玻璃纤维土工格栅在城市道路建设改造中的应用

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发布时间：2011-02-25 11:44:36  更新时间：2011-02-25 11:44:36

副标题#e#【摘要】本文阐述了玻璃纤维土工格栅在城市道路建设中的应用，着重分析了玻璃纤维土工格栅的理化性能、在城市道路的作用机理，列出了玻璃纤维土工格栅的性能，并介绍了玻璃纤维土工格栅在城市道路建设中应用的施工工艺。
　　【关键词】玻璃纤维土工格栅，反射裂缝
　　一、前言
　　随着城市道路交通量和汽车载重量的增大，城市道路的负荷日益加重，路面开裂的现象时有发生，对道路的养护和改造显得尤为重要。道路的改造可采用裂缝填补，稀浆封层，石屑封层。沥青薄层罩面，玻璃纤维土工格栅等方法。其中较为引人注目的，当属玻璃纤维土工格栅（以下简称玻纤格栅）。土工格栅在公路路面改建中的应用研究是国际领先和国内首创的应用技术，这种新材料、新工艺的研究成果，主要解决了沥青混凝土路面在改建过程中不设底基层的工程难题，有效地提高了路面的整体强度和刚度，延缓路面反射裂缝的出现，增加路面疲劳寿命，耐高温车辙，抗低温收缩开裂，从而大大降低工程投资。
　　二、玻璃纤维土工格栅特性
　　玻璃纤维土工格栅是以增强后的无碱玻璃纤维网布为基材经表面涂覆处理而成的半刚性制品，是一种增强道路路面性能的新型优良土工基材。玻璃纤维的主要成分属硅酸盐，是一种理化性能极其稳定的材料。它具有很高的耐热性和优异的耐寒性（一般工作温度为-100~280℃），强度大、模量高、化学稳定性好、耐腐蚀、膨胀系数低、尺寸稳定性好等特点。经表面改性并涂覆处理后，改变了玻璃纤维的表面性能，提高了其同沥青的复合性能，极大提高了该基材的耐磨性能及抗剪切能力。
　　（一）高抗拉强度、低延伸率——玻纤格栅是以玻璃纤维为原料，而玻璃纤维的强度较高，超过了其它纤维和金属。同时它的模量很高，具有很高的抗变形能力，断裂延伸率小于3%。
　　（二）无长期蠕变——作为增强材料，具备在长期荷载的情况下抵抗变形的能力即抗蠕变性是极为重要的，玻璃纤维不会发生蠕变，这保证产品能够长期保持性能。
　　（三）热稳定性——玻璃纤维的熔化温度在1000℃以上，这确保了玻纤格栅在摊铺作业中承受热的稳定性。
　　（四）与沥青混合的相容性——玻纤格栅在后处理工艺中涂覆的材料是针对沥青混合料设计的，每根纤维都被充分涂覆，与沥青具有很高的相容性，从而确保了玻纤格栅在沥青层中不会与沥青混合料产生隔离，而是牢固的结合在一起。
　　（五）物理化学稳定性——经过特殊后处理剂进行涂覆处理后，玻纤格栅能够抵抗各类物理磨损和化学侵蚀，还能抵御生物侵蚀和气候变化，保证其性能不受影响。
　　（六）集料嵌锁和限制——由于玻纤格栅是网状结构，沥青混凝土中的集料可以贯穿其中，这样就形成了机械嵌锁。这种限制阻碍了集料的运动，使沥青混合料在受荷载的情况下能够达到更好的压实状态，更高的承重能力，更好的荷载传递性能及较小的变形。
　　三、玻纤格栅作用机理
　　玻纤格栅具有上述特点，当它应用于城市道路建设时，可以在以下几方面发挥重要作用。
　　（一）减缓沥青面层反射裂缝。
