秦鹏成， 邓长青， 周翔， 邵生俊， 张会

(1.中国电子工程设计院有限公司 河南分公司，河南 郑州 450007；2.河南众典元素电子工程咨询有限公司，河南 郑州 450007;3.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)

城市道路旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层，形成复合路面结构是旧路改造(白改黑)[1-3]的一种常见的方法，该法可以有效提高行车安全度和舒适度、道路耐久性及街景景观效果。然而，在实际情况中，受道路沿线地块标高限制，加铺层厚度往往较薄，沥青加铺层与旧水泥混凝土面板之间存在明显的弹性模量差异以及循环荷载、温度梯度和湿度梯度等引起的应力和应变差异，水泥混凝土接缝和裂缝处容易出现应力集中，导致沥青面层出现反射裂缝、车辙病害，防治反射裂缝和抗车辙成为旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层研究的关键技术难题。

防治反射裂缝技术研究主要分两个方向：一是抵抗应力集中引起的反射裂缝，其代表技术为添加土工合成材料技术[4-7]；二是释放吸收接缝处的应力和应变，减缓或阻止裂缝向上扩展、贯通，该技术被称为应力吸收类防治反射裂缝技术[8-12]，代表技术为加铺橡胶沥青或改性沥青碎石封层、改性沥青砂应力吸收层、大孔隙沥青稳定碎石裂缝缓解层、大孔隙水泥稳定碎石裂缝缓解层[13]。对于以上防治反射裂缝的代表技术，其中关于土工合成材料技术和应力吸收类夹层技术的研究比较成熟，实际应用较多，但土工格栅的材料刚度大，在其上行车容易引起应力集中，出现局部应力过大的情况；应力吸收类夹层使加铺层厚度增厚，增加投资，对于竖向高程受限制的路面不宜采用该技术。因此，需设计一种新型路用夹层系统来克服这些缺点。

钢丝网夹层系统是一种新型路面夹层系统，其中钢丝的抗拉强度很高，沥青混凝土混合料的抗拉强度较低，钢丝网能够弥补沥青混凝土混合料受拉破坏开裂的缺陷，提高了其路用性能。目前，对于焊接钢丝网路面夹层系统的研究较多，但焊接钢丝网在摊铺、碾压定位过程中容易弯扭，焊接处易出现折断、失稳，表面易受到侵蚀，其路用效果不太理想。机编镀锌钢丝网夹层系统很好地解决了焊接钢丝网在路用中的缺陷。目前，国内关于钢丝网夹层系统的研究多处于初期探索阶段，关于其路用性能的理论依据不成熟，现有的多是基于有限元数值模型的研究结果，例如黄旭等经分析研究知，当合理的铺设层位于沥青面层下基层上时具有很好的路用性能[14]；潘志歆将机编钢丝网等效成薄钢带，用数值模型分析了加筋后的沥青路面复合结构的行车荷载影响和温度应力变化[15]。基于有限元数值模型研究的初始条件与边界条件理想化因素多，使其研究结果不符合实际情况。目前，关于机编镀锌钢丝网夹层系统的路用性能，基于室内试验和现场试验的研究较少。本文以疲劳破坏理论、断裂力学及弹性层状理论为基础，通过试验手段，研究双绞合钢丝加筋网夹层系统的路用性能，如在提高沥青加铺层防反射裂缝和抵抗横向剪切破坏方面的能力。

1 双绞合钢丝加筋网

双绞合钢丝加筋网是由经防腐处理的钢丝(网面钢丝、边端钢丝)由机械编织而成的双绞合六边形金属网[16]，并在其中沿网面横向以一定间距布置较粗的钢丝(金属棒)，以加强钢丝网的横向连接强度及网面整体刚度和整体性。其中的钢丝均经过热镀锌防腐处理，以延长双绞合钢丝网的使用年限及提高材料的耐久性能。

双绞合钢丝加筋网如图1所示，图中网孔规格为8 cm×10 cm[16]，规格尺寸D是两个双绞线钢丝轴心之间的距离，H是同轴相邻六边形起点的间距。双绞合钢丝的横向抗拉强度不小于24 kN/m，纵向抗拉强度不小于28 kN/m。具体规格值见表1。

表1 双绞合钢丝加筋网网孔规格

2 研究方案

基于力学研究理论，结合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)的试验方法[17]，研究双绞合钢丝加筋网应用于沥青加铺层的情况，研究其对抵抗荷载型反射裂缝和温度型反射裂缝及抗车辙的力学性能。

在相同条件下，通过比较分析未加筋夹层系统和自粘式玻纤格栅夹层系统的沥青加铺层的力学、变形情况，来说明双绞合钢丝加筋网的良好路用性能。

其中，玻纤格栅夹层系统的玻纤格栅采用改性沥青表面处理，耐腐蚀性符合《公路土工合成材料应用技术规范》(JTG/TD 32—2012)的要求，达到优异标准，具体技术指标见表2。

