王开凤 李邦彦 袁 明

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430070) (深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司2) 深圳 518000)

0 引 言

水稳基层承受来自面层的荷载，并将荷载扩散到路基中，从而大幅提高路面的整体承载能力，在我国公路建设中应用广泛.目前，我国道路交通量日益增加，车辆迅速大型化且超载现象严重[1].我国提高路面质量的传统方法是严格控制路面施工质量、采用合理的路面结构设计，如提高路面结构层材料的施工均匀性、严把路面材料关、加强路面施工组成设计等.这些无疑是提高路面质量的有效办法，但是路面的开裂、沉陷等病害[2]，不仅仅和路面本身质量有关，而且还和水稳基层路用性能有很大的关系.大量工程实践应用结果表明：水稳基层材料虽然具有较好的承载力，但是这类材料具有明显脆性，同时在车辆荷载作用下及受自身干缩温缩特性的影响，使得在后期使用过程中很容易出现裂缝.裂缝自下而上，反射到面层，导致表面水从裂缝空隙中渗入道路结构，并且难以排出，基层内部含水量饱和，在行车荷载的反复作用下，会出现冲刷和唧泥现象，从而导致裂缝的进一步扩大，降低道路的使用质量和寿命.

Hayssam等[3]将土工格栅设置于加铺层，根据土工格栅的抗拉性和延展性，发现其提供的抗拉强度能够控制反射裂缝的扩展，证明了土工格栅的加筋作用.文中尝试利用双向土工格栅加筋作用防治水泥稳定碎石基层裂缝，提高水泥稳定碎石的抗拉、抗剪和承载能力.将双向土工格栅设置于水泥稳定碎石中，压制成试件，通过无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验、干缩试验及温缩试验，根据不同层数不同养生龄期下试件的力学性能变化趋势，研究双向土工格栅加筋对水泥稳定碎石力学特性的影响.

1 双向土工格栅加筋水泥稳定碎石原材料性能

1.1 水泥

选用湖北省鄂州市某公司生产的P.C 32.5R复合硅酸盐水泥，其各项性能满足JTG/T-F20—2015《公路路面基层施工技术细则》[4]要求.

1.2 集料

根据文献[4]可知，为确保测试的水稳材料具有与实际相符的道路性能，对水稳基层所用材料有明确的技术要求.选用南京斧山碎石场的石灰石，各项性能指标见表1.

表1 集料性能指标

本次试验选用的四档集料，粒径分别为0～2.36，2.36～4.75，4.75～13.2，13.2～26.5 mm，根据文献[4]可知，水泥稳定碎石的级配范围选用高速公路C-B-1，集料筛分后进行配合比计算，确定出四档集料的配合比，其比例为：(0～2.36 mm)∶(2.36～4.75 mm)∶(4.75～13.2 mm)∶(13.2～26.5 mm)=21.5∶30.9∶9.6∶38.

1.3 双向土工格栅

土工格栅是由抗拉条带单元结合形成的有规则网格型式的土工合成材料，是目前工程上应用最广的一种加筋材料[5].双向土工格栅的网孔会与水稳碎石之间发生相互摩擦，产生摩擦阻力，提高水泥稳定碎石的稳定性，土工格栅的高抗拉强度，可以在较大的面积范围之内将荷载应力均匀的扩散，使得水泥稳定碎石处于静力平衡的状态[6].

试验选用的双向土工格栅是拉伸塑料土工格栅[7].其网孔形状为30 mm×30 mm的正方形，筋带横截面积近似取为9×10-6m2，双向土工格栅力学性能指标数据见表2.

表2 双向土工格栅力学性能

2 双向土工格栅加筋水泥稳定碎石力学性能试验设计

为了验证双向土工格栅对水泥稳定碎石的加筋作用，需要进行水泥稳定碎石的性能试验，实验包括无侧限抗压强度试验、弯拉强度试验、干缩试验及温缩试验.无侧限抗压强度试验使用圆柱形试件，弯拉强度试验、干缩试验、温缩试验使用梁式试件.而水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水量是试件成型的关键因素.

采用击实试验来确定水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水量[8].根据图1干密度-含水量的关系曲线，确定出试样的最大干密度和最佳含水量为2.376 g/cm3和5.55%.

