纖維碎石封層性能影響因素研究

李小鵬

摘 要：目前，我國(guó)瀝青路面存在早期病害突出、功能型病害顯著的特點(diǎn)，對(duì)于瀝青路面路用性能的不足，常用微表處、碎石封層、薄層罩面等措施進(jìn)行改善。而微表處在使用的過(guò)程中，存在行車噪聲大的缺點(diǎn)，薄層罩面僅用于改善路面功能型不足，經(jīng)濟(jì)性稍差，為此本文主要研究了纖維碎石封層的相關(guān)性能。本文針對(duì)纖維碎石封層在使用過(guò)程中出現(xiàn)的泛油及松散病害，分別利用負(fù)荷輪試驗(yàn)及掃刷試驗(yàn)，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對(duì)纖維碎石封層高溫性能及剝落率的影響，并確定了各種材料的最佳用量，結(jié)果表明：隨集料用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)增大趨勢(shì);瀝青用量的增大，能夠顯著降低纖維碎石封層的剝落率，提高集料的粘結(jié)穩(wěn)定性;但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致纖維碎石封層泛油病害的增大;隨著纖維用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：路用性能;預(yù)防性養(yǎng)護(hù);纖維碎石封層;泛油性能;剝落性能

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

由于我國(guó)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，主要是以道路所在地區(qū)的氣候交通特點(diǎn)為基礎(chǔ)的半剛性基層路面設(shè)計(jì)，這種“強(qiáng)基薄面”的路面結(jié)構(gòu)，使路面的病害主要發(fā)生在瀝青面層，尤其是上面層。上面層的病害類型，往往以功能型破壞為主，如抗滑性能不足、磨光、平整度差及裂縫等，對(duì)于此類病害，常用的改善措施，主要包括：稀漿封層、微表處、碎石封層、就地?zé)嵩偕氨诱置娴?。其中微表處及碎石封層作為表面處治層，用于改善路面的功能性不足?jīng)濟(jì)性較好。而微表處在使用的過(guò)程中，存在行車噪聲過(guò)大、行車舒適性低的缺點(diǎn);碎石封層在使用的過(guò)程中，存在剝落性能差、層間粘結(jié)不足等缺點(diǎn)[1-2]。

為此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了一種纖維加強(qiáng)型碎石封層，即在瀝青膠結(jié)料與碎石層之間撒布一層纖維層，用于提高碎石封層與下承層之間的粘結(jié)性能及碎石封層內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度。此外，纖維之間在瀝青與碎石層間相互搭接，形成一層具有高彈性和高強(qiáng)度的防護(hù)網(wǎng)墊，從而具有良好的吸收應(yīng)力和分散應(yīng)力的作用[3，4，6]。本文針對(duì)纖維碎石封層在使用過(guò)程中出現(xiàn)的泛油及松散病害，分別利用負(fù)荷輪試驗(yàn)及掃刷試驗(yàn)，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對(duì)纖維碎石封層高溫性能及剝落率的影響，并確定了各種材料的最佳用量。

1 原材料

（1）瀝青。對(duì)于纖維碎石封層，其粘結(jié)料分為熱瀝青及乳化瀝青兩大類，本文主要選用優(yōu)質(zhì)SBS改性瀝青作為纖維碎石封層的粘結(jié)料，其性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的SBS改性瀝青檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，本研究選用的膠結(jié)料，其性能均滿足規(guī)范要求。

（2）集料。集料作為纖維碎石封層中的主要組成部分，其力學(xué)性能、棱角性能等直接影響纖維碎石封層的力學(xué)性能及路用性能，如封層的高溫性能及抗滑性能等。本文成型纖維碎石封層，選用的集料粒徑為6.3 mm～9.5 mm，其性能檢測(cè)結(jié)果分別見表2。

（3）纖維。工程中常用的纖維，可以分為玻璃纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維及鋼纖維等[2]，其中玻璃纖維作為一種無(wú)機(jī)非金屬材料，具有抗腐蝕、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此，本文選用玻璃纖維來(lái)成型纖維碎石封層，其性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

