間斷級配纖維微表處性能及指標研究

姚曉光，張爭奇，羅要飛，張苛

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間斷級配纖維微表處性能及指標研究

姚曉光1, 2，張爭奇1，羅要飛1，張苛1

(1. 長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安，710064；2. 滁州學院地理信息與旅游學院，安徽滁州，239000)

為研究纖維種類、級配類型對微表處抗車轍及抗裂性能的影響情況，選用2種纖維、3種級配進行試驗研究。在不同搭配情況下，利用漢堡車轍儀分別進行空氣浴和水浴條件下的車轍試驗，確定荷載作用6 000次后的車轍深度作為微表處抗車轍性能評價指標，指出蠕變速率評價指標的不足；并基于抗裂性能試驗，提出疲勞斷裂壽命指標。研究結(jié)果表明：隨著荷載作用次數(shù)的增加，不同類型微表處抗車轍性能均會明顯下降，在水浴情況下尤為顯著，其中MS?3型聚丙烯纖維微表處最為典型，但其抗裂效果最優(yōu)；間斷級配纖維微表處也能滿足規(guī)范要求，甚至更優(yōu)，建議2種纖維的質(zhì)量分數(shù)為0.10%。

道路工程；間斷級配；纖維微表處；漢堡車轍試驗

微表處是一種常用的路面預(yù)防性養(yǎng)護措施，可以改善路面使用性能，也可用于對車轍的修復。1986年法國在微表處技術(shù)中首次嘗試間斷級配[1]，并獲得了良好效果，但PASAQUINI等[2?4]指出：雖然間斷級配瀝青混合料性能較好，但由于間斷級配本身具有級配不連續(xù)特性，故常會出現(xiàn)混合料施工和易性差、易離析等現(xiàn)象，SHA等[5?7]也證明了此結(jié)論。而且對于普通微表處，其在應(yīng)用過程中還會出現(xiàn)抗反射裂縫效果不佳、耐久性不足等問題。為解決微表處在施工和使用過程中出現(xiàn)的問題，很多學者對其進行了大量試驗分析，其中侯曙光等[8?10]對摻入纖維的微表處混合料進行深入研究，發(fā)現(xiàn)纖維的加入可以改善微表處的抗裂性能和耐久性，提高路面的整體性能，并可克服間斷級配混合料施工時的離析問題，顯著提高路面的使用壽命。盡管間斷級配瀝青混合料和纖維微表處的研究已屢見不鮮，但國內(nèi)外對使用間斷級配的纖維微表處研究仍然較少，且關(guān)于間斷級配的選用、纖維種類及摻量的選擇缺少公認的評價標準，這在一定程度上阻礙了間斷級配纖維微表處的發(fā)展，因此，有必要對其進行進一步研究。我國現(xiàn)有技術(shù)指南中采用輪轍變形試驗評價微表處的抗車轍性能，但該試驗方法未充分考慮路面實際所處的溫度、水等影響條件，從而導致評價結(jié)果與實際路用性能相脫節(jié)。針對輪轍試驗存在的弊端，本文作者以漢堡車轍試驗系統(tǒng)[11?12]為加載平臺，提出微表處抗車轍性能和抗裂性能評價方法，并對使用不同級配、不同纖維的微表處進行模擬試驗研究，分析其高溫性能和抗反射裂縫效果。

1 試驗材料及指標

1.1 改性乳化瀝青

選用SBR改性乳化瀝青作為結(jié)合料，經(jīng)檢驗其性能指標如表1所示。

表1 SBR改性乳化瀝青性能指標

1.2 礦料選取及級配

微表處中集料所占質(zhì)量比例超過90%，集料的質(zhì)量直接影響微表處的路用性能，因此，所選的集料應(yīng)潔凈、堅硬、粗糙、耐磨，不含泥土、有機物、雜質(zhì)等有害物質(zhì)。由于石灰?guī)r、玄武巖具有較好的抗壓性、耐磨耗性、黏附性，故常被選用，并且當粗集料使用玄武巖，細集料使用石灰?guī)r時，微表處路用性能較好，更適用于試驗研究[13]。