图1 干密度-含水量关系曲线图

按照最大干密度和最佳含水量为标准确定好试料，使用圆柱形、梁式试模和压力机压制水泥稳定碎石试件，试件脱模后进行养生，试件成型过程见图2和图3.

图2 圆柱形试件成型过程

2.2 双向土工格栅的布置

圆柱形试件中，土工格栅分别布置0、1、2和3层，具体的布置方式见图4，其中虚线代表土工格栅，n为土工格栅层数.为了防止格栅裸露，须先在试模底部铺入一薄层水泥稳定碎石，再放入格栅.

图4 圆柱形试件加筋布置示意图(单位：mm)

梁式试件中，土工格栅以相等的间距分别布置0、1、2和3层，具体的布置方式见图5，其中虚线代表土工格栅，n为土工格栅层数.为了防止格栅裸露，须先在试模底部铺入一薄层水泥稳定碎石，再放入格栅.

图5 梁式试件加筋布置示意图(单位：mm)

2.3 试验方案与过程

通过向试件中设置不同的格栅层数，在不同养生天数的条件下，得到相关的力学性能试验数据，具体试验方案见表3.

表3 试验方案

2.3.1无侧限抗压强度试验过程

将取出的试件放入水中浸置一昼夜，第二天将其表面水分擦干，放到压力机上进行无侧限抗压试验，试验过程保证加载速率为1 mm/min，记录试件被破坏时承受的最大压力为P(N)，按照7，28，60 d三种养护龄期分为三个对照组，每种龄期又各设置无格栅、一层格栅、两层格栅、三层格栅的对比实验组.

2.3.2弯拉强度试验过程

试件从养护室取出，用湿毛巾覆盖并及时进行试验，记录试件破坏的极限荷载为P(N)，按照28、60、90 d三种养护龄期分为三个对照组，每种龄期又各设置无格栅、一层格栅、两层格栅、三层格栅的对比实验组.试验采用三分点加压的方法进行，加载速率控制在50 mm/min.

2.3.3干缩试验过程

设置四个对照组，分别为无格栅、一层格栅、二层格栅、三层格栅.

试件养生完毕后，用干抹布擦去表面水，风干2 h，以除去表面水.将试件两端长轴面用刮板抹平，并用502黏胶将玻璃片粘结在试件两面.然后把千分表和试件一同放入室内，从放入室内的当天开始算起，一个星期内，每天读一次数，读数记为Xi,1、Xi,2、Xi,3、Xi,4(精确至0.001 mm)，称量标准试件的质量为mi，7 d之后，分别在14，21，28 d读取千分表的示数，并称量试件的总质量.

2.3.4温缩试验过程

设置四个对照组，分别为无格栅、一层格栅、二层格栅、三层格栅.

试件养生龄期的最后1 d，试件饱水24 h，养生结束后，将试件放入105 ℃的烘箱中烘10～12 h至恒量，烘干后，将试件放到干燥通风的地方至常温.试验前用游标卡尺测量试件的初始长度，取3次测量的平均值.

将试件安装好后，放到高低温交变试验箱中.本次试验温度选用6个温度级别，分别为40～30，30～20，20～10，10～0，0～-10，-10～-20 ℃.试验从高温开始，逐级降温，按照降温速率0.5 ℃/min，当温度降到设定的级位时，保温3 h，在保温结束前的5 min内读取千分表读数.

3 双向土工格栅加筋水泥稳定碎石力学特性

3.1 无侧限抗压强度试验结果分析

试件受压时，表面开始出现微裂缝，微裂缝持续扩展，导致集料陆续剥落，直至试件完全被破坏，过程见图6，得到的数据见表4.

图6 圆柱形试件无侧限抗压过程

表4 无侧限抗压强度

由表4可知，在相同龄期的情况下，随着格栅层数的增加，试件的无侧限抗压强度在增大，在养护7 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的无侧限抗压强度分别大0.28%、1.25%、2.79%，在养护28 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的无侧限抗压强度分别大2.54%、3.53%、3.17%，在养护60 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的无侧限抗压强度分别大3.11%、4.16%、4.84%，说明向试件中设置土工格栅会在一定程度上提高试件的无侧限抗压强度，并且随着格栅层数的增加，试件的无侧限抗压强度也在小幅度增大.

