玻璃纤维土工格栅在城市道路中的应用及施工工

　　一、前言
　　现代加筋土技术是由法国工程师HenriVida1于20世纪60年代首先提出的，并于20世纪80年代初引入我国。目前，用于加筋土技术的筋体材料大致可分为两类，一类是刚度较大的刚性筋材，如各种钢筋质的条带；另一类是刚度较小的柔性筋材，如各种土工织物及土工格栅。从道路应用上来看，以柔性筋材即各类土工布和土工格栅居多。在一些发达国家，玻璃纤维土工格栅的应用已有二十多年时间，我国在1995～1996年的沪宁高速公路建设时，开始采用玻璃纤维土工格栅。
　　玻璃纤维土工格栅是以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。玻璃纤维土工格栅的优异性能特点如下：
　　(一)高的弹性模量和横纵向都很高的抗拉强度。
　　(二)低的延伸率。
　　(三)耐高低温性能优良。
　　(四)和路面混合料具有很好的相溶性。
　　(五)经表面涂覆处理后，具有优良的抗碱性能及耐老化性能
　　(六)无长期蠕变
　　(七)嵌锁和限制作用。
　　玻璃纤维土工格栅的优异特性使其在城市道路应用上发挥了巨大作用，主要包括：在路基加固及软基处理中的应用、在防止反射裂缝方面的应用等方面内容。
　　在城市道路中使用玻璃纤维土工格栅，综合造价低、养护维修费用低，社会效益明显，施工工艺容易掌握，具有很广的应用价值。
　　加入玻璃纤维土工格栅的沥青混凝土道路结构层，能有效的降低沥青混凝土结构层设计厚度，从而降低工程成本；同时能延长道路使用时间，降低道路的维护费用、使用成本。从2005年到2007年，国际原油价格一路攀高，曾在2007年1月2日突破100美元大关，较05年的平均水平50美元翻了一翻。随着原油价格的飞涨，成品沥青混合料的价格也增长了一倍多。良好的经济效益和社会效益使得玻璃纤维土工格栅的应用越来越引起技术人员和决策者的重视。
　　二、玻璃纤维土工格栅的材质组成
　　玻璃纤维土工格栅是加筋土技术中土工格栅的一种。玻璃纤维土工格栅是以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。玻璃纤维土工格栅的主要成分是二氧化硅，采用2000孔大漏板直接拉丝成型的2400tex玻璃纤维粗纱经编织而成，是一种理化性能极其稳定的材料。制造时为了增加其与路面基层的粘结力，在网格表层涂覆有改性沥青，并在加热固化后加入适当矿物粉料作隔离材料。在品种繁多的土工格栅中，玻璃纤维土工格栅以其简便快捷的施工特点及良好的使用性能，在高速公路、城市道路建设等工程的施工中，应用于路基加固、软基处理及路面面层结构层处理，作用效果明显，取得了良好的经济效益和社会效益。
　　三、玻璃纤维土工格栅的性能特点
　　（一）高的弹性模量和横纵向都很高的抗拉强度
　　玻璃纤维的强度重量比要比钢大，在 200℃时其弹性模量与沥青混凝土模量比高达20:1，保证了玻璃纤维土工格栅足够的强度；同时高品质的玻璃纤维土工格栅采用直接纱，张力均匀、强度大，因为突破了传统纺织的经纬交织的局限，使经纬纱分层平铺排列，在受到外力时，其经纬向的拉伸率都远远低于其他交织物，就是说玻璃纤维土工格栅具有更好的抗拉强度。
　　（二）低的延伸率
　　《建筑材料试验计算手册》中的实验证明，玻璃纤维土工格栅的应力应变图实际上近似一垂直直线，这表示玻璃纤维土工格栅具有很高的抗变形能力。由上述实验得出的数据可知玻璃纤维土工格栅断裂延伸率小于4%。
　　（三）耐高低温性能优良