纖維碎石封層，作為碎石封層的一種，其主要病害包括泛油和松散，其配合比設(shè)計(jì)也應(yīng)參考碎石封層的設(shè)計(jì)方法[7]。目前，碎石封層的設(shè)計(jì)，主要是病害導(dǎo)向型的材料用量確定，包括碎石、瀝青等材料用量的確定，即分別研究材料用量對(duì)碎石封層高溫泛油性能及松散性能的影響，從而確定適宜的材料用量。常用的確定方法是負(fù)荷輪試驗(yàn)及掃刷試驗(yàn)，其中負(fù)荷輪試驗(yàn)，主要用于評(píng)價(jià)材料的用量對(duì)碎石封層高溫性能的影響;而掃刷試驗(yàn)，主要用于評(píng)價(jià)材料用量對(duì)碎石封層抗剝落性能的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）集料用量的影響。集料作為纖維碎石封層的主要組成部分，其用量的多少直接影響纖維碎石封層在路表的覆蓋率。本文研究了集料用量分別為6、7、8及9 kg/m2時(shí)，纖維碎石封層的抗剝落性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碎石用量增大時(shí)，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其是當(dāng)集料用量超過(guò)7 kg/m2時(shí)，集料用量的增加導(dǎo)致的纖維碎石封層的剝落率增加幅度最明顯。這種情況主要是因?yàn)椋?dāng)集料用量過(guò)多時(shí)，集料顆粒由單粒式單層排布向雙層排布轉(zhuǎn)變，此時(shí)原本穩(wěn)定的排布狀態(tài)逐漸喪失，表現(xiàn)為集料的穩(wěn)定性變差，纖維碎石封層的集料剝落率增大。根據(jù)上述結(jié)果，認(rèn)為集料用量為7 kg/m2是適宜的。

（2）瀝青用量的影響。瀝青，作為纖維碎石封層中的粘結(jié)料，對(duì)纖維碎石封層中集料的粘結(jié)作用有顯著的影響。當(dāng)瀝青用量過(guò)多時(shí)，集料的埋置深度便相對(duì)增大，在夏季重載交通的作用下，瀝青向上爬升并填充在封層表面，產(chǎn)生泛油病害，導(dǎo)致路面抗滑性能的降低，并影響車輛的行駛安全性。而瀝青用量過(guò)少，則會(huì)導(dǎo)致瀝青與集料間的粘結(jié)力不足，在車輛荷載的作用下，集料與瀝青的粘結(jié)狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生集料的剝落。此外，當(dāng)瀝青用量較少時(shí)，瀝青與集料的粘結(jié)力在水的作用下，將呈現(xiàn)顯著的降低，導(dǎo)致纖維碎石封層發(fā)生水損害松散，影響其性能的發(fā)揮。為此，本文分別利用負(fù)荷輪試驗(yàn)及掃刷試驗(yàn)，研究了瀝青用量為1.4、1.6、1.8、2.0及2.2 kg/m2時(shí)，纖維碎石封層的泛油性能及松散性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。并繪制于圖4。

根據(jù)表4及圖4中的瀝青用量對(duì)纖維碎石封層高溫泛油性能及剝落性能的影響，可以發(fā)現(xiàn)，隨著瀝青用量的增加，纖維碎石封層的粘砂量呈現(xiàn)顯著的增大趨勢(shì)，如圖4所示，當(dāng)瀝青用量由1.4 kg/m2增加為2.2 kg/m2時(shí)，纖維碎石封層每平米的粘砂量由770 g增加為1 040 g，增加幅度達(dá)到了35.1%;這種由于瀝青用量的增加導(dǎo)致的粘砂量增大的情況，說(shuō)明瀝青用量的增加，會(huì)顯著增大纖維碎石封層的泛油病害。這種情況主要是由于，當(dāng)瀝青用量過(guò)多時(shí)，集料埋置于瀝青中的深度顯著增大，導(dǎo)致瀝青在車輛荷載的作用下，更容易移動(dòng)至封層表面，產(chǎn)生泛油病害。因此，在實(shí)際的施工過(guò)程中，應(yīng)避免瀝青用量過(guò)多。

