纖維環(huán)氧瀝青混凝土在道路與軌道平交口的應(yīng)用

李華平

(珠海市工程監(jiān)理有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引 言

有軌電車與城市道路的平交口處對(duì)城市的道路通行能力及舒適性有較大影響，目前軌道交通與道路平交口處普遍采用水泥混凝土填筑。由于水泥混凝土的脆性與剛度大，通行車輛經(jīng)過(guò)平交口時(shí)會(huì)引起較大的振動(dòng)和噪音，影響過(guò)往車輛的行車舒適性，同時(shí)也降低了電車的行駛速度。此外，由于電車軌道導(dǎo)熱較快、溫度較高，即使鋪筑普通瀝青混合料也不能滿足軌道與道路交界面應(yīng)具備的耐高溫性能以及抗沖擊性[1-4]。

伍劍奇等研究認(rèn)為，將聚酯纖維摻入瀝青混凝土中可有效提高其各項(xiàng)路用性能[5]；張?jiān)銎?、李志宏等的研究表明，環(huán)氧瀝青因其強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞性能好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝，可顯著提高橋面的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性[6-7]?；诖?，本文綜合環(huán)氧瀝青良好的高溫穩(wěn)定性與纖維混合料優(yōu)異的柔韌性[8-11]，提出采用摻加纖維的環(huán)氧瀝青混凝土對(duì)平交口道面進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)，并對(duì)平交口道面的抗高溫形變、抗水損害以及抗沖擊性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為道路與軌道平交口鋪裝提供應(yīng)用參考。

1 纖維環(huán)氧瀝青混凝土材料組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料的技術(shù)性質(zhì)

1.1.1 環(huán)氧瀝青

已有研究及實(shí)踐表明，環(huán)氧瀝青混合料具有強(qiáng)度高、韌性好、溫度敏感性小、水穩(wěn)定性好及抗疲勞性能良好等普通瀝青混合料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[12-13]。本文采用日產(chǎn)環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑(樹(shù)脂和固化劑的質(zhì)量比為6∶4)混合制成環(huán)氧膠黏液后，再將環(huán)氧膠黏液與SBS改性瀝青按照4∶1的質(zhì)量比混合制成環(huán)氧瀝青，環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1、2。

選用玄武巖作為電車軌道與路面平交口環(huán)氧瀝青混凝土的集料，礦粉材質(zhì)為石灰石。集料與礦料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表3、4，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 環(huán)氧瀝青基本技術(shù)性質(zhì)

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

表3 集料技術(shù)性質(zhì)

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

1.1.3 纖 維

聚酯纖維具有優(yōu)異的抗拉伸強(qiáng)度及耐高溫性能，并且與瀝青有很強(qiáng)的親和性[14]。將聚酯纖維應(yīng)用于瀝青混凝土中，可有效抑制瀝青混凝土的開(kāi)裂和剝落[15]。本文選取瀝青混合料中的纖維摻量為0.2%，纖維部分技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 聚酯纖維技術(shù)性質(zhì)

1.2 環(huán)氧瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)推薦的AC-13C型級(jí)配，以級(jí)配中值為基準(zhǔn)并結(jié)合平交口道面特殊位置與結(jié)構(gòu)，對(duì)其配比進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)氧瀝青混合料礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

1.2.2 最佳瀝青用量

環(huán)氧瀝青混合料是一種反應(yīng)型混合料，與普通混合料存在較大差異，其馬歇爾穩(wěn)定度以及礦料間隙率等常不滿足馬歇爾試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此環(huán)氧瀝青混合料不宜直接用馬歇爾穩(wěn)定度確定其最佳油石比。在南方濕熱地區(qū)，空隙率對(duì)于路面耐久性的影響非常關(guān)鍵，混合料的透水性、抗疲勞、抗永久變形、抗老化、抗水損壞等重要性能與空隙率指標(biāo)密切相關(guān)，因此結(jié)合美國(guó)Superpave設(shè)計(jì)方法以空隙率指標(biāo)作為環(huán)氧瀝青混合料油石比的設(shè)計(jì)依據(jù)。

成型2組馬歇爾試件，一組固化，另一組未固化，選取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%及6.5%五種不同的油石比，測(cè)定相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表7、8所示。

