纖維瀝青封層層間粘結(jié)強度形成機理實驗研究

劉劍剛

【摘 要】 通過對纖維瀝青封層層間粘結(jié)強度形成分析，采用剪切試驗和拉拔試驗得到粘結(jié)強度指標(biāo)，提出基于路用性能的瀝青纖維材料選擇方案，分析層間強度的變化規(guī)律及強度的形成機理，得出纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加的規(guī)律，為改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)，防止基層裂縫反射到面層起到積極的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】 纖維瀝青；封層；黏結(jié)強度 

Experimental study of the mechanism of inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal

Liu Jian-gang

(Pingdingshan Highway Administration Central Laboratory Pingdingshan Henan 467000) 

【Abstract】 Through the inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal analysis using shear test and pullout test to obtain bond strength index, fibrous material made of asphalt pavement performance-based options, the analysis of variation between the strength and intensity level formation mechanism, drawn fiber seal bond strength between layers showed an increase over time nonlinear law, in order to improve the bonding between the state of the grass-roots level and below, to prevent grass surface cracks reflected to play an active guidance effect.

【Key words】 Fiber asphalt;Sealing layer;Bond strength

纖維瀝青層是由短纖維和瀝青組成，屬于一種纖維增強復(fù)合材料，增強相為纖維，而瀝青則是基體相［1］，在研究其力學(xué)問題時，需要涉及纖維的排列情況、纖維和基體的性能及界面性能等。目前，纖維封層材料的配合比及施工質(zhì)量控制主要依靠經(jīng)驗法，通過實驗方法研究纖維封層的層間黏結(jié)強度和整體抗拉強度等力學(xué)性能指標(biāo)，對促進纖維封層的推廣應(yīng)用具有較好的理論指導(dǎo)意義。

1. 乳化瀝青的選擇

乳化瀝青的選擇關(guān)鍵在于對乳化劑的選擇，而乳化劑則可根據(jù)乳化劑的離子類型來挑選：

（1）乳化瀝青按照乳化劑溶解于水中電離的離子類型及電荷種類分為:陽離子型、陰離子型、兩性離子型和非離子型。陰離子乳化瀝青有節(jié)省能源、使用方便、乳化劑來源廣且價格便宜等優(yōu)點，但是，這種乳液與礦料的粘附性不太好，特別是與酸性礦料的粘附性更差，圖1是陰離子乳化劑與石料粘附示意圖。陰離子乳化瀝青與礦料的裹覆只是單純的物理粘附，瀝青與礦料之間的粘附力低。若在施工中遇上陰濕或低溫季節(jié)，乳液的水分蒸發(fā)緩慢，瀝青裹覆礦料的時間拖長，這樣就影響了路面的早期成型，延遲了開放交通的時間。所以綜合各種因素，目前國內(nèi)己很少使用陰離子瀝青乳化劑生產(chǎn)乳化瀝青［2］。

（2）圖2是陽離子乳化瀝青與礦料表面粘附示意圖，乳液中瀝青微粒帶正電荷，濕礦料表面帶負電荷，兩者在有水膜的情況下仍可以吸附結(jié)合。因此，即使在陰濕或低溫季節(jié)，陽離子乳化瀝青仍可照常施工。陽離子乳化瀝青可以增強與礦料表面的粘附力，提高路面的早期強度，鋪筑后可以較快地開放交通，同時它對酸性礦料和堿性礦料都有很好的粘附能力。因而，陽離子乳化瀝青既發(fā)揮了陰離子乳化瀝青的優(yōu)點，同時又彌補了陰離子乳化瀝青的缺點，是目前瀝青乳化劑的首選［3］。

2. 纖維的選擇

（1）纖維是一種細長而柔韌的材料，常用的有天然纖維和化學(xué)合成纖維。前者是用天然高聚物如棉、麻、羊毛、蠶絲及礦物等，經(jīng)化學(xué)處理和機械加工而制得的，如纖維素纖維，蛋白質(zhì)纖維，甲殼質(zhì)纖維基石棉等。后者是以合成高聚物(樹脂)為原料經(jīng)化工處理后得到的［4］。工程中常使用的纖維有玻璃纖維、聚丙烯睛綸纖維、聚酷纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維以及鋼纖維。

（2）瀝青纖維增強封層技術(shù)所用玻璃纖維的平均長度一般為30mm、60mm或120mm。根據(jù)國外經(jīng)驗，采用60mm的纖維一般效果較好。瀝青纖維增強封層要采用噴射用無捻粗紗型玻璃纖維，它由多股原絲絡(luò)制而成，每股原絲含200根玻璃纖維單絲，玻璃纖維直徑12~23μm，特克斯數(shù)150-9600tex(g/Km)［5］。

（3）本項目采用無堿玻璃纖維的性能指標(biāo)見表1。

表1 無堿玻璃纖維材料技術(shù)指標(biāo)

