黄立葵 ，冯晓东 ，夏爱辉，姜正晖，黄冰

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；
2. 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082；
3. 马克菲尔(长沙)新型支档科技开发有限公司，湖南 长沙 410600；
4. 浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012)

沥青路面建设行业正不断寻求提高施工效率、改善路面性能、节约资源和推进环境管理的方案[1-2]。半刚性基层沥青路面在荷载和温度耦合作用下容易产生反射裂缝，雨水渗入裂缝进一步恶化路面状况[3-4]。为防止和延缓反射裂缝，通常在路面结构中铺设筋材、增加路面结构层厚度、使用改性沥青等，以此增强沥青层的抗疲劳性能[5-8]。土工合成材料是应用最广泛的路面加筋材料，能有效防止沥青路面的反射裂缝，提高沥青路面的抗车辙性能，并在一定程度上减小沥青面层的厚度[9-11]。近年来，钢丝加筋网逐渐受到重视，相比于土工合成材料，钢丝加筋网具有更高的性价比和更好的长期性能[12]。BROWN 等[13]对钢丝加筋网、玻纤格栅、土工布进行了层间剪切试验和疲劳性能试验，表明钢丝加筋网试件层间粘结性能较好，设置钢丝加筋网的沥青层疲劳寿命提高了3倍。AL-QADI 等[14]利用三维有限元分析，证明了钢丝加筋网可以提高沥青加铺层50%～90%的使用寿命。ELSEIFI 等[15]利用有限元模拟Virginia Smart Road 的I和L 路段路面结构，证实钢丝加筋网对路面的抗疲劳性能都有所改善。AHMED 等[16]进行了疲劳试验和永久变形试验，表明钢丝加筋网能提高试件疲劳寿命和抵抗车辙变形的能力。VANELSTRAETE 等[17]对钢丝加筋网、土工织物、玻纤格栅等加筋材料进行了数值模拟和室内试验，表明钢丝加筋网比其他几种材料具有更好的低温抗裂性能。CONI 等[18]采用静力和动力分析方法研究了钢丝加筋网对沥青路面受力性能的影响，表明加筋网能够降低沥青路面的应力应变水平。ROMEO等[19]对设置钢丝加筋网的沥青混凝土试件进行了三点弯曲试验，并利用数字图像技术研究试件中应变变化和损伤分布，表明加筋网能提供更好的抗剪切性能，加筋网与沥青混合料的力学联锁优化了荷载的传递。NARENDRA 等[20-21]通过静载试验得出了钢丝加筋网对基层的荷载改善系数为1.4～1.9，通过直接剪切试验证明了加筋网试件层间剪切强度峰值高于土工格栅试件。查旭东等[22]建立了三维有限元模型，分析发现钢丝加筋网可以提高AC+PCC 复合式路面结构抗开裂能力。MAZZOTTA 等[23]对沥青层层间的钢丝加筋网进行了拉拔试验，证明Ω 型钢丝网在沥青层层间的锚固性能优于直丝型钢丝网。SUKU 等[24]通过静载试验和重复加载试验证实了钢丝加筋网能够分散路面所受压力，减少路面变形，提高路面的使用寿命。TANG等[25]通过车辙试验和冻融劈裂试验，证明了钢丝加筋网试件有很好的抗车辙和抗开裂性能。查旭东等[26]选取钢丝加筋网、自粘式玻纤格栅、钢塑复合土工格栅和聚酯长丝土工布4种材料进行层间加筋试验，发现钢丝加筋网提高试件高温抗车辙性能和低温抗开裂性能效果最好。以往的研究表明，钢丝加筋网可以优化路面结构层间的荷载传递，改善加筋结构力学性能，提高路面抗疲劳和抗车辙性能，然而钢丝网加筋沥青路面的作用机制及影响因素研究甚少。本文选择3种不同规格的钢丝加筋网、玻纤格栅和自粘式应力布共5种材料，通过车辙试验和层间剪切试验，研究不同加筋材料路面结构组合试件的高温抗车辙性能和层间抗剪切性能，通过3 种规格钢丝加筋网试件的拉拔试验，研究钢丝网在路面结构层间的锚固性能，旨在进一步探讨沥青路面层间加筋的行为机理，综合评价不同类型加筋方式对沥青路面层间力学性能的改善效果，为工程应用提供参考。