表2 玻纤格栅的技术指标

旧水泥混凝土面板加铺沥青面层的路用性能研究的试验方案见表3。

表3 旧水泥混凝土面板加铺沥青面层的路用性能研究的试验方案

3 防治荷载型反射裂缝性能的研究

分析表3中3种夹层系统在车辆循环荷载作用下，水泥混凝土路面板引起反射裂缝(裂缝、接缝)的扩展情况及抵抗能力，研究未加筋、玻纤格栅、双绞合钢丝加筋网对沥青混凝土混合料加铺层的抗疲劳性能，依据意大利马克菲尔公司研究荷载型反射裂缝的试验方法进行荷载弯曲试验。

3.1 循环荷载作用次数与反射裂缝扩展深度的关系

荷载型弯曲试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)[17]，在实验室预制未加筋沥青混凝土混合料加铺层试样梁(简称未加筋试样)、玻纤格栅加筋沥青混凝土混合料加铺层试样梁(简称玻纤格栅试样)及双绞合钢丝加筋网沥青混凝土混合料加铺层试样梁(简称双绞合钢丝加筋网试样)，试样梁尺寸：长×宽×高=400 mm×200 mm×120 mm[18](这个尺寸与文献[17]的尺寸不同，原因是容易制样和试验效果更好)，基层水泥混凝土面板预留接缝，接缝深度10 mm。按文献[17]的试验方法进行沥青混凝土混合料加铺层试样梁弯曲试验，研究沥青混凝土混合料加铺层试样梁在循环荷载作用下其反射裂缝扩展深度，梁荷载弯曲试验结果如图2所示。

图2 循环荷载作用次数与反射裂缝扩展深度的关系

根据图2所示结果分析知：未加筋试样、玻纤格栅试样及双绞合钢丝加筋网试样的荷载型裂缝扩展深度均随循环荷载作用次数的增加而增加；循环荷载作用次数增加到一定程度时，荷载型裂缝扩展深度不再增加，出现疲劳破坏。由图2也可以看出，在相同循环荷载作用次数下，未加筋试样的反射裂缝的扩展深度相对最大，玻纤格栅试样的其次，双绞合钢丝加筋网试样的反射裂缝的扩展深度相对最小。

3.2 荷载型疲劳破坏时循环荷载作用次数与反射裂缝扩展深度的关系

当试验机的裂缝深度记录仪记录的裂缝深度值随着循环荷载作用次数的增加保持不变，即裂缝深度不再继续扩展时，即认为试件破坏。未加筋试样、玻纤格栅试样及双绞合钢丝加筋网试样在循环荷载作用下疲劳破坏时的反射裂缝深度如图3所示。

图3 荷载型疲劳破坏时循环荷载作用次数与反射裂缝扩展深度的关系

从图3中可以看出：当未加筋试样受循环荷载作用次数达3×105次时，该试样出现疲劳破坏，反射裂缝扩展深度为56 mm；当玻纤格栅试样受循环荷载作用次数达4×105次时，该试样出现疲劳破坏，反射裂缝扩展深度为85 mm；当双绞合钢丝加筋网试样受循环荷载作用次数达9×105次时，该试样出现疲劳破坏，反射裂缝扩展深度为39 mm。

由上述结果可知：双绞合钢丝加筋网试样出现荷载型疲劳破坏时，抵抗循环荷载的作用次数相对最多，路用相对最安全，路用耐久性相对最好，使用寿命相对最长，路用效果相对最好。

4 防治温度型反射裂缝性能的研究

为了研究未加筋加铺层沥青路面、玻纤格栅加铺层沥青路面、双绞合钢丝加筋网加铺层沥青路面防治温度型反射裂缝的性能，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)[17]的沥青混凝土混合料线收缩系数试验方法，结合比利时道路研究中心(Belgium Center for Road Research，BRRC)温度开裂试验的经验[19]，进行夹层系统路用时温度型反射裂缝的扩展试验研究。

4.1 基层裂缝张开和闭合循环作用时间与温度型反射裂缝扩展深度的关系

按照文献[17]的试件制取方法制取未加筋试样、玻纤格栅试样、双绞合钢丝加筋网试样，在-10 ℃的水泥混凝土路面板基层裂缝(包括接缝)张开与闭合循环作用下，对加铺层沥青面层反射裂缝扩展情况进行研究，结果如图4所示。

图4 -10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用时间与温度型反射裂缝扩展深度的关系曲线

由图4可知：温度型反射裂缝扩展深度均随-10 ℃的基层裂缝张开与闭合循环作用时间的增加而增加。在相同温度和基层裂缝张开与闭合循环作用时间下，未加筋试样的温度型反射裂缝扩展深度相对最大，玻纤格栅试样的温度型反射裂缝扩展深度位居其次，双绞合钢丝加筋网试样的温度型反射裂缝扩展深度相对最小，且在试验期间，双绞合钢丝加筋网试样的温度型反射裂缝几乎没有扩展或者出现，说明双绞合钢丝加筋网对防治温度型反射裂缝的效果相对最佳。

