摘 要:該文結(jié)合石家莊市北部片區(qū)城市基礎(chǔ)設(shè)施提升改造工程,對(duì)采用玻璃纖維封層技術(shù)的瀝青面層進(jìn)行理論分析,并比較其與傳統(tǒng)瀝青面層在施工技術(shù)方面的差異;同時(shí),對(duì)其路用性能進(jìn)行分析和探討。研究結(jié)果表明,添加玻璃纖維封層的瀝青面層在抗車(chē)轍性能和抗剪切性能方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青面層?;谶@一優(yōu)勢(shì),其他改造工程可考慮采用該技術(shù)以提升路面性能;該文所述施工技術(shù)對(duì)類(lèi)似工程具有參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞:玻璃纖維封層;瀝青面層;施工技術(shù);抗車(chē)轍性能;抗剪切性能
中圖分類(lèi)號(hào):U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2024)30-0168-04
Abstract: Based on the urban infrastructure upgrading and reconstruction project in the northern area of Shijiazhuang City, this paper theoretically analyzes the asphalt surface layer using glass fiber sealing technology, and compares the differences in construction technology between it and traditional asphalt surface layer. At the same time, its road performance is analyzed and discussed. The research results show that the asphalt surface layer added with glass fiber sealing layer is significantly better than the traditional asphalt surface layer in terms UoDEBPp4EnDsSzqF6KpR0g==of rutting resistance and shear resistance. Based on this advantage, other reconstruction projects can consider using this technology to improve pavement performance; the construction technology described in this paper has reference value for similar projects.
Keywords: glass fiber seal; asphalt surface layer; construction technology; rutting resistance; shear resistance
城市道路工程對(duì)城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展至關(guān)重要,不僅為城市交通提供了便利,也是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)生活的重要載體。因此,近年來(lái),長(zhǎng)壽命路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、材料性能評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)化施工及后期維護(hù)等研究受到廣泛關(guān)注[1]。目前,國(guó)內(nèi)外與道路相關(guān)的研究人員已對(duì)此進(jìn)行了一系列相關(guān)探索研究,覃瀟等[2]通過(guò)設(shè)置對(duì)照組試驗(yàn),以玻璃纖維作為改性劑為變量,對(duì)摻入到瀝青混合料中對(duì)其性能的提升作用進(jìn)行探究;楊飛龍[3]通過(guò)BBR(彎曲梁復(fù)合試驗(yàn))和DSR(動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn))探究了添加玻璃纖維的瀝青在高溫和低溫條件下的性能表現(xiàn),經(jīng)過(guò)研究結(jié)果顯示,添加玻璃纖維可以顯著改善瀝青的高溫和低溫性能,這種特性造就其具有提高路面的耐久性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì);郭寅川等[4]的研究則發(fā)現(xiàn),將玻璃纖維摻入到礫石瀝青混合料后,不僅能夠提升其在高溫環(huán)境下的性能,還能改善其疲勞性能。