　　防止和控制反射裂缝是沥青面层设计的重点。由于水泥混凝土路面是刚性路面，同时具有接缝设计，因此旧水泥混凝土路面接缝和裂缝更容易导致沥青罩面层内反射裂缝的出现。而在新建道路中，半刚性基层温缩开裂和干缩开裂是引起反射裂缝的主要原因，产生的裂缝导致沥青罩面层内反射裂缝的出现。在此将以旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层设计为例，谈谈玻纤格栅减缓反射裂缝的作用机理。
　　反射裂缝是由于旧混凝土面层在接缝或裂缝附近的较大位移引起其上方沥青加铺层内出现应力集中所造成的，它包括因温度和湿度变化而产生的水平位移，以及因交通荷载作用而产生的竖向剪切位移。前者导致接缝或裂缝上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力；后者则使接缝上方的沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。
　　美国沥青协会（AI）认为旧混凝土面层接缝或裂缝处的弯沉量和弯沉差是引起沥青加铺层反射裂缝的主要原因，因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位移的速率。因此，控制反射裂缝应主要采用降低接缝或裂缝处的弯沉量和弯沉差以及增加加铺层弯拉强度和剪切强度的措施。
　　由于玻纤格栅的模量很大，达到67Gpa，作为刚度大的硬夹层应用在沥青罩面层中，其作用是抑制应力，释放应变，同时作为沥青混凝土加筋材料，提高加铺层结构的抗拉和抗剪能力，从而达到减少裂缝的目的。实践表明，一条改变了方向的水平裂缝的对应裂缝能量可从其起点移动0.6米，1.5米以上宽度的加筋材料有助于确保能量在裂缝两侧完全消散。玻纤格栅对于降低加铺层内因温度下降引起的应力和应变作用不如橡胶沥青应力吸收夹层、土工织物等软夹层，但对于降低荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。
　　玻纤格栅近年来发展迅速，并广泛应用于沥青路面，尤其是用在沥青罩面层用来减缓反射裂缝。加拿大AM大学的Texas交通学院用其特有的罩面试验仪对玻纤格栅加筋罩面做了大量的模拟温度循环效果的疲劳试验，试验表明，加筋的沥青试件其抗裂能力要比未加筋的试件高二倍以上。澳大利亚新南威尔士州伍伦贡市政局曾对玻纤格栅、聚丙烯格栅、土工织物及厚沥青混凝土罩面层等控制反射裂缝的产品进行了现场对比试验，结论是玻纤格栅铺设方便，控制反射裂缝效果最为显著，且造价适中，因而建议推广应用。
　　由于玻纤格栅对沥青罩面层的加筋作用，因而可以在有效控制反射裂缝的前提下，减小沥青罩面层的厚度（与不加铺玻纤格栅相比），降低造价，从而取得较好的经济效益。
　　（二）抗疲劳开裂
　　在旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层，其主要作用是提高路面的使用功能，对承载作用则贡献不大，加铺层下的刚性混凝土路面仍起关键的承载作用。而在旧沥青混凝土路面上进行沥青罩面则不同，沥青加铺层将与旧沥青混凝土路面一起承载。因此，在沥青混凝土路面上进行沥青罩面，除了会出现反射裂缝，同时还会因为荷载的长期作用而出现疲劳开裂。我们对旧沥青混凝土路面上的沥青加铺层受荷情况做受力分析：由于沥青罩面层下为与沥青罩面层同一性质的柔性面层，当受到荷载作用时，路表将发生弯沉。在直接与车轮接触的沥青罩面层受到压力，在轮载边缘以外的区域，面层受到拉力作用，由于两处受力区域所受力性质不同，而又彼此紧靠，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，发生疲劳开裂。
