魏 锋，仝晓辉，李 鹏

0 引言

反射裂缝是路面的主要病害形式之一，在旧路改造过程中，单纯增加加铺层厚度，只能有限地延缓裂缝扩展速率，而使用土工织物是预防反射裂缝的有效途径之一［1-2］。同时，土工织物作为封闭层，能有效阻止路面积水渗入结构层内部。即使路面产生裂缝，由于土工织物的高延展性［3-5］，土工织物仍然能够阻挡水分入侵，使路面下部结构保持良好的工作状态［6］。此外，土工织物也能作为应力吸收层用于新建沥青路面和“白加黑”铺面工程［7-8］。

传统的复合加筋土工织物由无纺布和玻璃纤维网格构成［9-11］，能够更有效地将路面荷载向多方向传递、扩散，弱化裂缝尖端的应力集中效应，延缓甚至阻挡裂缝的扩散［12-14］。

本文选取3种类型的复合土工织物铺设于新旧路面之间，以提高路面的使用性能。通过试验确定最佳黏层油含量，测试层间剪切强度、渗透系数，并计算材料的蠕变柔量，较为全面地研究复合型土工织物的路用性能，为该材料的工程推广应用提供技术支持。

1 试验材料

试验选用AC-13沥青混合料，级配曲线为规范中值。采用90#沥青，沥青含量为5.4%。通过旋转压实制备试件，试件的空隙率为4.1%。

本文选取3种类型的复合土工织物(图1)，下层为无纺布，上层为玻璃纤维。复合型土工织物主要在旧路加铺时使用，铺设于新旧路面之间。无纺布为土工织物的基础材料，容易吸附沥青，提高土工织物与沥青混合料的黏结性能;玻璃纤维主要起到加劲的作用，能够提高结构层的抗拉强度并有效分散应力。Ⅰ型土工织物为新型“米”字型网格的复合土工织物，“米”字型网格更有利于各方向均匀受力。Ⅱ型和Ⅲ型为传统的“田”字型网格复合土工织物。与传统的“田”字型网格复合土工织物相比，“米”字型网格的复合土工织物能够更好地应用于不规则开裂的路面。

图1 三种类型的复合土工织物

2 确定黏层油最佳含量

施工过程中，为了提高复合土工织物与上下路面结构层的黏结性，在铺设土工织物前会喷洒黏层油。由于无纺布能够吸附较多的沥青，用于复合土工织物的黏层油的用量要高于常规路面施工时的黏层油用量，且土工织物类型不同，其最佳黏层油用量也不同。

研究采用ASTM D6140方法测试黏层油最佳用量［15］。首先将土工织物裁剪成宽10 cm、长20 cm的方形试件，浸泡于热沥青中30 min，之后悬挂于135益的烘箱内，30 min之后将试件翻转，再过30 min取出试件。通过对比试件质量的变化，确定黏层油用量。每种土工织物测试8个试件。确定的最佳黏层油用量见表1。

表1 三种类型复合土工织物的最佳黏层油用量 L·m原2

3 层间剪切强度

土工织物与沥青面层的黏结性对路面结构的受力状态和使用性能有很大的影响。研究采用直接剪切试验测试黏结面的层间剪切强度。

试件制备过程中，采用旋转压实仪先制备下部沥青混合料试件，然后依照之前测得的最佳黏层油含量喷洒黏层油，放置复合土工织物，最后装入沥青混合料，压实成型。本文只测试了Ⅰ型和Ⅱ型土工织物。

复合型土工织物有两面，一面为无纺布，一面包含玻璃纤维。为了确定土工织物的放置方向，每一种类型的土工织物分别制备无纺布面朝下(用N表示)和玻璃纤维面朝下(用G表示)的复合试件，通过测试层间剪切强度确定土工织物的放置方式。

测试过程中，试件下半部固定于支座上，上半部安装环形钢套(图2)，测试夹具置于力学试验机中，通过力学试验机加载并测试层间剪切强度。

图2 层间剪切实验装置

图3 为剪切试验测试结果。对于同一种材料，玻璃纤维面朝下的土工织物的剪切强度远高于无纺布朝下的试件。Ⅰ型(“米”字网格)土工织物试件的强度高于Ⅱ型(“田”字网格)土工织物试件的强度。