這意味著添加玻璃纖維可以增強(qiáng)混合料的抗變形能力和耐久性,有助于延長(zhǎng)路面的使用壽命,減少維護(hù)和修復(fù)的頻率,從而降低維護(hù)成本并提高道路的整體質(zhì)量。張爭(zhēng)奇等[5]通過(guò)網(wǎng)籃析漏試驗(yàn)、沉錐試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn),對(duì)纖維在瀝青的穩(wěn)定和吸附作用兩方面進(jìn)行了討論。綜上所述,當(dāng)前關(guān)于纖維增強(qiáng)材料在瀝青路面中的研究主要集中在玻璃纖維對(duì)瀝青封層性能的改善方面。盡管這些研究結(jié)果表明添加玻璃纖維能夠顯著提升瀝青路面的高、低溫性能以及疲勞性能,但在實(shí)際施工過(guò)程中的施工技術(shù)研究尚不完善。因此,本文對(duì)玻璃纖維封層的瀝青面層的施工技術(shù)進(jìn)行研究,以期為同類(lèi)工程后續(xù)瀝青面層添加玻璃纖維封層施工提供借鑒。
1 工程概況
本項(xiàng)目為針對(duì)石家莊市北部片區(qū)進(jìn)行城市基礎(chǔ)設(shè)施提升改造的工程。主線橋2座,分別為南水北調(diào)橋和石津渠橋;輔道橋6座,分別為南輔道跨太平河橋、南輔道跨古運(yùn)河橋、南輔道跨石津渠橋、北輔道跨古運(yùn)河橋、北輔道跨石津渠橋和北輔道慢行橋。橋面鋪裝可分為現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁、預(yù)制箱梁?,F(xiàn)澆箱梁橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+防水層+8 cm現(xiàn)澆層;南水北調(diào)鋼箱梁橋面鋪裝為3.5 cm澆筑式瀝青混凝土+3.5 cm SMA瀝青混凝土;石津渠橋、南輔道跨太平河橋鋼箱梁橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+防水層+8 cm C50聚丙烯纖維混凝土;預(yù)制箱梁橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+防水層+8 cm現(xiàn)澆調(diào)平層。本文選取其中的石津渠橋作為介紹基于玻璃纖維封層的瀝青面層施工技術(shù)的案例橋(圖1)。其中,橋面瀝青混凝土層間:增設(shè)玻璃纖維碎石封層。
2 纖維封層技術(shù)
纖維封層技術(shù)最先是由法國(guó)賽格瑪公司發(fā)明,后在亞洲、南美洲、北美洲以及澳洲、非洲等地的數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)普遍采用。在高速公路施工所用瀝青中常用纖維分為鋼纖維和軟纖維,鋼纖維為金屬材料,軟纖維為一種合成材料[6]。近些年,合成纖維的發(fā)展勢(shì)頭異常迅猛,本文所述的玻璃纖維就歸屬其中,因其可以有效克服鋼纖維所具有的易被腐蝕及“凸尖”等不利現(xiàn)象出現(xiàn)而被廣泛采用。
纖維封層技術(shù)[7]是指利用專(zhuān)門(mén)設(shè)備將玻璃纖維撒入瀝青黏結(jié)料中,再在其上面噴灑粗集料,碾壓后生成應(yīng)力吸收層的工藝技術(shù)。該工藝的特點(diǎn)便決定于特別適合舊瀝青路面改造、作為面層層間應(yīng)力吸收層和磨耗層施工。因其對(duì)道路有一定的保護(hù),使其維護(hù)頻率降低、使用壽命延長(zhǎng)。纖維封層屬于瀝青路面碎石封層技術(shù)中的一種,為了預(yù)防表層空氣進(jìn)入或水分流入,在瀝青層位之間鋪上幾厘米厚的瀝青黏結(jié)料,并按照所鋪設(shè)位置不同分為下封層(應(yīng)力吸收層)和上封層(表面磨耗層)。
結(jié)合各類(lèi)研究學(xué)者的研究表明,玻璃纖維封層技術(shù)具備下列優(yōu)點(diǎn)。
穩(wěn)定性良好。玻璃纖維封層結(jié)構(gòu)使得結(jié)構(gòu)物料間互相作用形成了致密纏繞構(gòu)造,使得封層的密封性得以提升;玻璃纖維在構(gòu)造中有搭接作用,可提升上下兩層路面的吸附能力,并使得原有路面上形成了致密的保護(hù)膜,提高了在使用過(guò)程中道路的穩(wěn)定性。
應(yīng)力吸收和分散能力良好。由于玻璃纖維在彈性模量值和抗拉伸強(qiáng)度方面均表現(xiàn)出較高性能,使其在封層中形成的纏繞結(jié)構(gòu)不僅有效提高了封層的抗壓、抗拉、抗剪和抗沖擊強(qiáng)度,還增強(qiáng)了路面的整體穩(wěn)定性和耐久性。此外玻璃纖維封層具備較高的彈力、張力和對(duì)外界應(yīng)力較強(qiáng)的粉碎性吸收能力,因此常被作為應(yīng)力吸收層[2],鋪設(shè)于新舊瀝青面層之間或作為黏結(jié)層鋪設(shè)在新建瀝青路面面層與基層之間,較大幅度地提高了道路的使用壽命。
