牌聚酯玻纤布三种土工合成材料，如图1所示，其性能指标见表1。

图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标Table 1 Performance indicators of geosynthetics

1.1.2 沥青混合料

沥青采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青，其主要性能指标见表2；粗集料选用山西方山石料厂生产的辉绿岩碎石和宁夏太阳山生产的石灰岩，其主要性能指标见表3;细集料采用宁夏太阳山生产的机制砂；填料为石灰岩经球磨机加工得到的矿粉。原材料性能均满足规范要求，混合料选用AC-13和AC-20两种级配，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)马歇尔方法进行沥青混合料配合比设计。两种混合料级配如表4所示，AC-13混合料油石比(沥青与矿料质量比)为4.9%，AC-20混合料油石比为4.2%。

表2 沥青技术指标Table 2 Technical indicators of asphalt

表3 粗集料技术指标Table 3 Technical indicators of coarse aggregate

表4 沥青混合料级配组成Table 4 Aggregate gradation of asphalt mixture

1.2 试验方案

1.2.1 冲击韧性试验

研究采用三点弯曲冲击试验。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规定的轮碾法成型AC-13和AC-20车辙板试件，并采用高速切割机将制作好的车辙板试件切割成250 mm×35 mm×35 mm的小梁试件。在加铺土工合成材料前，为充分模拟材料在实际路面的施工受力过程，对土工合成材料进行四角悬挂重物处理，如图2所示；随后将带有粘层油的小梁试件放置到处理后的土工合成材料上，同时施加一定压力，使两者黏结紧密。成型完成的冲击韧性试件如图3所示。试验仪器采用美国美斯特工业系统生产的SANS万能试验机，加载速率为500 mm/min，试验温度选取15 ℃。

图2 土工合成材料重物处理过程Fig.2 Treatment process of geosynthetics

图3 冲击韧性小梁试件Fig.3 Trabecular specimens of impact ductility test

冲击韧性试验完成后获得荷载-位移曲线，将荷载-位移数据导入Origin软件中，借助Origin软件内自动积分功能计算当荷载达到最大值时荷载-位移曲线与X轴所围曲线面积。为降低误差，每种土工合成材料设置三组平行试件，取平均值作为该土工合成材料的最终冲击韧性值。

1.2.2 动态疲劳试验

采用应力控制的三点弯曲疲劳试验。为了贴近路面实际使用情况并在试验中观察到裂缝的动态发展，试验采用0.3应力水平。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)制备AC-20车辙板，待强度形成后，在室温下将140～170 ℃的粘层油均匀涂抹在车辙板上，并将土工合成材料平铺于其表面，同时采用轮碾仪往返碾压5次以模拟实际施工工艺，随后将试件(上表面为土工合成材料)置于100 mm厚车辙板模具中并装填压实AC-13沥青混合料形成复合车辙板，最后采用切割机将复合车辙板切割成250 mm×50 mm×50 mm的小梁试件。考虑带反射裂缝的路面结构，使用切缝机在试件下层沥青混合料中部进行切缝处理，缝高5 mm，宽3 mm。成型完成的疲劳试件见图4。试验过程采用MTS landmark 801万能材料试验机，加载频率10 Hz，参考国内学者疲劳试验过程，将试验温度设定为15 ℃。

图4 预切缝复合梁疲劳试件Fig.4 Fatigue specimens of composite beams with preformed joint

对加铺不同土工合成材料预切缝复合梁试件进行动态疲劳加载试验，每种土工合成材料设置三组平行试验，取平均值得到裂缝扩展不同位置复合梁试件的疲劳加载次数，以试件完全断裂时的加载次数评价加铺不同土工合成材料沥青混合料的疲劳抗裂性能，并通过记录裂缝扩展到小梁不同位置(距离土工合成材料加铺层顶端1 cm、2 cm)的疲劳加载次数来探讨不同土工合成材料延缓反射裂缝发展的能力。为便于分析，定义初裂次数为裂缝扩展至土工合成材料加铺层顶端时的疲劳次数，终裂次数为复合梁试件完全断裂时的加载次数。