　　在公路施工中，浇注的沥青混凝土温度高达120℃～200℃，一般的化纤、塑料土工网或其他有交织物，在如此高的温度中都会发生软化，再受到外力而变形，降低其抗拉强度，影响道路结构性能。玻璃纤维土工格栅是一种无机非金属纤维，强度高、热阻值高、模量高、热变形小（2%以下），在400℃高温条件下，化学稳定性、电性能均没有明显变化。玻璃纤维的熔点在1000℃以上，保证了玻纤土工格栅在摊铺作业中承受过量热的稳定性，对于160℃热铺沥青混凝，其性能不受任何影响。玻璃纤维土工格栅耐低温性能也非常优良，在-100℃时性能亦不受影响。在低温条件下，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。玻璃纤维土工格栅在沥青面层中的应用，提高了面层横向拉伸强度，使得沥青混凝土的拉伸强度大大提高，可以抵抗较大的拉应力而不致发生破坏。另外，即使因为沥青混凝土局部区域产生裂纹，在裂纹发生的应力集中，经玻璃纤维土工格栅的传递而消失，裂纹不会发展成裂缝。
　　（四）和路面混合料具有很好的相溶性
　　玻璃纤维土工格栅在后处理工艺中表面涂覆的材料是有机涂层，与混合料有机物具有很好的相溶性，特别是沥青材料，从而确保了玻纤土工格栅在沥青层中不会与沥青混合料产生隔离，而是牢固地结合在一直起。可以发挥其优良的技术性能。
　　（五）经表面涂覆处理后，具有优良的抗碱性能及耐老化性能
　　玻璃纤维土工格栅经表面特殊处理后，能防止各类物理磨蚀化学侵蚀，还能抗生物侵蚀和气候变化，使用寿命长久。
　　（六）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，确保了玻璃纤维土工格栅能够长期保持性能。
　　（七）嵌锁和限制作用
　　沥青混凝土混合料穿过玻璃纤维土工格栅结构,形成了一复合嵌锁结构。这种限制区域能够阻碍混合料的活动,沥青混合料可以得到更好的压实,获取更大的承载力,并且能够提高传荷能力,减少变形,增强沥青混凝土路面。将其变为一整体结构,犹如混凝土中加入钢筋一样,具有优良的结构强度,在道路罩面中起到骨架作用。
　　四、玻璃纤维土工格栅在城市道路中的应用
　　同安阳市一样,我省很多城市是典型的京广铁路线上的老城市。一方面，兴建于上世纪50～60年代的老城区市政道路破旧，急需维修；另一方面，随着经济快速发展，城市新区在以前的坑塘、丘陵地带迅猛发展。城市道路的新建、改建也就面临着软基加固、防止反射裂缝等方面问题的考验，而玻璃纤维土工格栅的优异特性使其在城市道路扩展上发挥了巨大作用。
　　（一）玻璃纤维土工格栅在路基加固及软基处理中的应用
　　城市道路的新建及大修，主要考虑路基的稳定和沉降两大问题。一般无加筋路堤，在较厚的软土层上时为圆弧滑动或冲切式沉降导致破坏；在薄层软土层上，则为侧向挤出破坏。目前软土地基的处理方法很多，如强夯法、排水固结法、化学加固法、振动挤密法、加筋法、换土法等。道路通过软土地基时，一般简单的处理办法是换土或在软土地基上铺一层砾石或碎石后压实。换土法费工费料，不经济；辅助碎砾石在压实后，有限的粒料被挤入软基土中，土料相混，降低了材料强度，路面在行车作用下仍易出现沉陷。随着土工合成材料研究应用的不断深入，大家发现采用玻璃纤维土工格栅不仅能够解决软土路基稳定性的问题，而且还可以有效的减少路基填土后引起的不均匀沉降。如果把玻璃纤维土工格栅直接铺设在软基上，再铺以粒料基层，这样不但能保证粒料与地基土不相混和而且格栅与粒料间的咬合作用得到了进一步加强，基层具有抗拉强度，从而提高了软土地基的承载能力。 使用玻璃纤维土工格栅的经济价值在于:
　　1、降低了对填筑材料的要求。当符合设计要求的填筑材料较远，则就近的砂性填筑材料加辅土工格栅后就能满足设计要求，此时就突出了玻璃纤维土工格栅的经济价值。
　　2、减少填筑工程量。填筑体中加筋后，大大提高了填筑体的抗剪强度，因而可适当将边坡放陡，减少填筑工程量。
　　3、降低土方填筑碾压成本。加筋后，铺土厚度可增加，碾压遍数可减少，从而降低了碾压成本。
　　（二）玻璃纤维土工格栅在防止反射裂缝方面的应用