玻璃類型 纖維堿

含量 單纖直徑 含水量 硬挺度 分散性 灼燒損失

E <0.5% 13μm 0.1% ≥140mm ≥95% 0.8

3. 瀝青纖維封層層間黏結(jié)強度變化的定性分析

（1）纖維封層從施工到通車運營以后，其層間黏結(jié)強度的變化可以定性的表示為圖3的形式。

（2）圖中，AB段表示纖維封層施工從撒鋪改性乳化瀝青、纖維，然后進行膠輪壓路機碾壓、初期養(yǎng)護到限速開放交通前的強度變化；BC段描述了限速開放交通期間和在自然行車的碾壓下，纖維封層的層間黏結(jié)逐漸上升，至黏結(jié)強度達到到最大值的過程；CD段代表路面養(yǎng)護后其纖維封層層間黏結(jié)強度達到峰值后，其服務(wù)能力在交通荷載和環(huán)境作用下服務(wù)能力逐漸下降，層間的黏結(jié)強度也在逐漸降低；在CD段層間黏結(jié)強度變化期間，根據(jù)路面狀況和對其服務(wù)能力的要求選擇下一次的養(yǎng)護方法。

4. 纖維封層層間黏結(jié)強度形成機理分析

（1）AB段強度變化分析。

纖維封層層間黏結(jié)強度的形成是從撒鋪改性乳化瀝青開始的，剛?cè)鲣伒腟BR改性瀝青流動性較好，與原路面充分接觸，并且原路面施工時較干燥，乳化瀝青容易滲透到路面集料空隙及孔隙中，為提高上封層與原路面的層間私結(jié)性能提供了前提條件。

(2)BC段強度變化分析。

從開放交通初期限制車速到自然行車的碾壓，破乳后的乳化瀝青存在的少量的水被逐漸的蒸發(fā)出來，滲透到原路面中的乳化瀝青固化程度加強，原路面上的一薄層瀝青起到連接上封層和原路面的粘結(jié)層作用，增強了層間粘結(jié)性和抗剪能力。纖維封層中玻璃纖維與其吸附的乳化瀝青之間的粘結(jié)力隨著水分的蒸發(fā)也在逐漸的增大，玻璃纖維被牢牢的粘結(jié)在上封層和原路面之間，其在層間的位置同時被固定。隨著環(huán)境和自然行車的碾壓，纖維封層的抗壓強度以及纖維封層和原路面的黏結(jié)強度逐漸的趨于穩(wěn)定［6］。

（3）CD段強度變化分析。

纖維封層的層間豁結(jié)強度達到最大值之后，在交通荷載和氣候環(huán)境的影響下，瀝青也隨著時間的推移逐漸的老化，使其與原路面、纖維和罩面層的粘結(jié)性降低，纖維封層的黏結(jié)強度隨時間的增長而不斷的下降，其服務(wù)能力也在不斷的降低，在有效地使用年限內(nèi)，路面有可能出現(xiàn)裂縫、坑槽和推移等病害；路面狀況惡化，路面層間的黏結(jié)強度急劇下〖LL〗降。何時選擇下一次的養(yǎng)護時期，既能保持路面良好的使用性能，又能延長道路的使用壽命和節(jié)約壽命周期成本，顯得尤為重要。

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5. 層間拉拔強度試驗分析

通過對纖維封層層間的黏結(jié)強度形成機理進行定性的描述，初步掌握了層間黏結(jié)強度形成的過程，為了更好的理解和掌握層間黏結(jié)強度的變化，用直接拉伸試驗對纖維封層施工后初期的層間的拉拔力進行了檢測，試驗結(jié)果如圖4所示。纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加?，F(xiàn)場施工后兩三個小時就可以限速開放交通，從施工開始到施工后12小時左右，纖維封層層間的黏結(jié)強度的變化過程與定性分析時AB段的強度變化是一致的［7］；有圖4知，開放交通后初期層間黏結(jié)強度增長較快，在強度持續(xù)增長的后期，增長的趨勢減緩。這一試驗結(jié)論基本上和層間黏結(jié)強度定性分析的AB段和BC段的結(jié)果是一致的。

6. 結(jié)論

通過對應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵功能的分析可知，應(yīng)力吸收層是處在基層與下面層之間的功能層，為使其路用性能得到更好的發(fā)揮，纖維瀝青應(yīng)力吸收層能夠改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)，并且可以在一定程度上防止基層裂縫反射到面層。根據(jù)纖維瀝青應(yīng)力吸收層的這些特點，采用剪切試驗得到剪切強度和拉拔試驗得到粘結(jié)強度指標(biāo)，提出了基于路用性能的瀝青纖維材料選擇方案，并分析了層間強度的變化規(guī)律及強度的形成機理，得出了纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加的結(jié)論，繪制出層間拉拔力隨時間的變化曲線，對改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)及防止基層裂縫反射到面層起到積極的指導(dǎo)作用。

參考文獻

［1］ 趙曉亮. 瀝青纖維增強封層配合比設(shè)計研究［D］．西安：長安大學(xué)，2010.

