重庆重点建设项目桥梁和高速公路

1、格栅增强浇筑式性能研究高博1，张华2，王民1，薛昕1，杨波1（1.重庆智翔铺道技术工程有限公司，重庆400060，2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400060）摘 要：对格栅在浇筑式桥面铺装中起到的作用进行分析，格栅主要起到提高抗疲劳开裂性能、增强高温抗车辙性能、加强浇筑式整体性和阻止推移等作用。对钢丝格栅增强浇筑式和玻纤格栅增强浇筑式进行了车辙实验、三种温度下的大梁弯曲试验、剪切试验，并采用应变能临界值分析格栅增强浇筑式的抗弯能力，试验结果表明钢丝格栅增强浇筑式60车辙动稳定度比普通浇筑式提高了一倍左右，玻纤格栅增强浇筑式60车辙动稳定度提高了50%；钢丝格栅和玻纤格栅能够改善浇筑

2、式的弯曲抗裂性能，提高浇筑式在高温下的抗弯强度与抗弯应变，通过应变能临界值分析发现，格栅增强浇筑式抗弯性能远远优于普通浇筑式；钢丝格栅会削弱浇筑式的内部抗剪能力，玻纤格栅则刚好相反。关键词：桥面铺装；浇筑式；玻纤格栅；弯曲应变能；车辙；三点弯曲；剪切Reseach on Grid reinfoced gussasphalt(1. Chognqing Zhixiang Paving Rechnology Engineering Co., Ltd. Chongqing 400060, china;2. China Merchants Chongqing Communications Researc

3、h & Design Institute Co., Ltd. Chongqing 400060, china)Abstract: the Grid reinfoced gussasphalt was introduced in thispaper, This paper analyzes the function of grid in the gussasphalt deck paving, which the main functions are developing the performance of fatigue resistance, enhancing high-temperat

4、ure rut resistance, strengthening gussasphalt integrity and its processing prevention. After doing the rut test, beam bending test under three kinds of temperature and shear test respectively on steel wire and glass fiber grid reinfoced gussasphalt, and analyzing bending resistance of grid reinfoced

5、 gussasphalt by threshold of strain energy, the results showed that the rutting dynamic stability of the steel wire grid reinfoced gussasphalt is developed one times and the glass fiber grid reinfoced gussasphalt is 0.5 times compared to gussasphalt at 60. Meanwhile, steel grid and glass fiber grid

6、improved the bending crack resistance of ordinary gussasphalt, and developed the bending strength and strains under high temperature. On the other hand, bending resistance of grid reinfoced gussasphalt is much better than ordinary gussasphalt by the analysis of threshold of strain energy. Moreover,

7、steel wire grid could weaken the internal shear capacity of gussasphalt, however, the fiber glass grid is on the contrary.Key words: deck pavment；gussasphalt；glassfiber grid；curvature strain energy；rutting；three-point bending test；shear testing浇筑式沥青混凝土是按照施工工艺分类标准确定的一种沥青混凝土，结构上属于悬浮密级配。它的特点是在施工温度（220-

8、240）条件下，沥青混合料呈流淌状态，一般不需要碾压，只需用简单的摊铺整平机具即可完成施工，并能达到规定的密实度和平整度。浇筑式沥青混凝土本身具有拌和温度高、矿粉含量高、沥青含量高以及拌和时间长等特点1。它与热压沥青混凝土不同的是其空隙率很小，而且内部空隙不连续，由于整体性强，层内不存在水损害、老化等病害。浇筑式的特点决定了其适合用于桥面铺装，在欧洲、日本和中国得到了广泛的发展和应用，各国根据本地的交通气候条件对浇筑式的胶结料种类、级配、油石比范围等参数做出了调整，使之能适应本地的使用条件，浇筑式在德国被称为Gussasphalt；英国被称为mastic asphalt；荷兰被称为gietas

9、falt，国内通常简称为GA。以浇筑式为材料的钢桥面铺装通常设计寿命为15-20年，目前已在国内的青马大桥、安徽安庆大桥、东海大桥、南京长江四桥、重庆石板坡大桥和重庆朝天门大桥等近二十座桥面铺装中得到了应用。由于浇筑式沥青混凝土强度主要靠沥青胶浆的粘结能力形成，因此普遍认为其高温抗车辙能力相对较弱，通常作为桥面铺装下层使用，并在其上铺设一层SMA或密级配沥青混凝土以分散上部荷载应力，提高铺装层整体抗车辙能力。从应用效果来看，在国内钢桥面铺装所采用的浇筑式+SMA铺装结构出现车辙的情况非常少，早期病害率也明显少于采用美国环氧沥青的钢桥面铺装。为了提升浇筑式桥面铺装使用寿命，改善浇筑式+SMA的整