　　在旧的水泥混凝土路面和旧的沥青混凝土路面上加铺沥青面层，是一种常用的路面修复技术。它具有工期短、造价低、对交通影响小、修复路面服务性能好等优点。但其主要问题是在沥青加铺层中容易出现反射裂缝，即沥青混凝土面层在使用中由于温度收缩、行车冲轧作用及路基局部沉降形成的横向裂缝和纵向裂缝，且随时间缝宽会逐渐增大，影响路面的使用效果。按常规的处理裂缝方法，需切割面层，清除基层,再重新摊铺面层，施工工序复杂，工后使用效果和经济效益较差。
　　设置玻璃纤维土工格栅是延缓反射裂缝的主要措施之一，在沥青混凝土面层中加铺玻璃纤维土工格栅防裂层后，能有效降低沥青混凝土面层内裂缝尖端的应力强度因子幅值，改变沥青面层表面的应力分布，使应力分布均匀，提高抗疲劳性，进而使裂缝不会很快扩展，延迟反射裂缝形成时间，有关试验表明铺设玻璃纤维土工格栅防裂层后，面层抗疲劳荷载的能力比未铺设玻璃纤维土工格栅防裂层的抗疲劳荷载能力提高10倍以上。同时铺设玻璃纤维土工格栅防裂层能减少路基的温度收缩和水分收缩，同样也起到延迟反射裂缝扩展时间。采用玻璃纤维土工格栅处理，直接铺设需处理部位上，不需破坏原路面结构，施工迅速，工后使用效果和经济效益均较好。
　　五、玻璃纤维土工格栅应用于道路结构层的作用机理
　　玻璃纤维土工格栅应用于道路结构层中，主要有在路基加固及软基处理、防止反射裂缝、抗疲劳开裂等方面作用，其作用机理分别如下所述：
　　（一）路基加固和防反的机理
　　在含有玻璃纤维土工格栅的道路结构层中，加入的玻璃纤维土工格栅在整个横断面中所占的体积相当小，根据复合材料的强度形成原理，玻璃纤维土工格栅的加入并不能达到显著提高沥青混凝土整体强度的目的。玻璃纤维土工格栅通过两个重要机理用于路基加固和防止反射裂缝：直接抗拉应力及固限土的侧向位移。
　　未加玻璃纤维土工格栅的沥青混凝土受荷载作用，在遭到破坏前，参与承载的高度是整个沥青混凝土结构层的厚度；当路面遭到破坏时，沥青混凝土面层的底部首先出现裂纹，路面持续受荷，裂缝由底部向上逐渐扩展，参与承载的厚度逐渐减少，导致路面所能承受的荷载逐渐减少，破坏加剧，裂缝逐渐延长。沥青混凝土结构层底部张开变形逐渐增大直到断裂，此时路面底部变形与裂缝长度成比例发展。
　　对于加入玻璃纤维土工格栅的沥青混凝土，玻璃纤维土工格栅的网孔结构使玻璃纤维土工格栅对网孔内的沥青混合料起了一个筋箍作用。因此，当沥青混凝土结构层底部的基础在荷载作用下，出现裂缝并延伸到玻璃纤维土工格栅处时，玻璃纤维土工格栅的存在改变了裂缝尖端的受力状况，使裂缝处的张开变形受到限制，从而起到加固路基抑制裂缝向上发展。此时玻璃纤维土工格栅的横向筋受到沥青混合料向外的推挤力，而纵向筋则受拉。当且仅当沥青混合料向外的推挤力继续增加，足以使玻璃纤维土工格栅的形状变形过大，即玻璃纤维土工格栅的网孔结构的稳定性遭到破坏，并且玻璃纤维土工格栅纵向所受拉力超过玻璃纤维土工格栅纵向筋的强度极限时，才会导致玻璃纤维土工格栅无法继续抑制张开变形，从而才开始沥青混凝土结构层的受荷破坏。
　　玻璃纤维土工格栅网孔结构的稳定性由于与沥青混合料相互填充而得到增强；玻璃纤维土工格栅本身较高的抗拉强度则是抑制张开变形的主要因素。加入了玻璃纤维土工格栅的沥青混凝土可以有效地改善路面结构的应力分布,抵抗和延缓由于路面的基层裂缝所造成的路面病害的发生，使沥青混凝土结构层在较长时期不发生因张开变形引起的受荷破坏，与未加入玻璃纤维土工格栅的沥青混凝土结构层相比，使用玻璃纤维土工格栅可以大大提高路面的使用寿命。
　　（二）抗疲劳开裂的作用机理
　　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。