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在出科考核中的理論知識(shí)、操作技能、臨床思維方面均優(yōu)于對(duì)照組學(xué)生，由此得出結(jié)論，采用虛擬技術(shù)輔助教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)組教學(xué)效果明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的對(duì)照組。從表3 可以看出，在教學(xué)滿意評(píng)價(jià)調(diào)查問(wèn)卷中，實(shí)驗(yàn)組的各項(xiàng)滿意度評(píng)價(jià)均高于對(duì)照組。

表7 固化試件的馬歇爾技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

注：VV為空隙率；VMA為礦料間隙率；VFA為有效瀝青飽和度。

參照相關(guān)資料，以2.2%作為設(shè)計(jì)空隙率，結(jié)合內(nèi)插法得出2組試件對(duì)應(yīng)的瀝青用量分別為5.09%、5.23%，取平均值5.2%為最佳瀝青用量。

表8 未固化試件的馬歇爾技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2 纖維環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)對(duì)纖維環(huán)氧瀝青混凝土的高溫性能予以評(píng)價(jià)，并與普通瀝青混凝土、未摻纖維的環(huán)氧瀝青混凝土的高溫性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表9及圖1所示。

表9 不同瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同瀝青混合料車轍深度隨時(shí)間的變化規(guī)律

由試驗(yàn)結(jié)果可知，3種不同瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度差異較大。環(huán)氧瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度顯著高于普通瀝青混凝土，提高了約12倍，原因在于環(huán)氧瀝青本身固化后形成一種熱固性物質(zhì)，高溫下抗軟化，因此能夠提高普通瀝青混凝土的高溫性能。環(huán)氧瀝青摻加纖維后，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，纖維環(huán)氧瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度較環(huán)氧瀝青混凝土提高約27%，較普通瀝青混凝土提高約110%；究其緣由是因?yàn)榫埘ダw維本身的熔點(diǎn)較高，且纖維吸附多余的自由瀝青，提高混凝土的整體穩(wěn)定性，起到“橋接加筋”作用。結(jié)合環(huán)氧瀝青高溫固化的優(yōu)勢(shì)，兩者綜合作用使纖維環(huán)氧瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于其他瀝青混凝土。另外，由圖1可知：在60 min期間，普通瀝青混凝土的車轍深度整體較高，其次為環(huán)氧瀝青混凝土；隨著時(shí)間的增加，普通瀝青混凝土的車轍深度增加速率遠(yuǎn)高于其他兩類瀝青混凝土，纖維環(huán)氧瀝青混凝土車轍深度的增加速率最小，表明摻加纖維后瀝青混凝土的抗高溫變形性能大幅提高。

2.2 水穩(wěn)定性能

纖維環(huán)氧瀝青混凝土的抗水損害能力對(duì)于道路平交口處的耐久性也至關(guān)重要，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)纖維環(huán)氧瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，并與另外兩類混凝土進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表10所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種類型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均符合規(guī)范要求。與普通瀝青混合料相比，環(huán)氧瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度顯著提高，且摻入纖維后的環(huán)氧瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度較未摻纖維的提高了約6%，較普通瀝青提高了20%，表明纖維環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最為優(yōu)越。這一方面是因?yàn)榄h(huán)氧瀝青發(fā)生固化反應(yīng)后使得混合料的空隙率減小，并且60 ℃下環(huán)氧瀝青可能進(jìn)一步固化；另一方面纖維的加筋作用促進(jìn)混合料集料的整體性加強(qiáng)，從而最終提高了浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度。從凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果可知，纖維環(huán)氧瀝青的劈裂強(qiáng)度比達(dá)到了92.7%，遠(yuǎn)高于其他兩類瀝青混合料，較普通瀝青和環(huán)氧瀝青分別增加22%、9%，表明在聚酯纖維和環(huán)氧瀝青的共同作用下，瀝青混合料的抗水損害性能得到明顯的改善。對(duì)比凍融劈裂強(qiáng)度比不難發(fā)現(xiàn)，纖維環(huán)氧瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比衰減程度僅為4%，而普通瀝青的2次凍融強(qiáng)度比衰減程度達(dá)到了13%，證明在凍融循環(huán)次數(shù)增加的情況下，摻加纖維的環(huán)氧瀝青的抗水損害性能明顯優(yōu)于其他混合料。