因此，本文作者選用2種不同巖性的石料，粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰?guī)r，經(jīng)檢驗2種石料各項指標均符合規(guī)范要求。礦料級配分別選取MS?3型、歐盟型(EU)和俄亥俄州型(OH)3種級配中值[1]，如表2所示，其中EU型級配是在原基礎(chǔ)上通過內(nèi)插法換算而得。為試驗及工程需要，對OH中值、EU中值添加7.1 mm控制篩孔，且7.1~9.5 mm和4.75~ 7.1 mm之間的礦料質(zhì)量比為3:1[14]。

表2 礦料級配(質(zhì)量分數(shù))

1.3 纖維

選取聚丙烯纖維、玄武巖纖維進行研究，主要性能指標如表3所示。

表3 纖維的性能指標

2 微表處抗車轍性能試驗

2.1 試件成型及試驗條件

2.1.1 試件成型

常規(guī)的車轍試樣及厚度與實際不符，而且成型后的試件不便于在漢堡車轍試驗系統(tǒng)加載。因此，借鑒微表處輪轍變形試驗原理，以水泥混凝土板作為養(yǎng)護載體，制備厚度為25 mm的試件。具體步驟為：1) 按照標準車轍試模成型C30水泥混凝土板，養(yǎng)護后放入高度為8 cm的車轍模中；2) 涂刷黏層油，在水泥混凝土板試件上撒鋪改性乳化瀝青，用量為0.3~0.5 L/m2；3) 將處理過的試樣移到60 ℃的烘箱中保溫，時間不少于16 h；4) 冷卻后脫模，用石膏將試樣固定在漢堡車轍試驗?zāi)＞咧袀溆谩?/p>

2.1.2 試驗條件

1) 高溫作用(空氣浴)：參考美國路面長期使用性能研究計劃(LTPP)的成果[15]，即瀝青路面溫度場的預(yù)估模型，結(jié)合試驗所在地西安(北緯36°16′)，可知對于加鋪微表處的瀝青路面而言，微表處結(jié)構(gòu)層的溫度為59.3 ℃，接近60 ℃?？紤]到我國相應(yīng)規(guī)范中評價瀝青混合料高溫抗車轍能力時的試驗溫度，試驗溫度為 60 ℃，因此，選取60 ℃作為微表處混合料加鋪層抗車轍性能試驗溫度。

2) 高溫及水耦合作用(水浴)：考慮到夏季雨后潮濕瀝青路面的溫度大約為40 ℃，同時結(jié)合葉奮等[16?17]研究成果，選擇水浴40 ℃研究高溫及水耦合作用對微表處的影響。

2.2 評價指標及試驗方案

漢堡車轍試驗結(jié)果由車轍深度(rut depth)、蠕變速率(creep slope)、剝落點(stripping inflection point, SIP)以及剝落斜率(stripping slope)等評價指標構(gòu)成，車轍深度評價時一般為荷載作用次數(shù)超過20 000次后所對應(yīng)的車轍深度或者車轍深度達到20 mm所對應(yīng)的荷載作用次數(shù)，車轍深度越小或作用次數(shù)越多，則抗車轍性能越好。蠕變速率反映的是瀝青混合料在高溫、水、荷載耦合作用下試樣的變形速率，其值越大，說明變形速率越慢，抗車轍性能越好[18]。

對于微表處而言，其攤鋪厚度及使用要求與熱拌瀝青混合料并不相同，即用于填鋪的車轍厚度也多在30 mm以下，若采用常規(guī)的車轍試樣及厚度，則與實際不符，評價結(jié)果缺乏合理性。因此，借鑒微表處輪轍變形試驗原理，采用合適的方法制備試件，并進行漢堡車轍試驗，通過碾壓后試件的車轍深度及蠕變速率來評價混合料的抗車轍性能。通過拌和試驗等常規(guī)試驗確定試驗方案及各材料比例如表4所示。

