玻璃纤维土工格栅作用机理研究
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玻璃纤维土工格栅作用机理研究

作者：qplym
铜山县公路站
上传日期 2010-1-24   支持：0人   得分：0分

    玻璃纤维土工格栅作用机理研究
乔鹏
（江苏省铜山县公路管理站 ）
摘 要：针对目前玻璃纤维土工格栅作用机理并没有较为完整理论研究的情况，本文对玻纤格栅应用于沥青道路上时的抗疲劳开裂，耐高温车辙，抗低温缩裂，延缓反射裂缝等功能作用进行了系统的研究，为更好地指导玻纤格栅的生产与应用提供了理论基础，具有相当的理论意义与实用意义。
关键词： 玻璃纤维土工格栅；疲劳开裂；低温缩裂；高温车辙；反射裂缝
0 引言
玻璃纤维土工格栅目前在土工方面，尤其是在沥青道路建设上得到了较为广泛的应用，并取得了令人满意的效果，但目前其作用机理并没有较为完整的理论研究。为进一步推广这种性能优良的土工材料，有必要对作用机理进行研究，从而可以更好地指导玻纤格栅的生产与应用。
交通部《JTJ/T 019-98公路土工合成材料应用技术规范》[1]中指出，路面防裂选用玻纤格栅可减少或延缓反射裂纹数量，减少沥青路面车辙拥包，可适当提高半刚性基层的疲劳寿命。玻纤格栅应用于沥青道路上时，可以在以下几方面发挥重要作用：
1 抗疲劳开裂
沥青路面必须具有一定的承载能力，在规定的时间内不会发生疲劳破坏。根据柔性路面设计规范的规定，要求控制路表最大弯沉和层底面最大弯拉应力小于相应的容许量，以保证路面不致产生过度的变形和开裂。对沥青路面受载荷的情况做受力分析：在直接与车轮接触的下面层受到压力，在轮载边缘以外的区域，面层受到拉力作用，由于两处受力区域所受力性质不同，而又彼此紧靠，因此在两块受力区域的交界处即力的突变处容易发生破坏。在长期荷载的作用下，发生疲劳开裂。
玻纤格栅在沥青面层中，能够将上述的压应力与拉应力分散，在两块受力区域之间形成缓冲带，在这里应力逐步变化而不是突变，减少了应力突变对沥青面层的破坏。同时玻纤格栅的低延伸率减小了路面的弯沉量，保证了路面不会发生过度变形[2]。
在旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层，其主要作用是提高路面的使用功能，对承载作用则贡献不大，加铺层下的刚性混凝土路面仍起关键的承载作用。而在旧沥青混凝土路面上进行沥青罩面则不同，沥青加铺层将与旧沥青混凝土路面一起承载。因此，在沥青混凝土路面上进行沥青罩面，除了会出现反射裂缝，同时还会因为荷载的长期作用而出现疲劳开裂。对旧沥青混凝土路面上的沥青加铺层受荷情况做受力分析：由于沥青罩面层下为与沥青罩面层同一性质的柔性面层，当受到荷载作用时，路表将发生弯沉。在直接与车轮接触的沥青罩面层受到压力，在轮载边缘以外的区域，面层受到拉力作用，由于两处受力区域所受力性质不同，而又彼此紧靠，因此在两块受力区域的交界处即力的突变处容易发生破坏。在长期荷载的作用下，发生疲劳开裂。
玻纤格栅在沥青罩面层中，能够将上述的压应力与拉应力分散，在两块受力区域之间形成缓冲带，在这里应力逐步变化而不是突变，减少了应力突变对沥青罩面层的破坏。同时玻纤格栅的低延伸率减小了路面的弯沉量，保证了路面不会发生过度变形。
2 耐高温车辙
沥青混凝土在高温时具有流变性，具体表现在：夏季沥青道路面层发软、发粘；在车辆荷载作用下，受力区域产生凹陷，车辆载荷撤除后，沥青面层无法完全恢复至受载荷之前的状况，即产生了塑性变形；在车辆反复碾压的作用下，塑性变形不断积累，形成车辙。对沥青面层结构进行分析后，可以知道由于高温下沥青混凝土具有流变性，而在受到载荷时，面层中没有任何可以约束沥青混凝土中集料运动的机制，造成沥青面层的推移，这就是形成车辙的主要原因。
在沥青面层中使用玻纤格栅，其在沥青面层中起到骨架作用。沥青混凝土中集料贯穿于格栅间，如图1所示，形成复合力学嵌锁体系，限制集料运动，增加了沥青面层中的横向约束力，沥青面层中各部分彼此牵制，防止了沥青面层的推移，从而起到抵抗车辙的作用[3]。