表10 混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗沖擊性能

過(guò)往車輛從城市道路過(guò)渡至道路平交口時(shí)，平叉口道面受輪胎不斷的沖擊作用，內(nèi)部微細(xì)裂縫會(huì)經(jīng)歷誘發(fā)、擴(kuò)展、恢復(fù)及再誘發(fā)、再擴(kuò)展等不斷循環(huán)，最終使路面發(fā)生破壞，而破壞荷載強(qiáng)度、材料使用壽命與路面材料或鋪裝結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。本文在借鑒水泥混凝土路面抗沖擊試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用美國(guó)ACI544委員會(huì)提出的“落錘法”抗沖擊試驗(yàn)，評(píng)價(jià)纖維環(huán)氧瀝青混凝土的抗沖擊性能。瀝青混合料的抗沖擊試件為高64 mm、直徑150 mm的圓柱體試件，采用初裂沖擊次數(shù)N1、破壞沖擊次數(shù)N2、初裂和破壞沖擊次數(shù)差值ΔN以及沖擊功W來(lái)表征瀝青混合料的抗沖擊性能，結(jié)果見(jiàn)表11及圖2。

表11 不同瀝青混合料的抗沖擊性能結(jié)果

圖2 不同類型瀝青混合料的抗沖擊次數(shù)

從結(jié)果可以看出，與普通瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土的初裂沖擊次數(shù)與終裂破壞次數(shù)均有所增加，環(huán)氧瀝青混凝土的ΔN達(dá)到了128，比普通瀝青混凝土提高了約70%，這表明環(huán)氧瀝青混凝土不僅能夠延緩裂縫的出現(xiàn)，而且可以推遲裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，即提高混合料抵抗沖擊動(dòng)載的能力。摻加纖維后，纖維環(huán)氧瀝青混凝土的初裂與終裂沖擊次數(shù)分別為3 583和3 764，與環(huán)氧瀝青混凝土相比提高了76%、74%，與普通瀝青混凝土相比提高了103%、104%。另一方面，環(huán)氧瀝青混凝土的沖擊功達(dá)到71.83 J，較環(huán)氧瀝青混凝土和普通瀝青混凝土分別提高了65%、94%。這充分說(shuō)明摻加纖維能進(jìn)一步改善瀝青混合料的抗沖擊能，其原因在于，纖維在混合料的集料間起“橋接”作用，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊動(dòng)載時(shí)，纖維的韌性以及纖維被拉斷拔出抵消了一部分沖擊功，另外聚酯纖維超高的模量值及延伸變形能力會(huì)進(jìn)一步防止裂紋的產(chǎn)生與延伸，從而提高混合料整體的抗沖擊性能。

3 電車軌道與城市道路平交口鋪裝

依據(jù)本文的設(shè)計(jì)配合比，取熱料倉(cāng)中的集料進(jìn)行篩分，適當(dāng)調(diào)整礦料配比，并據(jù)此進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，得到最終的生產(chǎn)配合比，即：1#倉(cāng)(12～16 mm)、2#倉(cāng)(6～11 mm)、3#倉(cāng)(3～6 mm)、4#倉(cāng)(0～3 mm)、礦粉的質(zhì)量比為29∶28∶10∶30∶3，最佳油石比為4.7%。

電車軌道與城市道路平交口鋪裝層分3層，其類型和鋪設(shè)厚度由下至上依次為：25 cm水泥混凝土基層、8 cm AC-20型高模量改性瀝青混凝土、4 cm AC-13型纖維環(huán)氧瀝青混凝土。在水泥混凝土基層與高模量改性瀝青混凝土層間、高模量改性瀝青混凝土與纖維環(huán)氧瀝青混凝土層間均灑布乳化瀝青黏層油，灑布量為0.8 L·m-2。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于南方具有濕熱的氣候特點(diǎn)，不宜采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法對(duì)環(huán)氧瀝青混合料組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，推薦以設(shè)計(jì)空隙率指標(biāo)作為最佳油石比確定的依據(jù)。

(2)環(huán)氧瀝青能改善普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，在一定纖維摻量下，聚酯纖維與環(huán)氧瀝青的共同作用可進(jìn)一步提高普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，尤其可使普通瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力提高110%。

(3)有軌電車平交口道面的抗沖擊性能對(duì)其使用質(zhì)量及壽命十分重要，環(huán)氧瀝青與普通瀝青相比抗沖擊性能提高至60%左右，摻加纖維后抗沖擊性能進(jìn)一步顯著提升，彰顯出纖維優(yōu)良的阻裂效果。

(4)經(jīng)實(shí)際工程路段鋪裝驗(yàn)證，纖維環(huán)氧瀝青混凝土可應(yīng)用于城市道路與電車軌道平交口處，并提高了該路段的路用性能。