纖維增強乳化瀝青碎石封層抗裂性能研究

王航， 徐安， 駱釩， 游世驕， 王小慶

(長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

半剛性基層具有強度高、水穩(wěn)定性好、板體性強、耐沖刷性強等特點，并且便于就地取材，工程造價較低，因此在中國公路建設(shè)過程中得到大量應(yīng)用。但半剛性基層存在的收縮開裂并由此引起瀝青面層的反射裂縫普遍存在以及與上部瀝青結(jié)構(gòu)層黏結(jié)效果差。為了抑制剛性基層開裂導(dǎo)致的瀝青面層開裂同時解決層間黏結(jié)問題，中國引入了纖維碎石封層技術(shù)，纖維碎石封層是指用專用的噴灑設(shè)備同時噴灑瀝青結(jié)合料和纖維然后撒布碎石經(jīng)過碾壓的磨耗層或應(yīng)力吸收中間層的新型道路養(yǎng)護技術(shù)。國內(nèi)外一些學(xué)者對其進行了研究：美國賓西法尼亞大學(xué)的Ghassan R. Chehab和Carlos J. Palacios比較了使用和不使用纖維增強乳化瀝青應(yīng)力吸收層的效果，結(jié)果表明在較低溫度下，纖維乳化瀝青應(yīng)力吸收層具有較高的延展性，阻止裂縫向上傳遞；中國科研機構(gòu)對纖維增強乳化瀝青的抗裂性研究多從材料角度出發(fā)，研究不同類型的封層，分析它們抗裂性的優(yōu)劣。多數(shù)研究表明碎石封層能把基層位移所引起的應(yīng)變消除在夾層范圍之內(nèi)，有效緩解瀝青面層底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而達到抗裂的效果。

然而，對于影響纖維碎石封層抗裂特性的因素研究較少。該文通過改變?yōu)r青用量、纖維摻量、纖維長度3個因素來分析其對纖維增強乳化碎石封層抗裂性能的影響，從而確定出這三者的最佳組合；通過不同類型封層抗裂性的對比，對纖維增強乳化瀝青封層的抗裂特性進行評價并為實際施工提供技術(shù)支持。

1 材料組成及性能指標

封層采用SBR改性乳化瀝青，加鋪層采用90#基質(zhì)瀝青；碎石封層碎石粒徑為5～10 mm石灰?guī)r，技術(shù)指標如表1所示；稀漿封層集料級配見表2；纖維為玻璃纖維，技術(shù)指標見表3；加鋪層AC-13級配及混合料技術(shù)指標見表4、5。

表1 粗集料技術(shù)性能

表2 稀漿封層的礦料級配

表3 玻璃纖維主要技術(shù)指標

2 疲勞斷裂試驗?zāi)Ｐ?/h2>

該文采用改進車轍試驗來模擬車輪對路面的作用，通過車轍儀的加載系統(tǒng)對復(fù)合試件進行加載，通過滾輪在復(fù)合試件上的往返行走來模擬在對稱荷載作用下不同瀝青用量、纖維摻量、纖維長度以及不同封層對路面抗裂性能的影響。車輛通過半剛性基層裂縫處對應(yīng)的碎石封層和瀝青面層時，瀝青面層和碎石封層的受力狀態(tài)可分為3個狀態(tài)：① 車輛荷載位于裂縫一側(cè)時，即偏荷載，產(chǎn)生剪應(yīng)力；② 車輛荷載位于裂縫正上方時，即對稱荷載，產(chǎn)生彎拉應(yīng)力；③ 車輛經(jīng)過裂縫的情況和①相同，但受力方向相反，在剪應(yīng)力和彎拉應(yīng)力交替重復(fù)作用下使基層裂縫逐漸向上擴展，直至最后貫穿面層。據(jù)此提出纖維增強乳化瀝青碎石封層的抗裂性能的試驗方案，以及分析稀漿封層、乳化瀝青碎石封層、纖維增強乳化瀝青封層的特點。試驗裝置如圖1所示。

表4 AC-13瀝青混合料級配

表5 AC-13瀝青混合料技術(shù)指標

圖1 反射裂縫試驗?zāi)Ｐ?單位：mm)