10、体能力与抗车辙能力，在浇筑式与上层沥青混合料之间引入了格栅材料，形成格栅加强层，在理论上分析格栅加强浇筑式的优点，并进行实验加以验证。格栅浇筑式的增强作用机制格栅材料在沥青路面上得到了广泛的应用，通常应用在两层沥青混合料之间，可以起到抵抗车辙、防止裂缝、增强整体性等作用。格栅应用于浇筑式+热拌沥青混合料后，可以起到下作用：（1）提高抗疲劳开裂性能桥面铺装必须具有一定的抗疲劳能力，在设计寿命内不会发生疲劳破坏。桥面铺装层在直接与车轮接触位置受到压力作用，而在轮载边缘以外的区域的面层受到拉力作用，两受力区域所受力性质不同，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，会发

11、生疲劳开裂。格栅层在桥面铺装的下面层（浇筑式）与上面层之中，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。此外,格栅的咬合效应对浇筑式基体裂纹扩展起到阻滞作用。当沥青混凝土在疲劳荷载作用下产生孔隙及裂纹时,格栅跨越这些孔隙及裂纹,形成桥架结构,使得裂纹扩展的能量释放率减少,即裂纹的扩展受到了格栅的约束。格栅的这种咬合作用对沥青基体裂纹扩展起到阻滞作用,使浇筑式大大提高了裂纹的自愈能力。（2）增强高温抗车辙性能沥青类桥面铺装材料在高温时具有流变性，具体表现在：夏季高温时桥面铺装在车辆荷载作用下，受力区域产生凹陷；车辆荷

12、载撤除后，沥青面层无法完全恢复至受荷载前的状况，即产生塑性变形；在车辆反复碾压的作用下，塑性变形不断积累，形成车辙。对桥面铺装结构进行分析后，可以知道由于高温下浇筑式具有流变性，而在受到荷载时，层间没有任何可以约束浇筑式沥青混凝土中集料运动的微观构造，造成沥青混凝土的推移，这就是形成车辙的主要原因。在桥面铺装结构的上面层与下面层之间嵌入格栅层，在整个结构中起到骨架作用。浇筑式沥青混凝土中集料和胶浆贯穿于格栅间，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，造成铺装层难以横向移动，从而起到抵抗车辙的作用。（3）加强整体性、阻止推移桥面铺装的推移是近年

13、来频繁出现的病害形式之一，加入钢丝网后，桥面铺装的整体性得到增强，某一部位桥面铺装即将产生局部推移时，由于格栅的存在，周围未产生推移的桥面铺装结构必将对产生推移的部分施加巨大的拉力，从而阻止桥面铺装产生进一步的推移。综上所述，格栅加入到桥面铺装层中，可以提高铺装层的耐久性，延长使用寿命。本文接下来通过实验分析格栅浇筑式的性能。原材料及级配浇筑式所用沥青由天然湖沥青和SBS沥青复配而成，SBS改性沥青和湖沥青的比例为70：30，复配沥青技术指标见表1。表 SEQ 表 * ARABIC 1 GA10沥青技术指标试 验 项 目GA10用沥青试验方法针入度（25）/0.1mm24.7JTJ 052-2

14、000 T0604延度（25）/cm29.3JTJ 052-2000 T0605软化点/101.1JTJ 052-2000 T0606试验选用的矿料原材料均为国产玄武岩，矿粉为石灰石矿粉。浇筑式的级配通过率见表2。表 SEQ 表 * ARABIC 2 浇筑式设计级配混合料类型通过下列筛孔（mm）的重量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075GA101001001006957.544.23936.634.427.3通过油石比设计，得出浇筑式最佳油石比为7.8%，基本性能试验结果为：235流动性为11s，动稳定度为797次/mm，贯入度为1.21mm，增量

