玻璃纤维格栅在水泥混凝土路面改造中的应用

1．概述

      水泥混凝土路面具有强度高，能适应重载、高速繁密的运输要求等特点，在国内城市道路、公路上应用较广。水泥混凝土路面受行车荷载、环境等因素的影响，会发生断裂、错台等形式的损坏，严重影响行车的舒适性和安全性。加铺沥青罩面是一种能改善其使用性能的有效措施，但由于行车及气温等因素的影响，在沥青加铺层中容易出现反射裂缝，导致其寿命缩短。国内外防治反射裂缝的研究表明，加铺格栅可起到减薄沥青层厚度，降低旧路面裂缝的反射作用，从而延长加铺层的使用寿命等作用。

      上世纪八十年代，英国NETLON公司开始研究塑料格栅的路用性能，并逐步推广应用。这种格栅具有两种功能：一是提高沥青结构层的强度，具有长期抵抗拉应力的能力；二是使应力分布更加均匀，减轻沥青结构层的徐变作用，最终达到防止沥青路面开裂的目的。

      1992年北京市公路局设计研究院结合八达岭公路水泥混凝土路面大修，采用金属网加筋沥青混合料结构修筑了500m试验段，经检验，使用效果较好。1993年哈尔滨建筑工程学院道路研究所提出了《塑料网格在柔性路面结构工程中的应用》的研究报告，对室内外试验进行了详细地阐述，并提出了相应的施工工艺。长沙交通学院也对塑料格栅进行了室内研究，提出了《土工格栅对沥青路面抗车辙、抗开裂性能的试验研究》研究报告。北京市政设计院对加拿大贝密尔斯有限公司生产的自粘式沥青路面加劲网格进行了室内试验，取得了良好的结果。

      2．沥青加铺层裂缝产生原因分析

       在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层是一种特殊的路面结构，其应力应变特性与一般弹性层状体系有较大的差别。

      (1)由于接缝、裂缝的存在，旧水泥混凝土路面作为基层的整体强度降低，而且在外力作用下，沥青加铺层处于三维应力状态。车辆通过不连续的板体时，因为接缝、裂缝两侧相邻板块产生竖向反射裂缝位移差，沥青加铺层在相应位置出现较大的剪切应力，这种剪切应力是沥青加铺层产生反射裂缝的主要原因。通常把这种裂缝称作荷载型反射裂缝。

      (2)因路面暴露在大气中，受气温周期性变化的影响，沥青加铺层和旧水泥混凝土面板发生缩胀，产生温度应力。由于旧水泥混凝土路面的应力在接缝处不连续，因此沥青加铺层同时承受它本身以及旧路面所产生的温度应力，特别是在冬季气温较低时，沥青加铺层在接缝、裂缝处，因为拉应力过大而开裂，形成温度型反射裂缝。

      3．玻璃纤维格栅抑制反射裂缝的机理

      玻璃纤维格栅具有抗拉强度高、延伸率低、无蠕变，与沥青混合料具有较好的相容性，以及物理化学性能稳定、耐高温、嵌锁与限制作用好等特点，能均匀地传递荷载，并将反射裂缝应力由垂直方向转为水平方向。

      使用玻璃纤维格栅，可增强沥青混合料的整体抗拉强度，有效地改善路面结构的应力分布，降低沥青加铺层的应力，抵抗和延缓由于基层裂缝引起的沥青加铺层反射裂缝的发生，从而延长路面的使用寿命。