1.1 材料和准备过程

1.1.1 混合料设计

试验所用SBS 改性沥青技术指标如表1 所示。粗细集料均为石灰岩集料，矿料级配如表2 所示。采用马歇尔法确定混合料沥青用量[27]，AC-13 最佳油石比为4.7%，AC-20 最佳油石比为4.3%。采用标准击实试验和无侧限抗压强度试验，确定水泥稳定碎石水泥剂量为4.5%(42.5号硅酸盐水泥)，混合料最大密度为2.35 g/cm3。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 Technical parameters of SBS modified asphalt

表2 混合料矿料级配Table 2 Mineral aggregate gradations

1.1.2 加筋材料

钢丝加筋网分为3 种：直丝型-L3(φ=3.4 mm)、Ω 型-L2(φ=3.9 mm)、Ω 型-L3(φ=3.4 mm)。玻纤格栅是利用经编工艺制成的网状基材，表面经过了涂覆处理，经、纬向均有很高的抗拉强度和较低的延伸率。自粘式应力布由基布与防水层组成，基布由无碱玻纤纱和聚酯玻纤布定向经编而成，基布的单面覆盖有防水层；
防水层由SBS 改性沥青与EVA 树脂共聚制备而成。5 种加筋材料(图1)技术参数见表3。

表3 加筋材料技术参数Table 3 Properties of reinforced materials

图1 加筋材料Fig. 1 Reinforced materials

1.1.3 试件制备

进行车辙试验和层间剪切试验的I 型组合试件尺寸为300 mm×300 mm×100 mm，结构形式为水泥稳定碎石+加筋材料+AC-13(图2)，采用轮碾成型机压实成型。

图2 I型组合试件Fig. 2 Type I composite specimen

进行拉拔试验的II型组合试件尺寸为150 mm×400 mm×100 mm，采用轮碾成型机压实的板式试件切割而成。结构形式分为水泥稳定碎石+钢丝网+AC-13和AC-20+钢丝网+AC-13(图3)。

图3 II型组合试件Fig. 3 Type II composite specimen

层间黏结剂的种类和用量会影响层间黏结强度[28]。以乳化沥青作为层间黏结剂时，参考JTG F40-2004规范[27]确定乳化沥青用量。实体工程铺设钢丝网的过程中，需要用锚钉或者稀浆封层将加筋网固定在路面结构层上，一般使用锚钉固定钢丝加筋网[12]。为了防止锚钉对试件的破坏，采用热熔性改性环氧树脂202 将钢丝网固定在I 型组合试件下层表面，每块试件环氧树脂用量为40 g，25 ℃固化18 h。不同加筋试件层间处理方式见图4。

图4 不同加筋材料的层间处理Fig. 4 Interlayer processing of different reinforcing materials

1.2 试验方法

试验方法汇总于表4。

表4 试验方法Table 4 Experiment methods

动稳定度(DS)计算公式为：

式中：DS为沥青混合料的动稳定度，次/mm；
d1和d2分别为对应于时间t1和t2的变形量，mm；
C1为试验机类型系数，曲柄连杆驱动加载轮往返运行方式取1.0；
C2为试件系数，试验室制备宽300 mm的试件取1.0；
N为试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。层间剪切强度(S)计算公式为：

式中：S为直剪试验层间剪切强度，MPa；
Pmax为作用在组合试件上最大剪切荷载，N；
A为组合试件受力面面积，mm2。

加筋材料的相互作用系数定义为：在相同的竖向压力下，加筋界面的抗剪强度与未加筋界面的抗剪强度之比，采用式(3)计算加筋材料的相互作用系数[29-30]。

拉拔试验试件两侧使用钢板夹持，利用扭矩扳手在钢板表面施加0.1 N/mm2的约束力，约束试件侧面的螺栓总共4个，平均每个螺栓上施加的垂直压力为1 500 N，试件固定方式如图5所示。