表4 微表處抗車轍性能試驗方案中各成分比例

3 微表處抗車轍性能

3.1 高溫條件下不同類型纖維微表處抗車轍性能

根據(jù)試驗方案，拌和混合料并成型試件，養(yǎng)護后進行漢堡車轍試驗，對不同條件下車轍深度作圖，如圖1所示。

(a) 聚丙烯纖維+MS?3中值；(b) 玄武巖纖維+MS?3中值；(c) 玄武巖纖維+OH中值；(d) 玄武巖纖維+EU中值w(纖維)/%：1—0.05；2—0.10；3—0.15；4—0.20。

由圖1可知：1) 當荷載作用次數(shù)較小時，不同摻量的微表處混合料試樣車轍曲線重合，這一階段處于初始壓密過程，顯然不能真實地反映混合料的抗車轍性能，所以必須有足夠的荷載作用次數(shù)。而實際攤鋪時微表處混合料并沒有采用壓路機進行碾壓，完全靠開放交通后車輛的渠化作用，這加劇了填鋪車轍部位病害的形成。因此，纖維微表處攤鋪后建議采用壓路機進行相應(yīng)碾壓，不僅可以消除初始壓密對性能的影響，而且可以增大路面的平整度，減少微表處路面的突起集料。2) 荷載作用6 000次后，少數(shù)纖維微表處試樣的車轍深度已超過10 mm，這說明將常規(guī)的荷載作用20 000次后對應(yīng)的車轍深度或車轍深度達20 mm時對應(yīng)的荷載作用次數(shù)作為評價指標并不合適。這一方面是因為試件的厚度不足，按實際工程中微表處攤鋪的情況，成型時試件的厚度僅為25 mm；另一方面是因為采用的礦料級配偏細，礦料中主要是粒徑為9.5 mm以下的顆粒，對車轍變形的抵抗作用有限。因此，以下探討纖維微表處抗車轍性能時均采用荷載作用6 000次后的車轍深度作為評價指標。3) 聚丙烯纖維微表處抗車轍性能與其質(zhì)量分數(shù)無明顯規(guī)律，但在質(zhì)量分數(shù)為0.15%時，其抗車轍性能最差，而玄武巖纖維微表處抗車轍性能隨著纖維質(zhì)量分數(shù)的增加先升后降。其原因是纖維的摻加增加了混合料的總比表面積，需要吸附較多的瀝青，油石比過低導致瀝青不足以完全裹附礦料，使集料表面的瀝青膜厚度不足，使抗車轍性能未能達到最佳狀況；而隨著油石比的增加，纖維吸附能力不足，形成自由瀝青，從而導致高溫性能下降。

為直觀分析纖維種類、級配類型對60 ℃時的微表處混合料影響情況，選取纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%，荷載作用次數(shù)分別為1 000，2 000，3 000，4 000，5 000和6 000時各種類型微表處的車轍深度進行比較，見圖2。通過漢堡車轍試驗可得不同類型纖維微表處的蠕變速率，如表5所示。

表5 60 ℃時纖維微表處的蠕變速率

由圖2和表5可知：1) 對于MS?3級配中值，當油石比相同，纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，聚丙烯纖維微表處的抗車轍性能優(yōu)于玄武巖纖維微表處。陳永 慧[19]認為，根據(jù)復合材料的應(yīng)力傳遞特點，纖維瀝青混合料的高溫性能取決于界面黏結(jié)力和纖維抗拉強度。纖維的吸油率高可有效提高瀝青的黏度，增加界面強度；纖維的抗拉強度高能保證有效的應(yīng)力傳遞。聚丙烯纖維吸油率較高，而玄武巖纖維抗拉強度較高，出現(xiàn)這種情況是因為微表處混合料中吸油率的影響程度比抗拉強度大，因吸油率較小導致玄武巖纖維微表處的油石比過大，抑制了高溫性能。2) 摻加0.10%玄武巖纖維時，在3種礦料級配中，歐盟礦料級配微表處混合料試樣的車轍深度最小，故歐盟礦料級配微表處的抗車轍性能最好。這主要是因為混合料采用的礦料級配存在差別，其中歐盟礦料級配中粗集料含量比較高，形成了以粗集料為主的骨架結(jié)構(gòu)，混合料受荷載作用時不易變形，故使歐盟礦料級配微表處混合料的抗車轍性能比較好。3) 采用蠕變速率評價纖維微表處混合料的高溫抗車轍性能區(qū)分度不明顯，例如OH礦料級配微表處混合料，纖維質(zhì)量分數(shù)為0.15%與0.20%時混合料蠕變速率僅僅相差2次/mm，而最終車轍深度相差0.43 mm，由此可見采用蠕變速率評價微表處混合料抗車轍性能而言存在一定的局限性，只能作為輔助指標來考慮。