15、为0.19mm。本文中试件均按照最佳油石比制备。本文中选取了钢丝网格栅和玻纤格栅两种格栅材料，均为正方形网孔，钢丝网格栅网孔为25mm，单根钢丝直径2.0mm；玻纤格栅网孔为25mm，抗拉强度为120kN/m。高温抗变形性能试验德国认为浇筑式不适宜采用车辙试验动稳定度指标来检验其高温抗变形性能，而采用贯入度及贯入度增量来进行评价。在日本则采用车辙试验来评价抗车辙性能，采用的试验设备及方法与我国现行规范中动稳定度试验基本一致，但其动稳定度的指标要求（300次/mm）远低于我国规范对密集配沥青混凝土的要求值。车辙试验动稳定度是我国沥青路面热稳性评价的关键性指标，本文中用车辙动稳定度试验来评价加格栅

16、后对浇筑式动稳定度的影响，车辙试验方法按照JTJ 052-2000沥青及沥青混合料试验规程进行。试件成型及试验过程室内拌和浇筑式沥青混合料，首先将各种规格的矿料置于2405的烘箱中烘干至恒重（不少于4h）。然后将加热后的集料放入搅拌锅，按比例先加入沥青后搅拌约3分钟后，加入天然沥青，再搅拌约3分钟后，放入加热后的矿粉，并搅拌约30分钟，拌和温度为240。拌合后将混合料倒入车辙试模，整平并加入格栅，在表面撒布500g预拌沥青碎石（粒径1015mm），稍微施压将碎石压入，在室温下冷却48小时后进行试验。试验结果及分析按照规范进行试验，测试60下车辙动稳定度，试验结果见表3。表 SEQ 表 * AR

17、ABIC 3 不同格栅高温性能对比试验试验格栅类型40分钟位移（mm）60分钟位移（mm）动稳定度（次/mm）钢丝格栅6.22 6.60 1658 玻纤格栅7.51 8.03 1212 空白试件9.81 10.60 797 从实验结果来看，钢丝网和玻纤格栅均能够增强浇筑式的动稳定度，其中钢丝网增强浇筑式动稳定度幅度最大，比空白试件动稳定度增加了一倍以上，玻纤格栅增强浇筑式试件的动稳定度也增加了50%以上。试验过程中40分钟位移和60分钟位移均有不同程度的降低，说明格栅的加入有效提高了浇筑式的高温抗变形性能。弯曲变形性能试验试件成型及试验过程成型车辙试件，尺寸为30030070mm，格栅埋设深度

18、为5mm，待浇筑式冷却形成强度后切割成30010050mm的试件，进行三点弯曲试验。测试了三种温度（-10、20、50，分别代表低温、常温、高温情况）下，加入玻纤格栅和钢丝格栅浇筑式的弯曲性能。采用三点弯曲试验方式，跨径为200mm，中点加载，加载速率为50mm/min，测试时，有格栅的一面朝下放置。试验过程中记录最大荷载，并以最大荷载产生时的变形作为最大变形。试验结束后，按照计算小梁破坏时的抗弯拉强度、梁底最大弯拉应变及弯曲劲度模量。 式（1） 式（2） 式（3）式中，b为跨中断面试件的宽度；h为跨中断面试件的高度；L为试件的跨度；PB为试件破坏时的最大荷载；d为试件破坏时的跨中挠度；RB为

19、小梁试件破坏时的弯拉强度；eB为小梁试件破坏时的弯拉应变；SB为小梁试件的弯曲劲度模量。 图 SEQ 图 * ARABIC 1 试件制备示意图 图 SEQ 图 * ARABIC 2 试验过程图试验结果及分析-10下格栅浇筑式弯曲性能试验结果见表4和图3所示，试验结果可见，四种格栅加入到浇筑式内部后，最大抗弯应变及抗弯强度均没有大幅度的改变。但从荷载-位移曲线可以看出，两种格栅均起到了一定的加筋作用，在试件达到最大荷载破坏后，仍然能够承受一定的荷载，与之产生明显对比的是未加格栅的浇筑式试件，达到最大荷载后完全断裂，完全失去承载能力。表 SEQ 表 * ARABIC 4 加格栅后浇筑式的弯曲试验结