2.1 試驗方案

成型試件通過正交試驗采用改進車轍儀作為加載設(shè)備來模擬加鋪層在對稱荷載下的反復(fù)作用。復(fù)合路面結(jié)構(gòu)由瀝青混合料面層+不同類型封層+水泥混凝土基層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)總厚度為10 cm,為模擬路面裂縫，基層板預(yù)留5 mm裂縫，輪載為0.7 MPa,碾壓頻率為52次/min，試驗溫度為(15±2) ℃。不同因素水平的試驗方案為纖維摻量取值80、100、120 g/m2，乳化瀝青用量1.2、1.6、2.0 kg/m2，纖維長度3、6、9 cm，因素水平見表6；不同封層采用的瀝青均為統(tǒng)一的改性乳化瀝青。

表6 試驗因素水平表

試驗指標：① 瀝青面層在產(chǎn)生開裂時的往返次數(shù)(初裂)；② 瀝青面層裂縫貫穿于瀝青混合料表面時的往返次數(shù)(貫穿裂縫)，初裂和貫穿裂縫的次數(shù)越大，說明封層抗裂性能越好。

2.2 試驗步驟

(1) 水泥混凝土板的制備。首先成型300 mm×300 mm×4 cm的C30水泥混凝土基層板，在水泥混凝土基層板上進行刷毛處理，養(yǎng)生7 d，達到齡期以后將混凝土板切割，中間應(yīng)預(yù)留5 mm左右的裂縫，為保證混凝土板中間的裂縫寬度，在端部壓入寬度為5 mm的木屑。

(2) 復(fù)合試件的成型。在10 cm厚的車轍板模具底部放入1 cm厚的墊板，然后把水泥混凝土板放入車轍板中，清掃基層板，然后先灑布一半乳化瀝青，灑布過程中使乳化瀝青分布均勻，根據(jù)既定方案將纖維均勻撒布在底層乳化瀝青上，纖維的分布方向為二維亂向分布，最后灑布剩下的乳化瀝青，上層乳化瀝青的涂抹一定要均勻，同時將纖維完全覆蓋，不要出現(xiàn)纖維裸露現(xiàn)象。使用小型同步碎石撒布裝置撒布碎石，碎石撒布率60%。撒布完成后用橡膠錘將其嵌入封層內(nèi)，模擬施工現(xiàn)場的碾壓工序。最后加鋪4 cm的AC-13瀝青混合料，成型后的復(fù)合試件如圖2所示?；旌狭霞愉佂瓿珊髮⒂蔀r青混合料和水泥混凝土基層板所構(gòu)成的復(fù)合試件置于輪碾儀的平臺上，因水泥混凝土基層有貫穿的預(yù)裂縫先沿平行于水泥混凝土板接縫的方向碾壓2個往返，卸荷后，抬起碾壓輪調(diào)轉(zhuǎn)方向，施加相同荷載碾壓至馬歇爾標準密實度的(100±1)%，將成型好的試件放置48 h后，脫模取出木屑。

圖2 脫模后的成型試件

(3) 往返加載。最后在車轍板模具底部兩側(cè)放入1 cm厚鋼板，然后把復(fù)合試件放入模具中，試驗中滾輪行走方向垂直于預(yù)裂縫方向。試驗時先啟動車轍儀，然后關(guān)閉車轍記錄儀，試驗輪在垂直于水泥混凝土基層板接縫方向來回行走。

(4) 試驗結(jié)果統(tǒng)計。同一試驗方案，至少有兩個試件，取平均值為最后試驗結(jié)果，若兩次試驗值偏差較大，可補做一組試件，取3組數(shù)據(jù)中結(jié)果較為接近的兩組取平均值。

3 正交試驗及結(jié)果分析

3.1 不同因素水平下的抗裂性對比

正交試驗表如表7所示，表中1、2、3分別表示各因素的不同水平，具體見表6。

3.2 試驗結(jié)果及分析

通過正交設(shè)計進行試驗，測試出在不同水平因子下的抗反射裂縫作用次數(shù)，結(jié)果如表8、9所示。

由表9可知:

(1) 在瀝青用量、纖維摻量、纖維長度這3個因素

表7 正交試驗表

表8 正交試驗結(jié)果

表9 正交結(jié)果分析

中，瀝青用量對封層抗裂性影響最大，作用次數(shù)隨瀝青用量的增加先增加后下降。這是由于作為黏結(jié)料的瀝青用量太少或太多使得纖維加筋作用變差從而影響封層的抗裂效果。