图5 固定试件Fig. 5 Fixed specimen

2.1 车辙试验

车辙试验结果如图6 和图7 所示。5 种加筋材料均提升了组合试件动稳定度，减小了最大车辙深度。加筋试件最大车辙深度由小到大排序依次为Ω 型-L2，直丝型-L3，Ω 型-L3，自粘式应力布和玻纤格栅试件；
与未加筋试件相比，动稳定度相应提高了33%，27%，22%，13%和8%。

图6 加筋试件的动稳定度Fig. 6 Dynamic stability of specimens with reinforced materials

图7 加筋试件的最大车辙深度Fig. 7 Maximum rutting depth of specimens with reinforced materials

加筋材料提升路面结构组合试件抗车辙能力的机理如图8和图9所示。

图8 拉膜效应Fig. 8 Tensioned membrane effect

图9 平面限制效应Fig. 9 Plane confinement effect

1) 拉膜效应：试件表面产生变形时，加筋材料随之变形，其抗拉能力分散了结构上部传来的荷载应力，限制了结合面附近集料的竖向位移。

2) 平面限制效应：钢丝加筋网和玻纤格栅存在网格空间，与上层沥青混合料产生嵌锁作用，网格限制了集料的运动，优化了荷载传递，提高了加筋界面集料塑性流动的阻力。

Ω 型-L2 钢丝网试件的抗车辙性能强于另外2种钢丝网试件，源于Ω 型-L2 钢丝网更高抗拉强度导致更优的“拉膜效应”。钢丝加筋网的抗拉强度虽低于玻纤格栅，但六边形网孔的限制作用要优于正方形网孔[31]，三维网孔结构的钢丝加筋网与集料有更强的嵌锁作用，故钢丝网试件抗车辙能力优于玻纤格栅试件主要是“平面限制效应”所致。玻纤格栅的抗拉强度与自粘式应力布相当，“平面限制效应”均较弱，故2种组合试件抗车辙能力大体相同。

2.2 层间剪切试验

层间剪切强度试验结果如图10 所示，加筋材料的相互作用系数如图11 所示。不同加筋方式对试件层间抗剪强度的影响排序为：直丝型-L3，Ω型-L3，Ω 型-L2，未加筋、玻纤格栅、自粘式应力布。

图10 加筋试件的层间剪切强度Fig. 10 Interface shear strength of specimens with reinforced materials

图11 加筋材料的相互作用系数Fig. 11 Interaction coefficients for reinforced materials

加筋试件层间抗剪能力来源于3 个方面[32-33]：1) 配筋筋面与集料之间的摩阻力；
2) 筋材开口区域集料之间的摩阻力；
3) 因网孔的存在，集料对加筋材料的被动抗剪能力。

加筋土工织物会降低试件层间黏结性能[34-35]，层间接触面的隔离对结构层间抗剪性能产生了不利影响，故玻纤格栅试件和自粘式应力布试件的层间抗剪能力弱于未加筋试件。土工格栅试件的抗剪强度与开口面积比成正比[35]，本次试验选用的土工格栅开口面积比为68%。自粘式应力布则分隔了上下层接触面，故其试件层间抗剪强度最低。钢丝网开口面积比为93%，未进行层间固定的钢丝网也会略微降低试件层间黏结性能，未固定的直丝型钢丝网相互作用系数为0.997[26]，固定后的直丝型钢丝网相互作用系数为1.17，固定后的钢丝网与试件上层集料有很好的嵌锁作用，体现在钢丝网的“被动抗剪”能力较好(作用机理见图12)，故钢丝加筋网试件的层间剪切强度明显高于未加筋试件。由于Ω型驼峰的存在，Ω型加强钢丝开口区域上下层集料之间的接触面积较直丝型略小，Ω型钢丝网相互作用系数稍低于直丝型钢丝网，但3种钢丝加筋网的相互作用系数差异较小。