　　玻纤格栅在沥青罩面层中，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罩面层的破坏。同时玻纤格栅的低延伸率减小了路面的弯沉量，保证了路面不会发生过渡变形。
　　（三）耐高温车辙
　　沥青混凝土在高温时具有流变性，具体表现在：夏季沥青道路面层发软、发粘；在车辆荷载作用下，受力区域产生凹陷，车辆荷载撤除后沥青面层无法完全恢复至受荷前的状况，即产生了塑性变形；在车辆的反复碾压的作用下塑性变形不断积累，形成车辙。我们对沥青面层结构进行分析后，可以知道由于高温下沥青混凝土具有流变性，而在受到荷载时，面层中没有任何可以约束沥青混凝土中集料运动的机制，造成沥青面层的推移，这就是形成车辙的主要原因。
　　在沥青罩面层中使用玻纤格栅，其在沥青面层中起到骨架作用。沥青混凝土中集料贯穿于格栅间，形成复合力学嵌锁体系，限制集料运动，增加了沥青罩面层中的横向约束力，沥青面层中各部分彼此牵制，防止了沥青面层的推移，从而起到抵抗车辙的作用。
　　（四）抗低温收缩开裂
　　严#p#副标题#e#寒地区的沥青道路，冬季面层温度接近于气温，在这样的温度条件下，沥青混凝土遇冷收缩，产生拉应力。当拉应力超过沥青混凝土拉伸强度时，产生裂纹，在裂纹集中的地方产生裂缝，形成病害。从裂纹的成因看，如何使沥青混凝土强度抵抗住拉应力是解决问题的关键。
　　玻纤格栅在沥青罩面层中的应用，使得沥青混凝土的拉伸强度大大提高，可以抵抗住较大的拉应力而不致发生破坏。另外，即使因为局部区域产生裂纹，使裂纹发生处的应力过于集中，但经玻纤格栅的传递而逐渐消失，裂纹不再会发展成裂缝。
　　四.玻纤格栅在城市道路建设改造中的应用
　　（一）水泥路面的改造
　　我国在十几年前的城市建筑中建造了大量的水泥混凝土路面，曾经在城市建设中发挥了巨大作用。随着城市的发展，水泥混凝土路面的使用寿命已到，行车，维修等缺点日益突出，故许多城市都逐步对此路面进行改造，而水泥混凝土路面加铺玻璃纤维土工格栅后进行沥青罩面是较为经济迅速的一种方法。它能起到抑制水泥混凝土路面纵缝，缩缝等裂缝的反射作用，提高改建路面的抗反射裂缝能力，在水泥混凝土改变成沥青混凝土路面的过程中发挥着积极作用。
　　（二）旧沥青混凝土路面的改造
　　由于沥青混凝土路面的寿命较水泥混凝土路面短，特别是低等级的沥青混凝土路面的寿命更短，加之城市车流日益增加，国产沥青质量的良莠不齐等原因的影响，使得沥青混凝土路面的使用时间缩短。除了对路面进行日常养护外，沥青罩面也是改善老沥青混凝土路面较为有效的手段之一，特别是在面层破坏严重，低等级道路的改造中，在沥青罩面前加铺玻璃纤维土工格栅，可以降低养护费用和延长老路的使用寿命.
　　（三）不良地基和新旧路接缝处的应用
　　由于玻璃纤维土工格栅有着长期荷载作用下的抗变形能力及特殊的拉升作用，在不良地基如土方路基施工中软弱地基的处理中起到类此钢筋网的作用，保证路基承载能力，减少土方工程量。在城市道路改造中，新旧路衔接处，采用玻璃纤维土工格栅覆盖，再配以其他方法处理，可以有效的解决该部分的裂缝发生。
　　五．工程实例
　　（一）工程应用概况
　　2008年-2009年常州市建设局组织了BRT快速公交系统的建设工程。该工程全长27km，除有约7km为新建道路外，其余均为对原有老道路进行拓宽、加固和沥青罩面的处理，涵盖了新老路面搭接、局部不良地基改造、旧沥青路面裂缝处理、车辙处理等各种情况，很具有代表性。