防水性高。由于玻璃纖維封層延展能力大,彈性模量值高,抗拉強(qiáng)度超出溫變拉應(yīng)力,在北方寒冷季節(jié)里,可以減少路面的低溫脆裂破壞,降低由于溫度低對(duì)瀝青路面造成的開(kāi)裂破壞,遏制了水破壞。
耐磨性高。玻璃纖維封層技術(shù)最后一道工序是撒布粗集料,粗集料滲透到瀝青混合料和玻璃纖維所組成的構(gòu)造中,壓實(shí)過(guò)后,結(jié)合料構(gòu)造緊緊包裹住集料,構(gòu)成復(fù)合嵌鎖體系,很好地遏制了碎石的脫卸、移位。利用纖維封層技術(shù),提高了路面耐磨損性能,延長(zhǎng)了道路路面的使用壽命。
綜上所述,玻璃纖維封層可以提高道路在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性并且作為應(yīng)力吸收層可以發(fā)揮很好的防水、層間黏結(jié)作用,鋪設(shè)于下面層和中面層層間也能獲得較好的層間黏結(jié)性能。同時(shí)纖維的加入適用于寒冷天氣并能提高其耐磨性能。本文基于上述所提及的玻璃纖維優(yōu)勢(shì)并結(jié)合該工程,以期為玻璃纖維封層的瀝青面層的推廣和施工技術(shù)提供一定的參考。
3 施工技術(shù)說(shuō)明
3.1 玻璃纖維最佳灑布量確定
設(shè)置3組不同溫度作為控制變量,對(duì)面層進(jìn)行直向剪切試驗(yàn)和豎向拉拔試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)得出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析瀝青灑布量伴隨著拉應(yīng)力、剪應(yīng)力數(shù)值變化之間關(guān)系,根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果確定玻璃纖維加強(qiáng)型改性瀝青在對(duì)應(yīng)封層中的最佳灑布量。其是為了達(dá)到瀝青和玻璃纖維能夠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)包裹住碎石和瀝青混合料的目的[8]。因?yàn)槔w維過(guò)量,多余的纖維也不會(huì)參與層間結(jié)構(gòu),反而會(huì)削弱層間原有的抗剪強(qiáng)度。本工程通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果,本路段玻璃纖維加強(qiáng)型改性瀝青的摻量宜取為1.5~1.8 kg/m2。
3.2 黏結(jié)材料選擇
綜合考慮上述瀝青和纖維的摻量,該工程的黏層材料選用SBS改性瀝青,黏層的復(fù)合試件選用玻璃纖維加強(qiáng)型改性瀝青,選用此黏結(jié)材料是因?yàn)槠鋵娱g剪切強(qiáng)度和抗拉拔強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未用玻璃纖維增強(qiáng)瀝青材料作為防水黏層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
3.3 加鋪層厚度選擇
本工程中,采用4 cm厚的SMA-13瀝青瑪碲脂碎石混合料(SBS改性)作為上封層,不僅可滿(mǎn)足瀝青路面的防水要求,還能提供良好的耐久性和性能。對(duì)于存在局部漬水問(wèn)題的路段,除結(jié)合現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑煲约涌炻繁硭呐欧潘俣韧猓€需要在整個(gè)施工過(guò)程中注意恢復(fù)路面的橫坡和路肩內(nèi)的縱、橫向排水設(shè)施,以最大程度來(lái)減少水對(duì)路面的損害。在瀝青加鋪層的施工過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制瀝青混合料的孔隙率,確保施工質(zhì)量,提高穩(wěn)定性和壓實(shí)度,從而有效減少層間水的產(chǎn)生。
3.4 鋪設(shè)玻璃纖維
為了減少或延緩反射裂縫的產(chǎn)生,對(duì)路面進(jìn)行長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增設(shè)玻璃纖維碎石封層。該工程選用E型無(wú)堿玻璃纖維無(wú)捻粗砂,纖維堿含量0.5%以下,單纖維直徑13 μm,浸潤(rùn)劑采用硅烷。另外需要格外注意鋪設(shè)玻璃纖維時(shí)的溫度,因?yàn)闉r青混合料的攤鋪溫度區(qū)間多為130~200 ℃,所以玻璃纖維要想發(fā)揮其原有的性能,還應(yīng)具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和耐高溫性能。
待使用三輥軸攤鋪機(jī)將瀝青碎石面層的下部分?jǐn)備亯簩?shí)完成后,待路面清潔干燥后,方可進(jìn)行玻纖的鋪設(shè),纖維鋪設(shè)效果圖如圖2所示。