［2］ 陳曉娟. 纖維瀝青碎石封層適應(yīng)性及阻裂效應(yīng)研究［D］．西安：長安大學(xué)，2010.

［3］ Aysar NAJD，鄭傳超，纖維加筋瀝青混凝土斷裂性能試驗， 長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），

2005(5)28-32.

［4］ 陳華鑫， 張爭奇， 胡長順. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,(04).

［5］ 孫雅珍， 趙穎華. 新型纖維增強瀝青路面的研究［J］. 華東公路， 2002,(02).

［6］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.2009.2.

［7］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.



［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-818

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5. 層間拉拔強度試驗分析

通過對纖維封層層間的黏結(jié)強度形成機理進行定性的描述，初步掌握了層間黏結(jié)強度形成的過程，為了更好的理解和掌握層間黏結(jié)強度的變化，用直接拉伸試驗對纖維封層施工后初期的層間的拉拔力進行了檢測，試驗結(jié)果如圖4所示。纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加?，F(xiàn)場施工后兩三個小時就可以限速開放交通，從施工開始到施工后12小時左右，纖維封層層間的黏結(jié)強度的變化過程與定性分析時AB段的強度變化是一致的［7］；有圖4知，開放交通后初期層間黏結(jié)強度增長較快，在強度持續(xù)增長的后期，增長的趨勢減緩。這一試驗結(jié)論基本上和層間黏結(jié)強度定性分析的AB段和BC段的結(jié)果是一致的。

6. 結(jié)論

通過對應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵功能的分析可知，應(yīng)力吸收層是處在基層與下面層之間的功能層，為使其路用性能得到更好的發(fā)揮，纖維瀝青應(yīng)力吸收層能夠改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)，并且可以在一定程度上防止基層裂縫反射到面層。根據(jù)纖維瀝青應(yīng)力吸收層的這些特點，采用剪切試驗得到剪切強度和拉拔試驗得到粘結(jié)強度指標(biāo)，提出了基于路用性能的瀝青纖維材料選擇方案，并分析了層間強度的變化規(guī)律及強度的形成機理，得出了纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加的結(jié)論，繪制出層間拉拔力隨時間的變化曲線，對改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)及防止基層裂縫反射到面層起到積極的指導(dǎo)作用。

參考文獻

［1］ 趙曉亮. 瀝青纖維增強封層配合比設(shè)計研究［D］．西安：長安大學(xué)，2010.

［2］ 陳曉娟. 纖維瀝青碎石封層適應(yīng)性及阻裂效應(yīng)研究［D］．西安：長安大學(xué)，2010.

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［4］ 陳華鑫， 張爭奇， 胡長順. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,(04).

［5］ 孫雅珍， 趙穎華. 新型纖維增強瀝青路面的研究［J］. 華東公路， 2002,(02).

［6］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.2009.2.

［7］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.

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［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-818

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5. 層間拉拔強度試驗分析

通過對纖維封層層間的黏結(jié)強度形成機理進行定性的描述，初步掌握了層間黏結(jié)強度形成的過程，為了更好的理解和掌握層間黏結(jié)強度的變化，用直接拉伸試驗對纖維封層施工后初期的層間的拉拔力進行了檢測，試驗結(jié)果如圖4所示。纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加?，F(xiàn)場施工后兩三個小時就可以限速開放交通，從施工開始到施工后12小時左右，纖維封層層間的黏結(jié)強度的變化過程與定性分析時AB段的強度變化是一致的［7］；有圖4知，開放交通后初期層間黏結(jié)強度增長較快，在強度持續(xù)增長的后期，增長的趨勢減緩。這一試驗結(jié)論基本上和層間黏結(jié)強度定性分析的AB段和BC段的結(jié)果是一致的。

6. 結(jié)論

通過對應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵功能的分析可知，應(yīng)力吸收層是處在基層與下面層之間的功能層，為使其路用性能得到更好的發(fā)揮，纖維瀝青應(yīng)力吸收層能夠改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)，并且可以在一定程度上防止基層裂縫反射到面層。根據(jù)纖維瀝青應(yīng)力吸收層的這些特點，采用剪切試驗得到剪切強度和拉拔試驗得到粘結(jié)強度指標(biāo)，提出了基于路用性能的瀝青纖維材料選擇方案，并分析了層間強度的變化規(guī)律及強度的形成機理，得出了纖維封層層間的黏結(jié)強度隨時間的推移呈現(xiàn)非線性的增加的結(jié)論，繪制出層間拉拔力隨時間的變化曲線，對改善基層與下面層之間的粘結(jié)狀態(tài)及防止基層裂縫反射到面層起到積極的指導(dǎo)作用。

參考文獻

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2005(5)28-32.

［4］ 陳華鑫， 張爭奇， 胡長順. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,(04).

［5］ 孫雅珍， 趙穎華. 新型纖維增強瀝青路面的研究［J］. 華東公路， 2002,(02).

［6］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.2009.2.

［7］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2007.

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［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關(guān)鍵技術(shù)研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-818

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