20、果（-10）试件类型试件编号挠度(mm)最大荷载(N)抗弯强度(Mpa)抗弯应变()劲度模量(Mpa)原始试件1-10.894 10890.813.16705.21949.1 1-20.850 11957.514.46375.52250.7 平均值0.872 11424.2 13.8 6540.42099.9 钢丝格栅浇筑式2-10.850 12424.413.96659.12087.5 2-20.898 12631.513.97087.31962.0 平均值0.874 12528.0 13.9 6873.22024.8 玻纤格栅浇筑式3-10.739 10565.812.75578.2227

21、3.9 3-20.885 11455.813.86633.92072.2 平均值0.812 11010.8 13.3 6106.12173.1 图 SEQ 图 * ARABIC 3 三种试件弯曲荷载-位移图（-10）20下格栅浇筑式弯曲性能试验结果见表5及图4所示。从图4可以看出，加入格栅后的浇筑式弯曲试验过程中，有两个荷载峰值。经分析，第一个峰值可以解释为沥青混合料的最大极限承载能力，随着沥青混合料开裂，试件的承载能力达到最高点后下降；当试件变形累计到一定程度，由于格栅在浇筑式内部的牵拉作用，会阻止浇筑式进一步开裂，此时试件所受的力主要有格栅承受；随着荷载进一步增大，格栅承载能力达到极值而破

22、坏，此时就形成了图4中的第二个峰值。但是实验中的抗弯应变是按照第一个波峰值计算的，因此试验结果中的抗弯应变与未添加格栅材料的差别不大。根据荷载-位移曲线来看，格栅材料在20下能够为浇筑式承受一定的荷载，增强整体的抗弯曲开裂能力。表 SEQ 表 * ARABIC 5 加格栅后浇筑式的弯曲试验结果（20）试件类型试件编号挠度(mm)最大荷载(N)抗弯强度(Mpa)抗弯应变()劲度模量(Mpa)原始试件1-12.6358209.29.919760.51949.11-22.4879273.311.118651.22250.7平均值2.561 8741.3 10.5 19205.92099.9 钢丝格栅

23、浇筑式2-13.028870.810.323235.2443.22-23.3318649.210.125481.5396.7平均值3.176 8760.0 10.2 24358.4420.0 玻纤格栅浇筑式3-18.6528772.510.521390.62273.93-22.16491451116230.52072.2平均值5.408 8958.8 10.8 18810.62173.1 图 SEQ 图 * ARABIC 4 三种试件弯曲荷载-位移图（20）50下格栅浇筑式弯曲性能测试了50下加入格栅后的弯曲性能，试验结果见表6所示。试验过程中，添加格栅的一面朝下放置。表 SEQ 表 * AR

24、ABIC 6 格栅浇筑式的弯曲试验结果（50）试件类型试件编号挠度(mm)最大荷载(N)抗弯强度(Mpa)抗弯应变()劲度模量(Mpa)原始试件1-18.436 815.0 1.0 63269.315.5 1-28.547 864.2 1.0 64102.816.2 平均值8.492 839.6 1.0 63686.115.9 钢丝格栅浇筑式2-126.533 1838.3 2.0 206559.89.9 2-223.062 1948.3 2.2 178848.812.2 平均值24.798 1893.3 2.1 192704.311.1 玻纤格栅浇筑式3-118.379 2234.2 2.7

25、 137844.919.5 3-223.066 1920.8 2.3 172996.413.3 平均值20.723 2077.5 2.5 155420.716.4 从实验结果来看，加入格栅的浇筑式最大荷载、抗弯强度和抗弯应变均有较大提升，说明了在较高温度下，格栅材料能够取到更大的增强作用。图 SEQ 图 * ARABIC 5 三种试件弯曲荷载-位移图（50）从荷载-位移曲线可以看出，加入格栅材料的浇筑式抗弯曲荷载和最大荷载位移明显大于未加入格栅材料的浇筑式，充分说明了加入格栅材料后能够提升浇筑式的高温抗弯曲性能；原始试件小梁在破坏后荷载迅速下降，而加入格栅的小梁在破坏后仍能继续承担较大的荷载，

26、说明格栅良好的韧性增强了沥青混合料承担荷载的能力。应变能临界值分析根据材料损伤准则，材料损伤过程包括裂缝的引发、亚临界状态增大和最后终止3个阶段，这3个阶段在宏观上均可观察到.假定材料破坏形式与单位体积内能量状态相对应，那么材料损伤就可以用应变能密度函数来表示，即 式（4）式（4）中， 为应变能密度函数；ij，ij分别为应力、应变分量；0为最大应力所对应的应变值(以下简称临界应变)。应变能的临界值是评价材料断裂时的应变能释放率的指标,反映材料的抗开裂能力,应变能临界值越大,表示抗开裂性能越好，大量文献中也建议采用应变能临界值作为沥青混合料的弯曲性能评价指标，可以通过试验来测定2。图6为典型的三