     4．工程实例

      某水泥混凝土路面出现板块、板角断裂、错台等损坏，由于受路面标高及工程造价限制，经论证，决定在旧水泥混凝土路面上布置玻璃纤维格栅加筋层，再铺筑沥青混凝土罩面。

      4.1 结构计算

      沥青加铺层厚度由行车荷载和反射裂缝两个因素控制。因水泥混凝土面板强度较高，将其作为基层，在其上面加铺沥青混凝土的这种路面结构，强度一般能满足要求，关键是抑制反射裂缝的产生。国内现行的《公路沥青路面设计规范》没有把水泥混凝土路面加铺沥青混凝土层这一内容包括在内。国外对这一问题的研究工作起步较早，目前已形成四种相对成熟的设计和计算方法，分别是ARE(Anstin Resarch Engineers)设计方法、美国沥青协会(AI)法、美国工程兵团和联邦航空局(FAA)法、AASHTO罩面设计法。

      经上述四种计算方法计算，加铺沥青混凝土层厚度采用10cm。加铺方案为(自上而下)：4cm改性沥青SMA+6cm粗粒式沥青混凝土+玻纤格栅+2cm沥青找平层。

      4.2 铺设路面的处理

      玻璃纤维格栅的使用效果与铺设面的处理情况密切相关，在铺设前必须将可能影响格栅与底层结合强度的物质如油脂、油漆、水渍、污物等彻底清除干净，使铺设面清洁干燥。玻璃纤维格栅感压式背腹属水溶性物质，如铺设面有水迹，应待其干燥后再进行铺设。铺设格栅之前洒粘层油。

      4.3 玻璃纤维格栅的铺设与固定

      玻璃纤维格栅可采用专用设备或人工铺设。铺设时胶面向下，并保持其平整、拉紧、不起皱，保证格栅具备有效的张力，铺完之后用干净的钢轮压路机或胶轮压路机碾压。

      目前常用的玻璃纤维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基层上铺设。不带自粘胶的通常采用钢钉固定。本工程采用不带自粘胶的玻璃纤维格栅，固定所需材料为：

      ①50×50×0.3mm的固定铁皮，做到平整不翘角，周边倒角处理；
      ②2in钢钉。

      采用固定钢钉法铺设玻璃纤维格栅时，先将一端固定铁皮和钢钉固定在已洒布粘层沥青的下层结构上．钢钉可用锤击或射钉射入。再将格栅拉紧并分段固定，每段长度为2～5m。也可按缩缝间距分段，钢钉位置设于接缝处。要求格栅拉紧时纵横向均处于紧张状态。

      格栅纵向搭接宽度不小于20cm，横向搭接宽度不小于15cm，纵向搭接应根据沥青摊铺方向将前一幅置于后一幅之上。固定时不能将钢钉钉于格栅上，不能用锤子直接敲击格栅，固定后如发现钢钉断裂或铁皮松动，需重新固定。格栅铺设固定完毕后，用胶轮压路机适度碾压稳定，使格栅与铺设面粘结牢固。

      如果条件允许，洒布粘层油后直接摊铺格栅，随即用压路机碾压，格栅不易起波浪，效果更佳。

      4.4 施工注意事项

      (1)严格控制运送混合料车辆的出入，在格栅层上禁止车辆急转向、急刹车和倾泻混合料脚料，防止对格栅的破坏；
      (2)自粘式格栅背胶易溶于水，避免雨天或路面潮湿时施工；
      (3)玻璃纤维对人体皮肤易产生刺激作用，施工人员须做好防护措施；
      (4)使用的胶轮压路机需注水增加重量时，须防止水溢流到格栅上，造成其背胶失去粘性；
      (5)格栅铺设过程中，若发现铺设面有较小的坑洞没有填平，可在铺好的格栅上将对应坑洞部分剪去，以便在铺上层沥青混合料时能完全填平坑洞：
      (6)格栅铺设时，要求铺设面温度在5℃～60℃之间。

       5．结束语

      该工程从目前通车情况来看，效果较为理想。由于裂缝的发展需要一定的时间，对于玻璃纤维格栅抑制反射裂缝的最终效果尚有待今后作长期观察。
      国内用于沥青路面加筋的玻璃纤维格栅种类较多，但测试指标不明确，测试方法和标准也不统一，急需制定出适合我国国情的产品规格、性能要求、测试方法和标准。