4.2 温度型疲劳破坏时基层裂缝张开和闭合循环作用时间与反射裂缝扩展深度的关系

未加筋试样、玻纤格栅试样及双绞合钢丝网试样在-10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用下疲劳破坏时的反射裂缝深度如图5所示。

图5 疲劳破坏时-10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用时间与温度型反射裂缝扩展深度的关系

从图5中可以看出：未加筋试样在-10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用4.8 h时达到疲劳破坏，该试样疲劳破坏时温度型反射裂缝的扩展深度为6.6 cm；玻纤格栅试样在-10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用45 h时达到疲劳破坏，该试样疲劳破坏时温度型反射裂缝的扩展深度为2.51 cm；双绞合钢丝加筋网试样在-10 ℃的基层裂缝张开和闭合循环作用45 h时达到疲劳破坏，该试样疲劳破坏时温度型反射裂缝的扩展深度为0.19 cm；达到疲劳破坏时，双绞合钢丝加筋网试样抵抗反射裂缝扩展的效果相对最好。

5 动稳定度性能研究

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)[17]进行表3中3种夹层系统方案的抗车辙试验，测定双绞合钢丝加筋网沥青混凝土混合料加铺层的高温稳定性，并与未加筋加铺层、玻纤格栅加铺层在相同变形条件下承受荷载能力的差异情况进行对比分析。

采用轮碾成型机制作的长×宽×厚=30 cm×30 cm×5 cm的标准板块试件，控制条件温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa。板块试件按文献[17]的操作步骤安装就位后，开动车辙变形自动记录仪，启动车辙试验机，试验轮往返行走1 h时停止试验，根据车辙自动记录的变形曲线分别读取试验轮往返行走t1=45 min和t2=60 min时的车辙变形d1(mm)和d2(mm)，按下式计算3种夹层系统方案试件的动稳定度DS(次/mm)：

式中：C1为试验机类型修正系数；C2为试件系数；N为试验轮往返碾压速度，取24次/m。

具有双绞合钢丝加筋网加铺层、未加筋加铺层及玻纤格栅加铺层3种夹层系统的试件在试验温度60 ℃环境下，混合料每产生1 mm变形时所承受标准轴载次数即动稳定度如图6所示。

图6 不同加铺层试件的动稳定度关系

从图6中可以看出，未加筋加铺层试件的动稳定度为1 000次/mm；玻纤格珊加铺层试件的动稳定度为2 500次/mm，约为未加筋加铺层试件的2.5倍；双绞合钢丝加筋网加铺层试件的动稳定度为2 800次/mm，约为未加筋加铺层试件的2.8倍，约为玻纤格栅加铺层试件的1.12倍。由此可以看出，双绞合钢丝加筋网加铺层试件承受荷载作用的能力强，承受荷载作用的次数相对最多，抗车辙效果好，高温稳定性相对最优。

6 结语

1)通过对城市道路夹层系统的路用性能之荷载型反射裂缝的研究，得到以下结论：随着循环荷载作用次数的增加，双绞合钢丝加筋网加铺层的荷载型反射裂缝的扩展深度也随着增加。相同循环荷载作用次数下，双绞合钢丝加筋网加铺层的荷载型反射裂缝扩展深度相对最小，路用效果相对最好，路用性能相对最佳；未加筋加铺层的荷载型反射裂缝扩展深度相对最大；玻纤格栅加筋加铺层的荷载型反射裂缝扩展深度居中。双绞合钢丝加筋网加铺层出现荷载型疲劳破坏时，较玻纤格栅加筋加铺层、未加筋加铺层抵抗循环荷载作用的次数相对最多，所以双绞合钢丝加筋网加铺层路用时相对最安全。

2)通过对城市道路夹层系统的路用性能之温度型反射裂缝的研究，得到以下结论：双绞合钢丝加筋网加铺层随着低温下基层裂缝温缩与温涨循环作用时间的增加，温度型反射裂缝的扩展深度也随着增加。在相同作用时间条件下，双绞合钢丝加筋网加铺层的温度型反射裂缝扩展深度相对最小，路用效果相对最好，路用性能相对最佳；未加筋加铺层的温度型反射裂缝扩展深度相对最大；玻纤格栅加筋加铺层的温度型反射裂缝扩展深度居中。双绞合钢丝加筋网加铺层出现温度型疲劳破坏时，较未加筋加铺层的基层裂缝张开和闭合循环作用时间多，与玻纤格栅加筋加铺层的基层裂缝张开和闭合循环作用时间相同，但其温度型反射裂缝扩展深度最小。

3)双绞合钢丝加筋网加铺层的动稳定度相对最大，抗车辙能力和高温稳定性相对最好。

综上所述：双绞合钢丝加筋网夹层系统对防治荷载型、温度型反射裂缝及抗车辙、高温稳定方面具有很好的路用性能，文中定量化的力学研究成果为进一步指导实践提供了理论支撑。