图1 玻纤格栅结构对集料的嵌锁、限制作用
3 抗低温缩裂
严寒地区的沥青道路，冬季面层温度接近于气温，在这样的温度条件下，沥青混凝土遇冷收缩，产生拉应力。当拉应力超过沥青混凝土拉伸强度时，产生裂纹，在裂纹集中的地方产生裂缝，形成病害。从裂纹的成因看，如何使沥青混凝土强度抵抗住拉应力是解决问题的关键。
玻纤格栅在沥青面层中的应用，提高了面层横向拉伸强度，使得沥青混凝土的拉伸强度大大提高，可以抵抗住较大的拉应力而不致发生破坏[4]。另外，即使因为局部区域产生裂纹，在裂纹发生处的应力集中，经玻纤格栅的传递而消失，裂纹不会发展成裂缝。
4 延缓反射裂缝
许多铺筑了罩面后，被认为结构牢固的道路加铺层过早地出现与底层相似的裂缝，这种旧路面断裂处的原有裂缝扩展到或穿透到新路面的现象称之为反射裂缝。反射裂缝破坏道路表面的连续性，降低路面结构强度，使得水进入底层。
裂缝产生的原因是路面无法承受因底层移动而产生的剪切应力和拉伸应力。这种移动可由交通载荷(轮胎压力)或热载荷(膨胀和收缩)引起，如图2所示。
防止和控制反射裂缝是沥青罩面层设计的重点。由于水泥混凝土路面是刚性路面，同时具有接缝设计，因此旧水泥混凝土路面接缝和裂缝更容易导致沥青罩面层内反射裂缝的出现。本文将以旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层设计为例，分析玻纤格栅减缓反射裂缝的作用机理。
反射裂缝是由于旧混凝土面层在接缝或裂缝附近的较大位移引起其上方沥青加铺层内出现应力集中所造成的，它包括因温度和湿度变化而产生的水平位移，以及因交通荷载作用而产生的竖向剪切位移。前者导致接缝或裂缝上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力；后者则使接缝上方的沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。
美国沥青协会（AI）认为旧混凝土面层接缝或裂缝处的弯沉量和弯沉差是引起沥青加铺层反射裂缝的主要原因，因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位移的速率。因此，控制反射裂缝应主要采用降低接缝或裂缝处的弯沉量和弯沉差以及增加加铺层弯拉强度和剪切强度的措施。
由于玻纤格栅的模量很大，达到67Gpa，作为刚度大的硬夹层应用在沥青罩面层中，其作用是抑制应力，释放应变，同时作为沥青混凝土加筋材料，提高加铺层结构的抗拉和抗剪能力，从而达到减少裂缝的目的。实践表明，一条改变了方向的水平裂缝的对应裂缝能量可从其起点移动0.6米，1.5米以上宽度的加筋材料有助于确保能量在裂缝两侧完全消散。玻纤格栅对于降低加铺层内因温度下降引起的应力和应变作用不如橡胶沥青应力吸收夹层、土工织物等软夹层，但对于降低荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。

（a）交通荷载引起剪切型反射裂缝

（b）降温引起张开型反射裂缝

(c)升温引起张开型反射裂缝
图2 反射裂缝产生图解
玻纤格栅近年来发展迅速，并广泛应用于沥青路面，尤其是用在沥青罩面层用来减缓反射裂缝。AM大学的Texas交通学院用其特有的罩面试验仪对玻纤格栅加筋罩面做了大量的模拟温度循环效果的疲劳试验，试验表明，加筋的沥青试件其抗裂能力要比未加筋的试件高二倍以上。澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市政局曾对玻纤格栅、聚丙烯格栅、土工织物及厚沥青混凝土罩面层等控制反射裂缝的产品进行了现场对比试验，结论是玻纤格栅铺设方便，控制反射裂缝效果最为显著，且造价适中，因而建议推广应用[5]。
在沥青罩面层中加铺玻纤格栅夹层，抑制应力，释放应变，作为沥青混凝土拉伸增强材料，达到减少裂缝的目的，如图3所示。

图3 玻纤格栅防止反射裂缝
5 小结
玻璃纤维土工格栅强度高、刚度大，加入沥青混凝土结构内部，可全面提高路面材料强度和路用性能，并会改变路面结构的应力分布，对其作用机理研究分析表明：
①在旧水泥混凝土板表面设置土工格栅，能够改变沥青层在车辆荷载和温度作用下的受力状态，大幅度地减小接缝处沥青层的应力集中，从而阻碍了反射裂缝的产生和发展。
②设置土工格栅能够增加路面整体刚度，使沥青层表面弯沉减小，提高提高沥青加铺层的高温抗车辙能力。
③高强土工格栅并不是依靠自身的较大变形来扩散应力，其防裂作用实质是一种隔离功能，它分隔了带接（裂）缝尖端的应力集中区域，而由强度较高的土工格栅本身承受较大的拉应力，从而阻碍了裂缝的迅速扩展。
参考文献
【1】中华人民共和国建材行业标准，《玻璃纤维土工格栅第1部分沥青路面用玻璃纤维土工格栅》JC839.1—1998
【2】高群．玻纤格栅加筋沥青路面的应用技术研究[D]．吉林：吉林大学，2006
【3】徐伟，白海涛，张肖宁.沥青混凝土加铺层结构中玻纤格栅作用试验分析[J]. 中南公路，2003，（6）：19～21
【4】邢福才，刘伟强.玻纤格栅在旧水泥混凝土路面罩面改造工程中的应用[J]. 黑龙江交通科技，2006，（3）：22
【5】Greer and W. Charles Jr. Shear in asphalt overlays with fabric interlayers[R].Proceedings of the Transportation Congress,1995.

Research of Action Mechanism about
Glass Fiber Geogrids

Qiao Peng1 Wang Xuancang2 Wang Qian2
(1xxxxxx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxx；2 Chang'an University , Highway College , Xi’an 710064)
Abstract: At the current the action mechanism of the glass fiber geogrids has not been comparatively researched in theory, this paper systematically studies the function of the glass fiber geogrids applied in asphalt road about resisting the fatigue cracking, bearing the high temperature rutting, resisting low-temperature cracking, delaying reflecting cracks. It provided the theoretical foundation for guiding production and application of the glass fiber geogrids better.It has significant theoretical and practical meaning.
Key words: Glass fiber geogrids， Fatigue cracking，Low-temperature cracking，High temperature rutting，Reflection crack


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