(2) 作用次數(shù)隨纖維摻量的增加而增大是因為一方面纖維的強度較大，可以強化封層的作用；另一方面纖維起到“搭橋”的作用，能夠較好地傳遞應(yīng)力，減少應(yīng)力集中。

(3) 作用次數(shù)隨纖維長度的增加先增大后降低，這是由于纖維過短容易從基體中拔出，影響纖維高強性能的發(fā)揮，如果過長其分散基體應(yīng)力的作用不明顯，因此必須選擇合適的纖維長度。

由以上分析結(jié)果可以得出最佳抗反射裂縫性能的材料用量組合是A3B2C2，即纖維用量120 g/m2，纖維長度6 cm，乳化瀝青用量1.6 kg/m2。

4 不同類型封層抗裂性對比

4.1 不同封層

(1) 稀漿封層

稀漿封層配合比為：集料∶乳化瀝青∶水泥∶水=1 350 g∶168.75 g∶24 g∶135 g。

(2) 乳化瀝青碎石封層

碎石和改性乳化瀝青采用和纖維增強乳化瀝青碎石封層相同的乳化瀝青和碎石，乳化瀝青的用量為1.6 kg/m2。

4.2 試驗結(jié)果及分析

3種不同封層的抗裂性對比如表10所示。

表10 不同封層抗反射裂縫試驗結(jié)果

注：纖維增強乳化瀝青應(yīng)力吸收層試驗結(jié)果采用兩組數(shù)據(jù)。

從表10可知：

(1) 在不同封層所形成的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)初裂時荷載作用次數(shù)由大到小依次是稀漿封層，纖維增強乳化瀝青應(yīng)力吸收層、乳化瀝青碎石封層，最大值是最小值的1.12倍。出現(xiàn)貫穿裂縫時荷載作用次數(shù)由大到小依次是：纖維增強乳化瀝青應(yīng)力吸收層、乳化瀝青碎石封層、稀漿封層，最大值是最小值的2.32倍。

(2) 稀漿封層復(fù)合路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初期裂縫的作用次數(shù)較大，而出現(xiàn)貫穿裂縫的作用次數(shù)最小?？赡苁怯捎谙{封層集料粒徑偏細，而瀝青的灑布量偏大，純粹的瀝青膜厚度較大，因此在裂縫擴展初期，所需的斷裂能較大，一旦裂縫擴展開，在路面結(jié)構(gòu)中發(fā)展很快。

(3) 乳化瀝青中加入纖維的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的初裂作用次數(shù)提高了6.9%，貫穿裂縫作用次數(shù)提高了28.3%。其原因是下層裂縫向上擴展過程中瀝青基體斷裂應(yīng)變小于纖維，當力由機體傳給封層時一旦瀝青受拉斷裂，纖維跨接在裂縫的表面；由于纖維自身具有較強的抗拉能力，能夠阻止或延緩裂縫的擴展。因此，纖維的加入提高了封層的抗裂性能。

5 結(jié)論

(1) 纖維摻量、瀝青用量、纖維長度對纖維增強乳化瀝青碎石封層的抗裂性影響很大，三者之間的合理摻配對碎石封層功能的發(fā)揮有著重大作用。

(2) 基于改進車轍試驗，通過正交試驗結(jié)果表明：對纖維增強乳化瀝青碎石封層抗裂性的影響從小到大依次為：瀝青用量、纖維摻量、纖維長度；基于抗裂性考慮這3個因素之間的最佳摻配為：纖維摻量120 g/m2，纖維長度6 cm，改性乳化瀝青用量1.6 kg/m2。在實際應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合路用性能的其他指標，綜合確定配合比參數(shù)。

(3) 通過對稀漿封層、乳化瀝青碎石封層、纖維增強乳化瀝青碎石封層3種封層對比發(fā)現(xiàn)，稀漿封層作為具有半剛性性質(zhì)應(yīng)力吸收層在阻止初期裂縫方面有優(yōu)勢，但裂縫一旦擴張，稀漿封層的作用就不明顯了。同時通過乳化瀝青下封層和纖維乳化瀝青碎石封層的比較，得出在瀝青中摻入一定量的纖維可以使得下封層的抗裂性能得到一定的提高。