(a) 不同纖維MS?3中值級配；(b) 不同級配玄武巖纖維

綜上可知，高溫環(huán)境加劇了混合料車轍病害的形成，雖然與常規(guī)瀝青混合料相比，纖維微表處混合料的抗車轍性能偏低，但車轍形成過程仍存在不同的3階段；另外，抗車轍性能評價時需有足夠的荷載作用次數(shù)，以消除初始壓密階段對結(jié)果的影響；當荷載作用次數(shù)較少時，評價結(jié)果存在一定偏差。因此，建議采用車轍穩(wěn)定階段的試驗數(shù)據(jù)來評價抗車轍性能。

3.2 高溫及水耦合作用下不同類型纖維微表處抗車轍性能

按試驗方案成型試件，養(yǎng)生后浸入溫度為40 ℃的水浴中保溫，時間不短于30 min，然后進行試驗加載，試驗數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

(a) 聚丙烯纖維+MS?3中值；(b)玄武巖纖維+MS?3中值；(c) 玄武巖纖維+OH中值；(d) 玄武巖纖維+EU中值w(纖維)/%：1—0.05；2—0.10；3—0.15；4—0.20。

由圖3可知：1) 水和高溫耦合作用下纖維微表處混合料的抗車轍性能下降明顯。這是因為水存在于瀝青薄膜與集料之間，荷載應(yīng)力引起的動水壓力和高速水流會對瀝青與礦料的界面進行反復沖擊，使瀝青與集料之間的黏附力減弱，加速瀝青膜的剝落；而且在持續(xù)碾壓下，微表處混合料因抗剪強度不足產(chǎn)生側(cè)向流動變形，形成嚴重車轍。2) 微表處在聚丙烯纖維摻量為0.15%時，抗車轍性能最差，而從圖3(b)~(d)易知，當玄武巖纖維質(zhì)量分數(shù)從0.05%增至2.00%時，混合料的車轍深度都是先減小后增大，說明玄武巖纖維微表處抗車轍性能隨纖維質(zhì)量分數(shù)的增加先升后降。在摻加等量玄武巖纖維條件下，3種礦料級配中歐盟礦料級配微表處的抗車轍性能最好，這與上述高溫環(huán)境條件下得到的結(jié)論相一致。然而，在高溫浸水條件下，混合料的抗車轍性能下降明顯，車轍深度大都在7 mm左右，有的甚至接近12 mm。

為直觀分析纖維種類、級配類型對40 ℃水浴條件下的微表處混合料影響情況，同樣選取纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%，荷載作用次數(shù)分別為1 000，2 000，3 000，4 000，5 000和6 000時各種類型微表處的車轍深度進行比較，見圖4。通過漢堡車轍試驗可得不同類型纖維微表處的蠕變速率，如表6所示。

(a) 不同纖維MS?3中值級配；(b) 不同級配玄武巖纖維

表6 40 ℃水浴纖維微表處的蠕變速率

由圖4和表6可知：對于MS?3級配中值，在相同油石比，纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，玄武巖纖維微表處的抗車轍性能比聚丙烯纖維微表處的性能好，這與高溫環(huán)境條件下得到的結(jié)論相反，可知聚丙烯纖維微表處混合料抗車轍性能受水的影響較大。其原因是：一方面，2種纖維的加工原材料不同導致，玄武巖纖維的原材料為玄武巖礦石，與聚丙烯纖維相比，玄武巖與瀝青的黏附性比較好，水環(huán)境下受其影響比較小；另一方面，水的作用使瀝青與集料之間的黏附力減弱，而通過分析可知，此時玄武巖纖維微表處油石比較大，可提供足夠黏結(jié)力使玄武巖微表處具有較好的抗車轍能力。此結(jié)論也驗證了高溫60 ℃時結(jié)果的準確性。