图12 钢丝网的被动抗剪Fig. 12 Passive shear resistance of reinforced mesh

2.3 拉拔试验

组合试件层间横向加强钢丝的最大拉拔力如图13 所示。直丝型钢丝在基层-面层、面层-面层间的最大拉拔力都很低。Ω型钢丝的最大拉拔力远远高于直丝型钢丝，Ω 型-L2 钢丝的最大拉拔力高于Ω 型-L3 钢丝，设置于基层-面层、面层-面层间的Ω 型-L2 钢丝最大拉拔力分别是Ω 型-L3 钢丝的1.15倍、1.28倍，说明较大直径的加强钢丝增加了钢丝与结构层的接触面积，提升了钢丝网的锚固性能。

图13 加强钢丝最大拉拔力Fig. 13 Maximum pulling force of reinforced bar

横向加强钢丝在2种路面结构层间的拉拔变形曲线如图14 和图15 所示。同种钢丝网在基层-面层间和面层-面层间的拉拔力-位移曲线趋势相似。直丝型钢丝的变形曲线呈现先上升后下降的趋势，且拉拔力一直处于很低的状态。Ω型钢丝的变形曲线呈现先快速上升然后稳定发展的趋势，拉拔力一直处于较高的状态。

图15 试件II-2变形曲线Fig. 15 Deformation curves for specimen II-2

在小变形阶段(1～5 mm)，加强钢丝拉拔变形曲线如图16和图17所示。选取该阶段变形率(变形曲线的趋势线斜率)来衡量钢丝加筋网的稳定锚固性能，变形率平均值如图18 所示。直丝型钢丝在位移达到3 mm 之前，抗拉拔强度开始下降，变形率为负值；
Ω 型钢丝变形率均超过了200 N/mm。可见直丝型钢丝网的锚固稳定性差，2 种Ω 型钢丝网的锚固稳定性较好。

图16 试件II-1 1～5 mm变形曲线Fig. 16 Deformation curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-1

图17 试件II-2 1～5 mm变形曲线Fig. 17 Deformstion curves ranged from 1 mm to 5 mm for specimen II-2

图18 1～5 mm区间变形率Fig. 18 Slope of the linear interpolation from 1 mm to 5 mm

拉拔试验中，加强钢丝的Ω 型驼峰逐渐趋于平缓，靠近拉拔力源处的驼峰变形更加明显。Ω型钢丝网抗拉拔的受力机理见图19。Ω 型钢丝网优良的锚固性能来源于：1) 钢丝长度的增加提高了横向加强钢丝在结构层间的摩阻力；
2) 钢丝网的受力变形使Ω 型驼峰受到了周边材料的正压力，提高了钢丝与层间材料之间的摩阻力；
3) 施加拉力后，Ω型驼峰“端部承压”作用，增大了Ω型钢丝的抗拉拔力。

图19 Ω型驼峰的受力机理Fig. 19 Functional mechanism of hump bars

1) 布设于沥青路面面层-基层之间的钢丝网、玻纤格栅、自粘式应力布，对提高结构抗车辙能力都有积极的影响；
因其“平面限制效应”，钢丝加筋网与集料有更强的嵌锁作用，抗车辙能力显著改善。

2) 布置于沥青路面面层-基层之间钢丝网，因其与集料间的嵌锁致使钢丝网具有良好的“被动抗剪”作用，改善了结构层间抗剪能力；
自粘式应力布和玻纤格栅因层间接触面的隔离作用，对界面抗剪强度有不利影响。

3) 设置于基层-面层、面层-面层间的Ω 型加强钢丝的抗拉拔能力和锚固稳定性比直丝型钢丝大大提高；
增大加强钢丝直径也能提升Ω 型钢丝网的层间锚固性能。

4) Ω 型驼峰显著提高钢丝网在路面结构层间的锚固性能，主要源于Ω 型钢丝网受力变形后，提高了钢丝与层间材料之间的摩阻力和Ω 型驼峰的“端部承压”作用。

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