纖維瀝青碎石封層路用性能研究

劉曉聰

（山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006）

我國公路行業(yè)目前已開始從大規(guī)模建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻B(yǎng)并重，正是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展的黃金時期。目前，我國一般采用稀漿封層作為一種常用的養(yǎng)護(hù)措施，然而稀漿封層施工穩(wěn)定性欠佳，在實際施工中極易出現(xiàn)松散、脫落等現(xiàn)象，抗反射裂縫能力不足，壽命過短，嚴(yán)重影響鋪筑效果[1]。纖維瀝青碎石封層由于其中纖維相互交接形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用使得路面具有了一定的抗反射裂縫和水損害的能力[2]。也正是因為這種技術(shù)優(yōu)勢，使得這一技術(shù)有了更廣泛的推廣和使用價值。公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)的路表磨耗層，必須經(jīng)受各種外界條件的作用，任何一項養(yǎng)護(hù)新技術(shù)能否成功使用，養(yǎng)護(hù)效果如何，都基于其路用性能的研究。本文對纖維瀝青碎石封層的路用性能進(jìn)行綜合評價，從而更好地指導(dǎo)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 黏結(jié)性能

由于纖維瀝青碎石封層鋪筑于舊瀝青路面之上，所以其與舊路表面層間的黏結(jié)性能尤為重要，黏結(jié)性能較差容易導(dǎo)致脫石、推移等病害的產(chǎn)生，尤其當(dāng)行車速度較快的時候容易引起交通安全，所以研究此項封層技術(shù)與舊路層間的黏結(jié)性能對于其大面積推廣意義非凡。

1.1 基于高溫變化的拉拔試驗

由于瀝青屬于感溫性材料，溫度對于其黏結(jié)性能的影響最大，溫度越高，封層越軟，黏結(jié)性能越低。因此，本文將通過拉拔試驗對不同溫度條件下封層的黏結(jié)性能進(jìn)行研究分析。

為了能更好地模擬出溫度變化下的封層性能，本文采用在瀝青混合料車轍板上直接按照實際施工的方法撒布一層纖維瀝青碎石封層，經(jīng)碾壓成型后，對封層進(jìn)行拉拔試驗，此時的試驗結(jié)果相對于直剪試驗來說能更加接近實際情況，試驗數(shù)據(jù)更加可靠。

圖1 LGZ-1型拉拔強(qiáng)度儀圖

圖2 拉拔試驗工作示意圖

該試驗車轍板試件采用油石比為4.8%的AC-13瀝青混合料，瀝青選用SBS改性瀝青，集料選擇玄武巖，具體級配如表1所示。

表1 AC-13礦料級配

將試驗完成的車轍板養(yǎng)生放置48 h以上后，直接制作封層試件。封層采用以下配合比（見表2所示）進(jìn)行制作[3]。

表2 纖維碎石封層配合比

1.2 溫度的不同對封層的影響

封層與舊路面之間的黏結(jié)性能是其使用性能中最重要的性能之一，因為只有黏結(jié)牢固的封層，才能評價封層的抗裂、抗水損害及抗疲勞等諸多性能。

夏季天氣炎熱，瀝青路面溫度經(jīng)?？蛇_(dá)60℃以上，作為纖維瀝青碎石封層也應(yīng)該在各種溫度下都保證良好的黏結(jié)力。為了對比分析纖維對拉拔強(qiáng)度所起的作用，本文還成型了不摻加纖維的復(fù)合試件，不同溫度下有、無纖維摻加的封層試件的拉拔強(qiáng)度測試結(jié)果見表3、圖3所示。

表3 不同溫度下有、無纖維摻加的封層試件拉拔強(qiáng)度

由圖3可以得出：

圖3 不同溫度下的拉拔強(qiáng)度

a）隨著溫度的升高，無論是否含有纖維，封層的拉拔強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。瀝青在溫度較低的時候質(zhì)地較硬，此時黏結(jié)力較大，黏結(jié)性能好，但是隨著溫度的升高，瀝青不可避免地會出現(xiàn)變軟的情況，從而黏結(jié)力逐漸降低，封層拉拔強(qiáng)度逐漸降低。

b）通過對有無纖維摻加的封層拉拔強(qiáng)度分析，可以明顯看出，纖維的摻加提升了封層的黏結(jié)性能。這是由于摻加了纖維，纖維在瀝青混合料中形成了亂向分布縱橫交錯的纖維空間體系，纖維層吸附瀝青后形成一層緊密結(jié)構(gòu)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的含量，自由瀝青減少，從而提升了黏結(jié)性能；同時由于纖維的加筋作用，形成的纖維層可以承擔(dān)行車荷載應(yīng)力，從而減少了封層礦料中的相對滑移，也能提高封層的穩(wěn)定性能。

c）從不同溫度的拉拔強(qiáng)度可以看出，5℃時摻加纖維的封層拉拔強(qiáng)度為0.259 MPa，而60℃時拉拔強(qiáng)度為0.081 MPa，隨著溫度的升高，夏季高溫時候的拉拔強(qiáng)度比秋冬季節(jié)時候的拉拔強(qiáng)度降低較為明顯，可見溫度對瀝青路面的黏結(jié)性能影響顯著。

2 防水性能

車輛在快速駛過有雨水的路面時，由于動水壓力的作用，導(dǎo)致封層里面的碎石受到較大壓力的水壓沖刷，極大地降低了瀝青與碎石之間的黏附性，出現(xiàn)各種水損害導(dǎo)致的問題，因此，本文采用動水沖刷試驗來評價封層的抗水損害能力。