　　（二）施工
　　1．处理旧路面
　　在玻纤格栅铺设前，应对旧路面进行病害处理，并用机械铣刨6cm旧沥青，旧路面接缝应进行重新封缝，在玻纤格栅铺设前，进行清理，并进行交通管制。
　　2．浇洒粘层沥青
　　为了使玻纤格栅与原路面保持良好粘接，并能满足沥青混凝土机械化摊铺的要求，必须在原路面上浇洒粘层沥青。在洒布粘层沥青后，待粘层沥青已破乳或凝结时，应立即进行玻纤格栅的铺设。如果情况特殊，也可先铺设玻纤格栅，再浇洒粘层沥青，然后在玻纤格栅上适量均匀地撒一些细粒石屑，再用轻型胶辊压路机在其上作适度碾压。
　　3．铺设玻璃纤维土工格栅
　　（1）目前常用的玻纤格栅有带自粘胶和不带自粘胶两种。带自粘胶的可直接在已平整的旧路面上铺设，不带自粘胶的，通常采用钉子固定法。固定用所需材料为：
　　○130×30×0.3毫米的铁皮，要求平整不翘角。
　　○22英寸钢钉或射钉（优质水泥钉）
　　钉子固定法铺设玻纤格栅时，先将一端用铁皮和钉子固定在已洒布粘层沥青的下层结构上，钉子可用锤击或射钉枪射入，再将格栅纵向拉紧并分段固定，每段长度为2-5米。对于水泥混凝土路面，可按缩缝间距分段，钢钉位置设于接缝处。要求格栅拉紧时玻纤格栅纵横向均处于挺直张紧状态。
　　（2）土工格栅搭接距离为：纵向接头搭接距离不小于20厘米，横向搭接距离不小于15厘米。纵向搭接应根据沥青摊铺方向将前一幅置于后一幅之上。
　　（3）固定玻纤格栅时，不能将钉子钉于玻纤上，也不能用锤子直接敲击玻纤。固定后如发现钉子断裂或铁皮松动，则应予以重新固定。
　　（4）玻纤格栅铺设固定完毕后，需用轻型胶辊压路机适度碾压稳定，使格栅与原路面粘结牢固。并严格控制车辆在其上行驶，严禁车辆在格栅层上急转向、急刹车和倾倒混合脚料，以防止对玻纤格栅造成损伤或破坏。
　　4．铺筑沥青罩面层并碾压成型
　　（1）沥青混合料的摊铺必须在确认玻纤格栅铺设良好并能满足沥青混合料摊铺进度后方可进行。
　　（2）在玻纤格栅上铺设沥青混合料时，沥青层最小厚度为4cm。沥青混合料的拌制、运输、摊铺和压实均应符合现行《公路沥青路面施工技术规范》和《公路发生沥青路面施工技术规范》的规定和要求。就实际施工情况看，玻纤格栅不宜直接铺设于沥青面层细料下方，铺设与中料或粗料下使用效果较好。
　　（3）沥青混合料摊铺应及时，并应防止摊铺机的找平小车等金属构件损坏已铺设的玻纤格栅。
　　（三）效果
　　BRT项目工程完工通车后，经过对玻纤土工格栅使用情况的观察，特别是对老路面裂缝维修后加铺罩面层沥青的观察，效果十分明显，在原有每公里达到40—50道裂缝的路段，未发现路面出现病害，老路面裂缝基本不反射到新路面上，玻纤土工格栅在整个工程上的使用取得了预期的效果。
　　六、结语
　　玻璃纤维土工格栅是近年来发展迅速的一种增强沥青路面性能的新型土工合成材料。由于玻纤格栅应用于道路施工中能有效增强路面的结构强度，抵抗各类裂缝的产生，特别是有效控制反射裂缝的产生，施工简单易行，效果持久可靠，可提高沥青路面的质量，延长路面使用寿命，减少道路养护费用，从而提高了道路运行的综合效益，因而不但被广泛应用于在旧路面上的沥青罩面中，也应用于在半刚性基层之上铺设沥青混凝土面层防止基层裂缝反射。同时，由于在沥青罩面中使用了玻纤格栅，可以根据各自不同的情况减少沥青罩面层的厚度，具有明显的经济价值。此外，由于玻纤格栅理化性能极其稳定，不受气候条件及使用环境的限制，因此具有很高的推广价值。