27、点弯曲试件的弯拉应力-应变曲线图。通过计算弯曲应力达到最大值之前曲线下方面积，即可以求得沥青混合料的弯曲应变能密度的临界值。图 SEQ 图 * ARABIC 6 沥青混合料弯曲试验应力应变关系三种温度下弯曲试验应变能临界值计算结果见表7。表 SEQ 表 * ARABIC 7 三种试件弯曲试验应变能临界值试件类型应变能临界值（MPa）-102050原始试件5.7415.74.51钢丝格栅浇筑式30.2153.042.4玻纤格栅浇筑式29.764.534.6表7给出了在不同温度条件下,试件破坏时所吸收的应变能。可以看出,在常温域(25)附近,小梁试件具有最大的弯曲应变能。可以说在这个温度范围内,浇

28、筑式具有最佳的服役性能。从实验结果来看，钢丝格栅浇筑式和玻纤格栅浇筑式弯曲应变能临界值远远高出原始试件，钢丝格栅浇筑式在20和50下的弯曲应变能临界值甚至是原始试件的10倍。说明加入格栅后浇筑式的抗弯性能比未加入格栅的浇筑式好得多。抗剪切性能试验（复合材料的特性，两种材料的结合能力）格栅与浇筑式属于不同的两种材料，考虑到格栅材料添加到浇筑式内部后，会对浇筑式的横向抗剪整体性能产生影响，因此测试了添加格栅材料后浇筑式的抗剪切性能。试件成型及试验过程成型300*300*60mm的浇筑式车辙试件，并在车辙试件中间高度位置水平埋设格栅，切割成110*100*50mm的试件，在万能试验机中进行压剪试验，

29、加载速率为10mm/min。由于桥面铺装产生剪切破坏通常在较高温度下产生，因此试验温度定为50。图 SEQ 图 * ARABIC 7 格栅浇筑式剪切试验试验结果剪切实验结果见表7所示。表 SEQ 表 * ARABIC 8 加格栅后浇筑式剪切试验结果钢丝网类型宽度（mm）长度（mm）面积（mm2）最大力(N)剪切强度(MPa)剪切强度平均值(MPa)原始试件1099910791154600.96 0.96 1079910593156880.99 1079910593152390.96 1109810780149070.93 钢丝格栅浇筑式1109810780135070.84 0.85 1099

30、810682134490.84 1109810780136240.85 1119910989142530.87 玻纤格栅浇筑式1099910791170931.06 1.07 1089910692171431.07 1119810878174201.07 1109810780172041.07 从试验结果来看，剪切破坏界面均处于格栅位置，添加钢丝格栅后浇筑式的内部抗剪切性能降低了10%左右，说明钢丝网加入后对浇筑式的内部剪切性能有负面影响；而添加玻纤格栅的浇筑式剪切强度则增加了10%左右。分析钢丝格栅浇筑式剪切强度降低的原因，是由于钢丝和沥青两种材料差异比较大，两者之间的粘附性能不佳。受到外力

31、作用后，浇筑式与钢丝网之间的界面为薄弱界面，相对来说容易产生破坏。而玻纤格栅在制作时就掺入了一定的沥青类材料，在浇筑式的高温下（240）可以与浇筑式形成很好的结合，特别是玻璃纤维在浇筑式内部起到一部分桥接的作用，因此其剪切强度有所增加。钢桥面铺装中，与浇筑式匹配的常用防水体系有丙烯酸树脂体系和环氧树脂体系两种，经测试，丙烯酸树脂防水体系和环氧树脂防水体系在50的抗剪强度分别约为0.7MPa、0.5MPa。与之相比，格栅浇筑式剪切强度最低值（0.85MPa）仍远远大于相同温度下的桥面防水层抗剪强度。可见格栅浇筑式应用到桥面铺装整体结构中，受到极限剪应力而破坏时，桥面防水层会首先破坏，其后才有可能产生格栅与浇筑式之间的界面破坏