在灑布瀝青時(shí),結(jié)合全副寬度調(diào)整灑布寬度,以便減少灑布次數(shù)來(lái)縮短工期,將玻璃纖維破碎成規(guī)定尺寸,與此同時(shí)灑布1層瀝青,灑布第2層瀝青時(shí)控制溫度和車(chē)速,車(chē)速控制在3.6 km/h左右,溫度應(yīng)不低于80 ℃。玻璃纖維封層灑布后,進(jìn)行場(chǎng)地封閉,杜絕其他非必要車(chē)輛通行?;旌狭线\(yùn)輸車(chē)在其上方的行駛速度也應(yīng)當(dāng)控制在10 km/h以下。
3.5 碎石灑布
碎石灑布車(chē)?yán)m(xù)接跟進(jìn)纖維封層設(shè)備進(jìn)行碎石灑布,兩臺(tái)設(shè)備速度相匹配,寬度可在0.26~3.75 m之間調(diào)整。在整個(gè)灑布過(guò)程中保持勻速行駛,以保障瀝青厚度和石料的均勻性。
3.6 細(xì)節(jié)處理
每車(chē)料的始點(diǎn)、終點(diǎn)位置處的縱向裂縫結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行人工處理,混凝土澆筑過(guò)程中派專(zhuān)人檢查保護(hù)層厚度,如有個(gè)別不合格處及時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整,且盡量縮短調(diào)整時(shí)間。
3.7 碾壓
攤鋪施工結(jié)束后可以馬上開(kāi)始碾壓工作,必須確保壓實(shí)均勻。瀝青混合料的碾壓按3步進(jìn)行,初壓、復(fù)壓和終壓。
上面層初壓:灑布一段碎石,膠輪壓路機(jī)應(yīng)緊跟在攤鋪機(jī)之后靜壓1~2遍,碾壓初速度控制在2 km/h以?xún)?nèi)最優(yōu),后續(xù)可適當(dāng)提速,碾壓重疊寬度宜為2~3 cm。初壓是為了保證面層達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),以利于后續(xù)復(fù)壓時(shí)承受較大的壓實(shí)作用力。
上面層復(fù)壓:在中型單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振壓1~2遍基礎(chǔ)上,再用輪胎壓路機(jī)碾壓3~4遍,直至鋪筑層達(dá)到要求壓密度。復(fù)壓目的是保證面層的密實(shí)度達(dá)到最大。
上面層終壓:采用6~14 t振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行靜壓2~3遍,經(jīng)穩(wěn)壓后的碎石顆粒浸入深度為粒徑的1/2為宜且表面無(wú)輪跡。保證路面平整度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
4 施工質(zhì)量檢測(cè)
4.1 壓實(shí)度檢測(cè)
在本項(xiàng)目工程中,對(duì)已完成的瀝青面層進(jìn)行檢驗(yàn)與測(cè)試。檢測(cè)時(shí)我們采用鉆芯取樣的技術(shù)手段,分別在瀝青路面的上面層和下面層進(jìn)行了樣本的采集,以全面評(píng)估其質(zhì)量狀況。當(dāng)長(zhǎng)度不大于500 m時(shí)測(cè)5點(diǎn),每增加100 m增加2點(diǎn)。該路段采用馬歇爾壓實(shí)度實(shí)測(cè)。測(cè)試檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如下所示:馬歇爾壓實(shí)度實(shí)際測(cè)量值分別為97.5%、98.6%、98.6%、98.3%、98.9%、98.5%、98.4%,檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo);最大密度壓實(shí)度在理論層面上實(shí)際測(cè)量值分別為93.1%、92.2%、93.8%、94.5%、93.5%、94.3%、94.0%,滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。
4.2 彎沉檢測(cè)
在本工程中,針對(duì)上面層左右兩幅路段,設(shè)置了測(cè)點(diǎn),并采用貝克曼梁法測(cè)定彎沉值[9]。
通過(guò)觀察實(shí)測(cè)的平均回彈彎沉值,我們得以評(píng)估瀝青面層施工中彎沉指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,上面層左幅路段的平均回彈彎沉值為7.13 mm,而右幅路段則為7.36 mm,均滿(mǎn)足瀝青面層施工對(duì)于彎沉指標(biāo)的相關(guān)規(guī)定。
4.3 構(gòu)造深度檢測(cè)