2 结果与讨论

2.1 冲击韧性试验分析

2.1.1 冲击韧性

AC-13和AC-20沥青混合料加铺不同土工合成材料后冲击韧性试验结果见图5。由图5可知，加铺土工合成材料后，沥青混合料试件的冲击韧性均有不同程度的提高。加铺聚酯玻纤布、玻纤格栅和玄武岩经编纤维布，AC-13沥青混合料的冲击韧性分别提高59%、54%和79%，AC-20沥青混合料的冲击韧性分别提高52%、38%和70%。这是因为土工合成材料在沥青混合料中起到了加筋阻裂的作用，而玄武岩经编纤维布不仅与沥青相容性较好[16]，可与粘层形成优良的应力吸收系统，其还具有较优异的抗拉伸性能(见表1)。因此加铺玄武岩经编纤维布可获得最佳的冲击韧性。

图5 加铺不同土工合成材料沥青混合物冲击韧性Fig.5 Impact ductility of asphalt mixtures with different geosynthetics

对比不同沥青混合料的冲击韧性发现，相比AC-20沥青混合料，AC-13沥青混合料表现出更高的冲击韧性。未加铺土工合成材料时，AC-13混合料的冲击韧性较AC-20高出7%，而加铺聚酯玻纤布、玻纤格栅和玄武岩经编纤维布后，冲击韧性分别高出12%、20%、13%。这是因为AC-13沥青混合料中集料尺寸较小而沥青用量较高，在混合料内部集料与沥青黏结得更好。此外，混合料较低的空隙率有效防止了粘层油下渗，使得沥青混合料与土工合成材料黏结较为紧密，形成了更优的受力体系，从而增大了其冲击韧性。进一步分析，玻纤格栅为网状结构，相对聚酯玻纤布和玄武岩经编纤维布而言整体性较差，且自身变形范围小，故与沥青混合料黏结成整体后，其冲击韧性受到混合料类型的影响较大。

2.1.2 弯拉强度

不同沥青混合料加铺土工合成材料后弯拉强度见图6。由图6可知，与未加铺土工合成材料沥青混合料相比，加铺土工合成材料可显著提升混合料的弯拉强度。在沥青混合料小梁试件加铺聚酯玻纤布、玻纤格栅和玄武岩经编纤维布后，AC-13沥青混合料弯拉强度分别提升了11%、13%和19%，AC-20沥青混合料分别提升了22%、28%和30%，表明在提升混合料弯拉强度方面，加铺玄武岩经编纤维布效果最好，玻纤格栅次之，聚酯玻纤布的提升作用相对较差。分析原因可能是玄武岩经编纤维布的拉伸强度较好于玻纤格栅而显著高于聚酯玻纤布，且前两种土工合成材料的断裂伸长率相对较小(见表1)，因此玄武岩经编纤维布表现出了最优的提升效果，而聚酯玻纤布提升效果最差。此外，AC-20沥青混合料均表现出了高于AC-13沥青混合料的弯拉强度，最大可高出35%，这是因为AC-20沥青混合料较AC-13沥青混合料集料粒径及空隙率较大，沥青混合料内部微孔隙发达，应力松弛能力较强，从而表现出了更好的弯拉性能。

图6 加铺不同土工合成材料后试件弯拉强度Fig.6 Flexural tensile strength of specimens with different geosynthetics

2.2 动态疲劳试验分析

不同土工合成材料在裂缝发展各阶段的疲劳加载次数如图7所示。由图7可知，在预切缝复合梁试件上加铺不同土工合成材料后，其疲劳加载次数在裂缝扩展各阶段均显著提升，但各种土工合成材料的阻裂效果随裂缝动态发展的规律有明显不同。

图7 裂缝发展不同阶段疲劳加载次数Fig.7 Fatigue loading times at different stages of crack development

复合梁初裂时，加铺聚酯玻纤布、玻纤格栅和玄武岩经编纤维布的试件疲劳加载次数分别提升了57%、104%和196%，即土工合成材料的初期阻裂性能由好到差依次为玄武岩经编纤维布、玻纤格栅、聚酯玻纤布。这是因为玄武岩经编纤维布的拉伸强度高于玻纤格栅，而聚酯玻纤布的拉伸强度显著较低，且伸长率较大，故玄武岩经编纤维布防治裂缝产生的效果最好，而聚酯玻纤布最差。