无侧限抗压强度反映了试件的承载能力，当试件受到竖直压力，试件中部开始膨胀变大，表面集料陆续剥落，此时，可以听到双向土工格栅与水稳碎石互相撕拉的“嗞嗞”声响.在竖向压力的作用下，试件中部的水稳碎石有发生横向位移的趋势，但由于双向土工格栅设置在试件中，在土工格栅的放置位置，网眼对水稳碎石有嵌锁的作用，网眼和水稳碎石的互相作用吸收了一部分应变能，一定程度上阻碍了水稳碎石的横向位移，使得试件更慢地发生横向变形，从而增强了抗裂性能和刚度，提高了试件的强度和稳定性，在一定程度上抑制裂缝的产生和发展.

3.2 弯拉强度试验结果分析

本次试验对象为含有零层、一层、二层、三层双向土工格栅的梁式试件，分别测其28，60，90 d的弯拉强度，对比分析弯拉强度的变化趋势.梁式试件断裂见图7.

图7 梁式试件断裂图

无格栅试件受压时，中间截面开始裂开，由下至上形成纵向的裂纹，裂纹扩展的速度较快且方向单一，在20～85 s时裂纹贯穿整个试件截面，直至试件完全断开被破坏，失去承载能力(见图7a))，深色线条为裂纹扩展路径.

有格栅试件受压时，中间截面开始裂开，在此过程中，由于双向土工格栅网眼的嵌锁作用，会与水稳碎石之间产生摩擦咬合力，因此，可以听到双向土工格栅与水稳碎石互相撕拉的“嗞嗞”声响，并由下至上形成纵向的裂纹，当纵向裂纹遇到双向土工格栅时，裂纹扩展方向发生变化，开始沿着不同方向发展，说明双向土工格栅改变了试件内部的应力场，阻止了裂纹由下至上的发展趋势.其中，裂纹开始出现的时间会延迟3～8 s，且裂纹扩展的速度较慢，试件能承受一段时间的荷载，在30～100 s时裂纹贯穿整个试件截面，说明此时双向土工格栅的抗拉性能起到了一定的作用，见图7b)，深色线条为裂纹扩展路径.试验得到的数据见表5.

表5 弯拉强度

由表5可知，在相同龄期的情况下，随着格栅层数的增加，试件的弯拉强度在增大，在养护28 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的弯拉强度分别大0.81%、6.5%、7.32%，在养护60 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的弯拉强度分别大0.76%、4.58%、6.11%，在养护90 d时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的弯拉强度分别大1.49%、5.97%、8.21%，说明向试件中设置土工格栅会在一定程度上提高试件的弯拉强度.

将双向土工格栅设置于试件中，在试件未开裂阶段，试件下部分的土工格栅承担了一部分的弯矩.试件在出现裂缝及裂缝的扩展阶段，由于土工格栅的网格与周围的水稳材料通过咬合、嵌挤作用产生摩阻力抵消了一部分弯拉应力，使得试件表现出一定的延展性，不会很快失去承载能力，呈现出“裂而不断”的性状，阻止裂缝由下至上的扩展趋势.当试件中部开始产生裂纹时，筋材在拉力的作用下向裂纹区运动，使得筋材与水稳碎石之间产生剪应力，阻止裂纹区的筋材进一步挠曲，提高试件的承载力.因此，双向土工格栅的设置可以提高试件的弯拉强度，在一定程度上抑制裂缝的产生和发展.

3.3 干缩试验结果分析

水泥稳定碎石试件成型后，由于表面水分的蒸发和集料内部的水化作用，使得试件的含水量逐渐减小，结合料之间的毛细管产生张力作用、吸附水及分子间力的作用、矿物晶体或者胶凝体的层间水作用和碳化作用，这些作用会导致试件体积收缩进而产生干缩裂缝.材料的干缩性能由干缩系数表征，其数值越小，材料就越不容易开裂.将试验所得数据计算得到干缩系数.

干缩系数：

(1)

总干缩系数：

(2)

式中：wi为第i次失水率，%；δi为第i次观测干缩量；σdi为第i次干缩系数，%；l为标准试件的长度，mm.

计算得到干缩系数后，绘制出不同工况下的折线图，见图8.