此外，根據(jù)瀝青對(duì)纖維碎石封層剝落性能的影響，可以發(fā)現(xiàn)，瀝青用量的增加，能夠顯著改善纖維碎石封層的集料剝落率，如表4所示，當(dāng)瀝青用量由1.4 kg/m2增加為2.2 kg/m2時(shí)，纖維碎石封層的剝落率由10.8%降低為5.2%，降低幅度達(dá)到了50%;這種由于瀝青用量的增加導(dǎo)致的剝落率降低的情況，說(shuō)明瀝青用量的增加，會(huì)顯著降低纖維碎石封層的剝落病害。這種情況主要是由于，當(dāng)瀝青用量過(guò)多時(shí)，集料埋置于瀝青中的深度顯著增大，因而能夠明顯增大集料的附著力，在車輛荷載的作用下，其穩(wěn)定性也更強(qiáng)。

上述結(jié)果表明，瀝青用量的增加，有利于纖維碎石封層的抗剝落性能，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其泛油情況惡化，因此，本文將瀝青的用量定為1.8 kg/m2。

（3）纖維用量的影響。研究表明，纖維的增加，能夠交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高碎石封層的抗拉、抗剪和抗沖擊性能。但當(dāng)纖維用量過(guò)多時(shí)，往往適得其反，容易在碎石封層與下承層之間形成薄弱面，導(dǎo)致纖維碎石封層性能的劣化。為此，本文分別研究了纖維用量為0、50、70、90及110 g/m2時(shí)，纖維碎石封層的剝落率變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維用量的增加，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，這種情況主要是因?yàn)?，?dāng)纖維用量較少時(shí)，相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)尚未形成，纖維對(duì)集料的聯(lián)結(jié)作用尚未完全形成，因而剝落率相對(duì)較大;隨著纖維用量的逐漸增加，纖維網(wǎng)的完善程度逐漸提高，當(dāng)纖維用量達(dá)到70 g/m2時(shí)，纖維網(wǎng)完全形成，此時(shí)纖維碎石封層的剝落性能最優(yōu)。而當(dāng)纖維用量進(jìn)一步提升時(shí)，除形成纖維網(wǎng)的纖維外，會(huì)存在多余的自由纖維，無(wú)法與瀝青充分交織，因而會(huì)在碎石封層與下承層之間形成薄弱面，導(dǎo)致纖維碎石封層的剝落率反而降低。因此，本文認(rèn)為70 g/m2的纖維用量是適宜的。

4 結(jié)論

本文針對(duì)纖維碎石封層在使用過(guò)程中出現(xiàn)的泛油及松散病害，分別利用負(fù)荷輪試驗(yàn)及掃刷試驗(yàn)，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對(duì)纖維碎石封層高溫性能及剝落率的影響，并確定了各種材料的最佳用量，并得到以下結(jié)論：

（1）隨集料用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其是當(dāng)集料用量超過(guò)7 kg/m2時(shí)，集料用量的增加導(dǎo)致的纖維碎石封層的剝落率增加幅度最明顯，因此認(rèn)為集料用量為7 kg/m2是適宜的。（2）瀝青用量的增大，能夠顯著降低纖維碎石封層的剝落率，提高集料的粘結(jié)穩(wěn)定性;但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致纖維碎石封層泛油病害的增大，當(dāng)瀝青用量定為1.8 kg/m2時(shí)，纖維碎石封層的泛油病害及剝落性能均較為穩(wěn)定。（3）隨著纖維用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，當(dāng)纖維用量達(dá)到70 g/m2時(shí)，纖維網(wǎng)完全形成，此時(shí)纖維碎石封層的剝落性能最優(yōu)。

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