在裂缝扩展阶段，玄武岩经编纤维布始终表现出最优的阻裂性能，而聚酯玻纤布出现阻裂效果好于玻纤格栅现象，且两者的性能差距随裂缝的发展逐渐增大，当裂缝发展至2 cm时，聚酯玻纤布的疲劳加载次数较玻纤格栅提高了7%。出现上述现象的原因可能是随着疲劳加载进行，裂缝不断扩展，玻纤格栅因断裂伸长率较低发生部分断裂，加筋作用逐渐降低，而聚酯玻纤布在此阶段抗拉能力得到充分展现但仍低于玄武岩经编纤维布，再者聚酯玻纤布与玄武岩经编纤维布均具有与沥青相容性较好的特点，可吸收部分粘层沥青形成具有一定抗变形能力的应力吸收层，因此在延缓反射裂缝扩展方面，玄武岩经编纤维布性能最好，聚酯玻纤布次之，玻纤格栅相对较差。

在复合梁完全断裂时，加铺玄武岩经编纤维布的疲劳加载次数较未加铺土工合成材料复合梁提升215%，较加铺聚酯玻纤布高出31%，较加铺玻纤格栅高出38%。以终裂疲劳加载次数评价土工合成材料的疲劳抗裂性能，玄武岩经编纤维布优于聚酯玻纤布，而聚酯玻纤布好于玻纤格栅。

综合裂缝整个发展过程，玄武岩经编纤维布的阻裂性能最优。原因是玄武岩经编纤维布具有比玻纤格栅更高的拉伸强度与较低的断裂伸长率，并且玄武岩纤维与沥青的相容性较好，故其不仅具有比玻纤格栅更好的前期阻裂性能，同时也兼具如聚酯玻纤布一样优异的延缓反射裂缝扩展的能力。

图8为不同土工合成材料复合梁试件反射裂缝扩展路径图。由图8可知，未加铺土工合成材料的复合梁试件的裂缝扩展路径相对较短，且裂缝基本沿预切缝方向垂直向上反射，仅存在一条主裂缝，裂缝无明显分支。而加铺不同土工合成材料后的复合梁裂缝扩展路径较长，且在土工合成材料加铺层位置存在明显的应力扩散现象，特别是加铺聚酯玻纤布和玄武岩经编纤维布复合梁试件的应力消散作用较为明显，在加铺层位置出现了大量细微裂纹，同时也存在裂缝横向扩展的现象，说明加铺土工合成材料可有效延缓反射裂缝的发展，增强复合梁试件的疲劳抗裂性能。

图8 不同土工合成材料复合梁试件反射裂缝扩展路径Fig.8 Reflection crack propagation path of composite beam specimens with different geosynthetics

2.3 冲击韧性与疲劳抗裂性能相关性分析

采用冲击韧性与疲劳寿命对土工合成材料阻裂性能进行评价时，均得到了相同的结果，即玄武岩经编纤维布>聚酯玻纤布>玻纤格栅。为了进一步研究不同土工合成材料抗裂性能和抗疲劳性能之间的相关性，探讨采用冲击韧性作为加铺不同土工合成材料后沥青混合料疲劳性能评价指标的可行性，对15 ℃温度条件下，加铺不同土工合成材料后沥青混合料试件的冲击韧性和动态疲劳试验结果进行回归分析，回归曲线如图9所示。

图9 冲击韧性与疲劳寿命拟合曲线Fig.9 Fitting curves of impact ductility and fatigue life

由图9可知，不同土工合成材料的冲击韧性与动态疲劳试验结果拟合程度较高，在AC-13、AC-20沥青混合料中，其相关性系数分别达到了0.925 1、0.928 3，表明加铺土工合成材料后，沥青混合料的冲击韧性与其疲劳寿命具有较好的相关性。因此，可采用冲击韧性作为土工合成材料加筋沥青混合料疲劳性能的评价指标[17]，且冲击韧性越大，加铺该种类型土工合成材料的沥青混合料疲劳寿命越长。

3 结 论

(1)加铺玄武岩经编纤维布后，沥青混合料的抗冲击性能得到大幅度提升。

(2)玄武岩经编纤维布在复合梁初裂与裂缝扩展阶段始终表现出优于聚酯玻纤布和玻纤格栅的阻裂性能；铺设玄武岩经编纤维布后，复合梁的疲劳寿命较加铺聚酯玻纤布高31%，较玻纤格栅复合梁高38%。

(3)沥青混合料加铺不同土工合成材料后的冲击韧性与其疲劳寿命相关性较高，可将冲击韧性作为土工合成材料加筋沥青混合料的疲劳性能评价指标。