在玄武巖纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，不同礦料級配微表處的車轍變化趨勢略有差別，其中歐盟礦料級配微表處的車轍深度變化趨勢較緩慢，其余2種礦料級配微表處，在荷載作用3 000次后，車轍深度急劇增加。這是因為另外2種礦料級配以細集料為主，經(jīng)3 000次碾壓后混合料礦質(zhì)骨架被破壞，因此，高溫性能急劇下降，蠕變速率計算結(jié)果也驗證了這一點。

蠕變速率計算結(jié)果與車轍深度結(jié)果相矛盾：如表6所示，由蠕變速率可知，當纖維質(zhì)量分數(shù)為0.10%時，聚丙烯纖維微表處(MS?3中值)抗車轍性能比玄武巖纖維微表處(MS?3中值)的性能較差，且在不同級配的玄武巖纖維中，OH型間斷級配的抗車轍性能最差；對比圖4，當纖維質(zhì)量分數(shù)為0.1%，荷載作用次數(shù)較小時，其結(jié)果與表6所得的結(jié)果不符，這再一次說明蠕變速率指標評價微表處抗車轍性能存在一定弊端。栗培龍等[20]也認為蠕變速率評價抗車轍性能存在局限性，只能作為輔助指標評價混合料高溫性能。

綜上分析，高溫、高溫及水耦合作用均導致微表處混合料抗車轍性能下降，但高溫及水耦合作用更加明顯。因此，在實際工程中，車轍填鋪微表處混合料后要加強路面排水，防止路面積水長時間浸泡混合料，在車輛反復作用下再次形成車轍。

4 微表處抗裂性能試驗

4.1 試件成型及試驗方案

采用由厚度為40 mm瀝青面層和10 mm微表處加鋪層組合而成的梁式結(jié)構(gòu)，長×寬×高為300 mm× 100 mm×50 mm，加鋪前在瀝青混凝土板中間切割寬5 mm、深10 mm的橫向裂縫，如圖5所示，以模擬存在裂縫的瀝青路面。利用漢堡車轍儀作為加載設(shè)備，輪載為0.7 MPa，碾壓頻率為52次/min，試驗溫度為15 ℃[21]。試驗中纖維采用聚丙烯纖維和玄武巖纖維，質(zhì)量分數(shù)均為0.10%；集料級配選用MS?3、歐盟、俄亥俄州用礦料級配中值，具體試驗方案見表7。

表7 微表處抗裂性能試驗方案

4.2 評價指標及結(jié)果分析

在往返輪載試驗方法的基礎(chǔ)上，提出疲勞斷裂壽命指標，即通過裂縫貫穿面層時荷載循環(huán)作用的次數(shù)評價瀝青路面微表處抗裂性能?？沽研阅茉囼灲Y(jié)果如圖6所示。

圖6 往返輪載試驗結(jié)果

由圖6可以看出：普通微表處摻加纖維后其疲勞斷裂壽命明顯增加，在相同礦料級配條件下，聚丙烯纖維、玄武巖纖維微表處的斷裂壽命分別提高661次和525次。這主要是因為纖維在其中起到了阻裂的作用，斷裂力學認為材料內(nèi)部存在缺陷和裂紋，在溫度應(yīng)力和行車荷載的共同作用下，裂縫尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂紋逐漸擴展。由于纖維具有抗拉強度高、模量高、直徑較小、數(shù)量較多等優(yōu)點，在微表處混合料中均勻分散后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對裂紋的擴展起到抑制作用，阻滯裂紋或缺陷的進一步發(fā)展，從而達到提高抗裂性能的效果。