图8 不同层数格栅试件在不同时间的干缩系数

由图8可知，一层土工格栅设置于试件，对试件的干缩系数影响较小，无法有效对水稳碎石起到嵌锁锚固的作用，因此数据上有突变趋势，但是随着土工格栅设置层数的增加，干缩系数整体呈现减小的趋势，时间为7 d时，设置三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的干缩系数小8.68%，在时间为28 d时，设置三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的干缩系数小9.37%.

由于双向土工格栅在水稳碎石中，有一定的界面粘结力和物理咬合力，且双向土工格栅没有发生主动变形，所以水稳碎石试件在发生体积收缩时，试件嵌入了土工格栅的部位，土工格栅与水稳碎石的界面粘接力和嵌锁作用会阻碍试件和土工格栅发生水平的相对位移，从而减小试件沿土工格栅放置方向的收缩变形，说明双向土工格栅可以在一定程度上降低水稳碎石的收缩性能，阻止试件的开裂.

3.4 温缩试验结果分析

水泥稳定碎石试件是由固相、液相和气相组成，其宏观的膨胀和收缩是内部固、液、气三相的温度效应综合影响的结果.当温度上升时，微观粒子的热运动程度不断加剧，粒子的振动幅度加大，宏观上表现为物体整体体积的膨胀，当温度下降时，微观粒子的热运动程度减弱，粒子的振动幅度减少，宏观上表现为物体整体体积的收缩.由于环境温度的变化，导致水泥稳定碎石试件体积发生收缩，进而产生温缩裂缝.材料的温缩性能由温缩系数表征，其数值越小，材料就越不容易开裂.将得到的实验数据进行计算得到温缩系数.

温缩应变：

(3)

温缩系数：

(4)

式中：li为第i个温度区间的千分表读数和的平均值，mm；ti为温度控制程序设定的第i个温度区间，℃；L0为试件的初始长度，mm；εi为第i个温度下的平均收缩应变，%；αt为温缩系数.

计算得到温缩系数绘制出折线图，见图9.

图9 不同层数格栅试件在不同温度范围的温缩系数

由图9可知，在相同温度范围下，随着格栅层数的增加，试件的温缩系数在减小.在40～0 ℃的温度范围内，随着温度的逐渐降低，试件的温缩系数逐渐减小，但是到0 ℃以下时，试件的温缩系数反而增大，究其原因，主要是温度过低，导致混合料未完全烘干的水分结冰，使得试件的体积膨胀，从而使温缩系数增大.在温度范围为40～30 ℃时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置土工格栅试件的温缩系数分别小0.89%、2.22%、3.11%.在温度范围为-10～-20 ℃时，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的温缩系数分别小2.94%、6.3%、11.34%.在温度范围为10～0 ℃时，试件的温缩系数最小，设置一层、二层、三层土工格栅的试件比未设置格栅试件的温缩系数分别小2.55%、5.73%、10.19%.

从实验结果来看，在同一温度条件下，土工格栅的层数越多，试件的温缩系数越小，土工格栅网眼与水稳碎石之间的锚固嵌锁一定程度上阻碍了它们的相对位移，使得水稳碎石的收缩变小，说明双向土工格栅可以在一定程度上降低水稳碎石的收缩性能，阻止试件的开裂.

4 结 论

1) 通过无侧限抗压强度试验，同龄期条件下，随着土工格栅层数的增加，试件的无侧限抗压强度在增大，水泥稳定碎石的承载能力就越强，说明双向土工格栅的抗拉摩擦性能可以抑制一部分拉应力，起到加筋防裂作用.

2) 通过弯拉强度试验，同龄期条件下，随着土工格栅层数的增加，试件的弯拉强度在增大，这说明双向土工格栅可以抵消一部分弯拉应力.同时小梁试件加筋前后裂缝扩展变化规律表明双向土工格栅加筋作用能有效改变试件内部的应力分布状态，能增强水泥稳定碎石的抗变形能力.

3) 通过干缩试验，随着土工格栅层数的增加，试件的干缩系数在总体上呈现降低的趋势，说明双向土工格栅可以在一定程度上降低水泥稳定碎石的收缩性能，有利于水泥稳定碎石的防裂.

4) 通过温缩试验，当双向土工格栅设置入水泥稳定碎石后，试件的温缩系数会减小，说明当环境温度变化时，双向土工格栅的设置可以阻碍水泥稳定碎石的收缩，从而起到加筋防裂的作用.