　　玻璃纤维土工格栅在旧沥青混凝土路面上的沥青加铺层之间形成缓冲带，能够将两层面间压应力与拉应力分散，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。同时玻璃纤维土工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。
　　六、玻璃纤维土工格栅的施工工艺、施工方法
　　玻璃纤维土工格栅的施工工艺简单、易于操作。但同时，技术规范要求较严，具体有如下要求：
　　（一）确保玻璃纤维土工格栅在平整的结构基层上施工
　　玻璃纤维土工格栅的铺设，要求结构基层平整度不小于15mm，对于新建道路，结构基层平整度达不到要求的，应用沥青砂找平处理。对于改建道路在玻璃纤维土工格栅铺设前，应对旧路面进行病害处理，并用机械铣刨拉毛，旧路面接缝应进行重新封缝。在玻璃纤维土工格栅铺设前24小时起，进行路面清理，并进行交通管制。
　　（二）洒布沥青
　　铺设玻璃纤维土工格栅前，为了使玻璃纤维土工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。
　　（三）玻璃纤维土工格栅的铺设
　　铺设玻璃纤维土工格栅，要求平整无折、皱，并及时铺设(在喷洒沥青高温状态下，沥青冷却失去粘结性之前进行)，可采用人工及机械铺设。
　　玻璃纤维土工格栅分带自粘胶玻璃纤维土工格栅和不带自粘胶玻璃纤维土工格栅两种情况。带自粘胶的玻璃纤维土工格栅可直接在已平整的旧路面上铺设，铺设应平顺，拉紧；铺设不带自粘胶的玻璃纤维土工格栅时，需用钢钉固定，即锚固法施工。先将玻璃纤维土工格栅一端用固定铁皮和钉子固定在沥青混凝土的洒了结合油的下层结构基层上，再将纵向拉紧并分段固定，每隔10m至15m钉一个钢钉。固定所用的钢钉不应置于玻璃纤维土工格栅骨架上,否则应重新固定，同时严禁用锤子直接敲击玻璃纤维土工格栅。对于水泥混凝土路面，可按伸缩缝间距分段，钢钉位置设于接缝处。要求玻璃纤维土工格栅拉紧时玻璃纤维纵横向均处于挺直张紧状态。
　　（四）玻璃纤维土工格栅的碾压
　　玻璃纤维土工格栅铺设固定完毕后，须用胶辊压路机适度碾压稳定，使玻璃纤维土工格栅与原路面粘结牢固，以确保和基层结合,使其表面平整。碾压时压路机从路边起压向路中，三轮式压路机每次重叠宜为后轮宽1/2，双轮式压路机每次重叠为30cm。碾压速度初压l.5～2km/h；复压2.5～3.5km/h；终压2.5～3.5km/h。在玻璃纤维土工格栅上应严禁机动车辆刹车或转向,以防破坏基材。
　　（五）特殊情况的处理
　　锚固法施工时，适宜先铺设玻璃纤维土工格栅，再浇洒粘层沥青，然后在玻璃纤维土工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。
　　（六）玻璃纤维土工格栅的检验
　　玻璃纤维土工格栅破坏和粘贴不好的地方，要除去重铺，玻璃纤维土工格栅褶皱的地方，要人工展平或刷涂沥青，把折起的地方重贴，使得碾压后上、下二层玻璃纤维土工格栅粘结在一起。
　　（七）玻璃纤维土工格栅上的沥青混凝土摊铺
　　沥青混合料的摊铺必须在确认玻璃纤维土工格栅铺设良好并能满足沥青混合料摊铺进度后方可进行。在玻璃纤维土工格栅上铺设沥青混合料时，沥青层最小厚度为4㎝。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。沥青混合料摊铺时，应防止摊铺机的找平小车等金属构件损坏已铺设的玻璃纤维土工格栅。
　　七、结论
　　在城市道路中使用玻璃纤维土工格栅，综合造价低、养护维修费用低，社会效益明显，施工工艺容易掌握，具有很广泛的应用价值。如果我们能够在新建和养护工程中大面积使用，就可节省大量的资金，做到国家基础建设的资金合理使用，发挥其最大的效益。
　　在城市道路建设养护施工中融进一些技术含量高的先进的工艺、设备、材料是我们今后探究的一个重要课题。