本項(xiàng)目工程采用鋪砂法技術(shù)手段檢測(cè)其構(gòu)造深度,當(dāng)探測(cè)深度不超過(guò)200 m時(shí),應(yīng)設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn);之后每增加100 m的深度,需額外增設(shè)1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。經(jīng)檢測(cè),構(gòu)造深度的實(shí)測(cè)值范圍在0.86~0.94 mm,這完全符合設(shè)計(jì)要求的0.7~1.1 mm區(qū)間,且檢測(cè)點(diǎn)的合格率為100%。
4.4 滲水系數(shù)檢測(cè)
為了確保已完工瀝青路面的防水性能,通過(guò)滲水儀進(jìn)行滲水系數(shù)的測(cè)定,有效地檢測(cè)路面的滲水性能,使其防水性能達(dá)標(biāo)。在檢測(cè)過(guò)程中,每500 m2測(cè)定1處,以確保全面性和代表性。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,路面的滲水系數(shù)實(shí)測(cè)值位于56~78 mL/min的范圍內(nèi),所有實(shí)測(cè)值均嚴(yán)格遵循技術(shù)規(guī)范要求,遠(yuǎn)低于規(guī)范中設(shè)定的300 mL/min的限值。該結(jié)果表明路面能夠有效地抵御水的滲透,可減少路面結(jié)構(gòu)受到水侵蝕而導(dǎo)致的損壞,從而延長(zhǎng)路面的使用壽命。通過(guò)檢測(cè)和評(píng)估,確保了瀝青路面在使用過(guò)程中具有良好的防水性能,從而提高路面的質(zhì)量和可靠性,降低維護(hù)和修復(fù)的頻率,從而確保道路的安全與暢通無(wú)阻。
4.5 抗車(chē)轍性能檢測(cè)
為了全面評(píng)估高溫穩(wěn)定性,我們應(yīng)當(dāng)結(jié)合動(dòng)穩(wěn)定度和車(chē)轍深度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合考量。在工程實(shí)踐中,根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),構(gòu)建了相應(yīng)的溫度場(chǎng)模型,其中選定的溫度為60 ℃,荷載為0.7 MPa。在此基礎(chǔ)上,我們利用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)以及車(chē)轍深度指標(biāo)RDI來(lái)綜合評(píng)價(jià)混合料在高溫環(huán)境下的性能表現(xiàn),從而確保路面的穩(wěn)定性和耐久性。
4.6 平整度檢測(cè)
對(duì)路面選用平整度儀檢測(cè)其平整度指標(biāo),檢測(cè)范圍是全橋每車(chē)道。檢測(cè)結(jié)果如下:平整度儀測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)差實(shí)測(cè)值σ為1 mm,國(guó)際平整度指數(shù)IRI實(shí)測(cè)值為1.2 m/km,平整度實(shí)際測(cè)量數(shù)值均在2~3 mm之間,完全達(dá)到了技術(shù)規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。
5 結(jié)束語(yǔ)
在城市各級(jí)道路工程建設(shè)中,我們應(yīng)高度重視并嚴(yán)格控制瀝青面層的施工質(zhì)量,致力于提升路面的舒適度、美觀度和抗?jié)B性能,并注重道路長(zhǎng)壽面層設(shè)計(jì),以確保其持久耐用與市民的安全舒適出行。結(jié)合本工程的實(shí)際案例,在瀝青面層中增加玻璃纖維封層可提高路面各項(xiàng)性能,針對(duì)該工程的實(shí)際施工工藝和玻璃封層技術(shù)得出如下結(jié)論:
1)在瀝青面層中增加玻璃纖維封層提高了路面的彈性模量值,因此在瀝青面層施工中灑布玻璃纖維能有效提高面層的抗剪切性能。
2)在輪胎的反復(fù)碾壓和高溫環(huán)境的共同影響下,瀝青路面中的瀝青膠漿容易發(fā)生流動(dòng),進(jìn)而促使輪跡處的混合料產(chǎn)生橫向變形。通過(guò)向混合料中加入玻璃纖維,能夠形成一個(gè)有效的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),阻礙瀝青的流動(dòng)。這一做法不僅加強(qiáng)了礦質(zhì)骨架的約束和阻礙作用,還顯著提升了瀝青路面的抗車(chē)轍能力,從而確保路面的穩(wěn)定性和耐久性。
3)玻璃纖維的加入能夠顯著加強(qiáng)瀝青與碎石之間的黏著性,使得封層在鋪設(shè)時(shí)能夠均勻展布。這種均勻分布不僅有助于分散路表各向應(yīng)力,還能明顯提升封層的抗?jié)B性能,從而提高路面的耐久性和使用壽命。
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第一作者簡(jiǎn)介:詹迎(1996-),男,助理工程師。研究方向?yàn)楣饭こ淌┕そㄔO(shè)管理。