2.1 動水沖刷試驗

動水沖刷儀通過調(diào)節(jié)水壓，使動水在不同孔徑的細(xì)孔內(nèi)噴射出，不斷沖刷瀝青包裹的碎石試件，觀察瀝青的裹附情況，記錄碎石在瀝青剝落時的動水壓力，以對不同動水壓力作用下封層的防止水損害的性能進(jìn)行分析。

圖4 動水沖刷試驗儀

圖5 動水沖刷后的試件

2.2 動水壓力變化對封層防水性能的影響

纖維瀝青碎石封層采用表2配合比制作試件，對不同沖刷孔徑進(jìn)行分析，溫度設(shè)定25℃，一組摻加纖維，另一組無纖維摻加來進(jìn)行對比試驗研究。參照瀝青黏附性試驗制作試件，試件制作完成后放入沖刷容器內(nèi)，開啟進(jìn)水相關(guān)裝置，讓水從自由流動逐漸以0.1 MPa的級差進(jìn)行加壓，直至碎石上的瀝青層開始剝落，并記錄下最大沖刷壓力，試驗結(jié)果見表4。

表4 25℃下封層沖刷性能試驗結(jié)果

根據(jù)表4做出不同孔徑下沖刷壓力差變化圖，如圖6所示。

圖6 不同孔徑下瀝青碎石試件所能承受的沖刷壓力

從圖6可以直觀地看出：

a）纖維的摻加使得封層的抗沖刷能力明顯增強(qiáng)，這表明纖維的加入有利于封層混合料的水穩(wěn)定性。這是因為纖維的摻加，使得瀝青與集料之間形成了骨架連接作用，纖維深入碎石表面的開口空隙中，形成錯綜復(fù)雜的纖維網(wǎng)絡(luò)，從而提升了封層的水穩(wěn)定性。

b）無論是否含有纖維，封層的抗沖刷能力均都隨著孔徑的增大而逐漸降低。特別是孔徑大于2 mm時，試件抗沖刷能力呈現(xiàn)出較大的下降趨勢。這是因為孔徑的增大導(dǎo)致試件的沖刷面積增大，瀝青表面膜更容易被刺破，從而導(dǎo)致進(jìn)入試件內(nèi)部的水分增多，抗沖刷能力下降。

3 疲勞性能

3.1 纖維瀝青碎石封層疲勞試驗

3.1.1 復(fù)合小梁試驗

無論是路面還是封層，疲勞破壞總是會先從局部開始，逐漸發(fā)展成路面病害。但是對于封層來說，預(yù)養(yǎng)護(hù)的路段或多或少都存在部分細(xì)微裂縫，或者存在內(nèi)部不均勻，這些細(xì)微裂縫或者不均勻是最容易導(dǎo)致路面封層發(fā)生疲勞破壞的地方，由于用帶有細(xì)微裂縫的試件來進(jìn)行疲勞破壞試驗，效果不甚明顯，而內(nèi)部不均勻結(jié)點又不易找出。為了更為直觀地進(jìn)行纖維瀝青碎石封層疲勞試驗的研究，同時考慮封層是直接加鋪在原路面表面層之上，本文決定采用帶裂縫的復(fù)合小梁進(jìn)行試驗研究，并通過對比分析普通封層試驗來進(jìn)行對比探索，從而反映該技術(shù)的疲勞性能優(yōu)劣。

3.1.2 復(fù)合小梁試件的制作

制作復(fù)合小梁試件，具體的尺寸如圖7標(biāo)注的大小所示，對試件進(jìn)行成型，要確保下層混合料的厚度為2.5 cm、封層和上層混合料厚度一共為如圖7所示的2.5 cm。

圖7 帶裂縫的復(fù)合小梁試件模型（單位：cm）

圖8 疲勞性能試驗設(shè)備

3.2 疲勞試驗結(jié)果分析

上下層的瀝青混合料都采用AC-13型，配合比如表1所示。封層配合比按表2進(jìn)行試驗。本文將通過循環(huán)加載，并與同類型不含纖維的普通封層的試件疲勞試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，更好地研究了纖維瀝青碎石封層對路面壽命影響，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同封層的疲勞壽命

由圖9可以看出，纖維瀝青碎石封層的疲勞壽命結(jié)果優(yōu)勢顯著，比不含纖維的普通改性乳化瀝青封層的疲勞壽命大約提升了23%，極大地提升了鋪筑改性封層路面的使用壽命。這是由于纖維在封層當(dāng)中的相互搭接，形成的致密網(wǎng)狀結(jié)果，提升了纖維瀝青碎石封層整體的抗剪能力、抗拉能力，從而才能使得疲勞壽命提升較為明顯。

4 結(jié)語

a）通過對不同溫度下的拉拔試驗分析，可見無論是否摻有纖維其拉拔強(qiáng)度的變化規(guī)律均為隨著溫度的提升而下降，其中在15℃～30℃時候下降明顯。但是摻有纖維的碎石封層比無纖維的普通封層拉拔強(qiáng)度均提升了1.5倍左右。

b）纖維瀝青碎石封層由于纖維的摻入，使得抗沖刷能力增強(qiáng)明顯。

c）通過復(fù)合小梁試驗發(fā)現(xiàn)，纖維瀝青碎石封層的疲勞壽命比不含纖維的普通改性乳化瀝青封層的疲勞壽命大約提升了23%，優(yōu)勢顯著。