通过观察破坏试件(图4)发现，试件总是沿着有玻璃纤维的一面破坏。这是由于玻璃纤维的表面光滑，与沥青的黏附性较差，因此这一面的抗剪切强度较小。在试件制备和实际施工中，先铺洒黏层油，再铺土工织物，当玻璃纤维面向下时，玻璃纤维、黏层油、沥青混合料之间的黏结较充分;而当玻璃纤维面朝上时，玻璃纤维和沥青混合料之间的黏层油渗入量不足或分布不均，导致玻璃纤维、黏层油、沥青混合料之间的黏结相对较弱，致使玻璃纤维面朝下的抗剪切强度远低于无纺布朝下时的抗剪切强度。

图3 层间剪切强度

图4 试件破坏照片

直接剪切试验的结果表明:相对于传统的“田”字型网格土工织物，新型的“米”字型网格土工织物具有更高的剪切强度;对于2类土工织物，当无纺布面向下放置(直接与黏层油接触)时，黏结层具有更高的抗剪切强度。

4 渗透系数

复合土工织物的主要作用之一是作为密封层阻断水分进入到路面结构内部。对于旧路改造项目，由于原路面已经产生开裂，密封层的作用则更加明显。研究采用ASTM PS129方法测试材料的渗透系数，试验设备如图5所示，计算公式见式(1)。试件的制备过程与剪切强度试验的试件相同，土工织物水平铺设于试件中部。

式中:k为渗透系数(cm·s原1);a为进水管的平均直径(cm2);L为试件平均厚度(cm);A为试件的平均截面积(cm2);t为水头通过高度h1和h2之间的时间(s);h1为t1时刻的水头高度(cm);h2为t2时刻的水头高度(cm);tc为水的黏性修正系数(20益时为1.0)。

图5 渗水系数测试仪

图6 总结了加入不同类型复合土工织物的沥青混合料和原沥青混合料的渗透系数。Maupin的研究结果中建议:密水型路面材料的最大渗透系数为125伊10原3cm·s原1。本研究中所有测试结果都远小于这一推荐值。其中，未加土工织物的沥青混合料的渗透系数为 18.5 伊10原5cm·s原1，加入土工织物后混合料的透水系数下降至2伊10原5cm·s原1左右。Ⅱ型土工织物的透水系数最低。

图6 渗透系数计算结果

分别添加3种土工织物后，沥青混合料的抗渗透性都得到显著提高，不同土工织物的抗渗透效果差异不大。抗渗透性的提高源自无纺布层吸收沥青后形成的不透水层，3种材料使用了同样材质的无纺布，因此3种材料对混合料抗渗透性的提高幅度相近。

5 间接拉伸试验

通过间接拉伸试验(IDT)测试材料的蠕变柔量，蠕变柔量的定义是采用恒定应力加载，在特定加载时间和温度下材料应变与应力的比值，是黏弹性材料的基本力学指标之一。材料的低温蠕变柔量与材料的抗低温开裂性能直接相关。

对于加入3种复合土工织物的沥青混合料和未加土工织物的沥青混合料，分别在20益、原10益和原30益测试其蠕变柔量。图7是测试装置，测试过程中分别在试件的两面沿水平和垂直方向安装2个位移传感器，测试试件沿水平和竖直方向的位移，测试时间为1 000 s。

表2总结了4种材料不同温度和不同时间的蠕变柔量，并取500 s的蠕变柔量进行比较，结果见图8。从图8可以看出，蠕变柔量随温度的降低而显著降低。加入土工织物的沥青混合料蠕变柔量较小，表明在低温时加入土工织物有利于提高材料的低温抗裂性，延缓路面低温开裂;在常温时能够一定程度地降低因下层结构开裂引起的应力集中，延缓反射裂缝的发生。

图7 间接拉伸试验装置

表2 不同时间材料的蠕变柔量GPa原1

图8 500 s各种材料不同温度下的蠕变柔量

6 结语

选取了3种类型的复合土工织物，通过试验确定其最佳黏层油含量，之后通过剪切试验、渗透试验和间接拉伸试验测试了材料的路用性能，得到以下结果。

(1)相对于传统的“田”字型网格复合土工织物，新型的“米”字型复合土工织物具有更高的抗剪切强度;对于2类土工织物，当土工纤维面向下放置(直接与黏层油接触)时，黏结层具有更高的抗剪切强度。

(2)添加3种土工织物后，沥青混合料的抗渗透性显著提高，但不同土工织物的抗渗透效果差异不大。(3)添加土工织物后，沥青混合料的蠕变模量有所降低，有利于提高材料的低温抗裂性，延缓路面低温开裂，并能够一定程度地降低因下层结构开裂引起的应力集中，延缓反射裂缝的发生。

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