不同纖維對混合料疲勞斷裂壽命的改善效果并不相同，聚丙烯纖維微表處的抗裂性能比玄武巖纖維微表處的性能好。這是由于采用的2種纖維斷裂伸長率不同，纖維的斷裂伸長率越大，則材料的韌性越好，受力時越不易被拉斷，摻入混合料后其抗變形能力提高，可以承受更大的拉伸力和拉伸應(yīng)變。

當摻加纖維相同時，不同礦料級配微表處的抗裂性能并不同，其中俄亥俄州礦料級配微表處的疲勞斷裂壽命最長，即抗裂性能最好。這主要是因為其礦料級配組成中，以細料居多，纖維的摻加更易形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸收并分散車輛荷載，有效地抑制了裂縫的發(fā)展。

綜上可知，不同類型微表處的抗裂效果從大到小依次為聚丙烯纖維(MS?3型)、玄武巖纖維(OH型)、玄武巖纖維(MS?3型)、玄武巖纖維(EU型)、普通微表處。

5 結(jié)論

1) 在水浴40 ℃的條件下，玄武巖纖維微表處的抗車轍性能比聚丙烯纖維微表處的性能好，此結(jié)果與60 ℃時的結(jié)果恰好相反。結(jié)合纖維應(yīng)用情況，建議2種纖維的合理摻量為0.10%。

2) 隨著荷載作用次數(shù)的增加，不同級配類型玄武巖纖維微表處抗車轍性能從優(yōu)至劣依次為歐盟間斷級配微表處、MS?3型微表處、俄亥俄州間斷級配微 表處。

3) 隨著荷載作用次數(shù)的增加，水浴條件下抗車轍性能下降明顯，蠕變速率作為微表處抗車轍性能評價指標，區(qū)分度不明顯，存在一定局限性，建議只能作為輔助指標。

4) 采用漢堡車轍系統(tǒng)提出瀝青路面微表處抗裂性能評價指標即疲勞斷裂壽命，也就是裂縫貫穿面層時荷載作用循環(huán)次數(shù)。應(yīng)用該指標對比分析不同類型纖維微表處的抗裂性能發(fā)現(xiàn)，MS?3型聚丙烯纖維微表處抗裂效果最優(yōu)。

5) 斷級配同樣滿足性能要求，且就玄武巖纖維微表處而言，歐盟間斷級配形成的微表處，其抗車轍性能明顯比連續(xù)級配的性能好。因此，有必要進一步研究間斷級配微表處性能及其影響因素，并可進一步完善漢堡車轍試驗條件下的微表處高溫性能評價指標。

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Research on performance and indicator of gap-graded fiber micro-surfacing

YAO Xiaoguang1, 2, ZHANG Zhengqi1, LUO Yaofei1, ZHANG Ke1

(1. Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Geographic Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China)

In order to study the influence of fiber type and gradation type on the anti-rutting and cracking resistance performance, two kinds of fibers and three kinds of gradations were selected. With different circumstances, the rutting tests were conducted by Hamburg wheel tracking test in the air and in the water respectively. The rut depth after loading 6 000 times was set as an evaluation indicator to evaluate anti-rutting performance, and the defects of creep rate indicator were pointed out. Then fatigue fracture life indicator was proposed based on the crack resistance test. The results show that the anti-rutting performances of different micro-surfacings all decrease significantly with the increase of loading times, especially in the water. And the anti-rutting performance of MS?3 graded polypropylene fiber micro-surfacing is the most typical. However, its cracking resistance performance is the best. The gap-graded fiber micro-surfacing can meet the requirements of specification and even better. The mass fraction of two kinds of fibers is suggested to be 0.10%.

road engineering; gap-graded; fiber micro-surfacing; hamburg wheel tracking test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.048

U416

A

1672?7207(2016)09?3264?09

2015?09?15；

2015?11?07

國家自然科學基金資助項目(51008031)；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014319812151)；陜西省交通科技項目(2014-01K) (Project(51008031) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014319812151) supported by the Applied Basic Research Project of Ministry of Transport; Project(2014-01K) supported by the Transportation Science and Technology Project of Shanxi Province)

張爭奇，教授，博士生導師，從事瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料性能研究；E-mail: Z_Zhengqi@126.com

(編輯 劉錦偉)