纖維封層技術(shù)應(yīng)用于橋面薄層罩面的配合比研究

□文 /李金龍

纖維封層技術(shù)應(yīng)用于橋面薄層罩面是指采用纖維封層核心設(shè)備同時(shí)撒布瀝青粘結(jié)料和玻璃纖維，然后在上面撒布碎石，經(jīng)碾壓后形成新的磨耗層或者應(yīng)力吸收中間層的一種新型技術(shù)，纖維的合理加入能有效提高封層的抗拉、抗剪、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能。該工藝不僅能起到減載作用，還能保護(hù)橋梁主體結(jié)構(gòu)并均勻分散荷載，兩道防裂的纖維層還能顯著提高鋪裝層的耐久性[1]；同時(shí)它也能起到防水層的作用。該工藝尤其適用于舊瀝青橋面耐磨層施工。

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出適合實(shí)際橋面薄層罩面工程中玻璃纖維封層的配合比。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 材料選取

纖維封層應(yīng)用于橋面薄層罩面的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 玻璃纖維封層應(yīng)用于橋面薄層罩面

玻璃纖維封層技術(shù)應(yīng)用于橋面薄層罩面工程中時(shí)，所用的原材料主要為改性乳化瀝青、玻璃纖維、碎石。

乳化瀝青采用乳化SBS改性瀝青，其性能見表1。

碎石均采用粒徑為5～10 mm的玄武巖石料，要求干燥潔凈、表面粗糙、棱角分明。封層所用碎石技術(shù)要求及試驗(yàn)檢測結(jié)果見表2。

玻璃纖維作為纖維封層的核心材料，其長度、拉伸強(qiáng)度及耐熱性等技術(shù)性能必須滿足施工要求，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 乳化SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 封層所用碎石檢測結(jié)果

表3 封層所用纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 薄層罩面的配合比設(shè)計(jì)

為更好地對玻璃纖維封層的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，本文以改性瀝青、集料為原料模擬橋面鋪裝。結(jié)合已有的研究經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)例，改性瀝青選擇SBS I-A改性瀝青、集料選擇玄武巖、水泥代替礦粉、油石比5.1%，級(jí)配類型為AC-13。

通過清掃試驗(yàn)來評價(jià)玻璃纖維封層的乳化瀝青結(jié)合料與碎石的粘結(jié)性能。具體步驟為：

1）制作直徑為286 mm的圓片形狀油毛氈并把油毛氈上的灰塵擦干凈；

2）在油毛氈上按照玻璃纖維封層的施工順序涂撒兩層乳化瀝青和一層纖維，然后撒布一層碎石，最后用10 kg的物體對試件進(jìn)行壓實(shí)，使碎石與乳化瀝青充分粘結(jié)，壓實(shí)3 min即可；

3）試件成型養(yǎng)護(hù)1 d后，把濕輪磨耗儀的膠管換成自制的塑料刷進(jìn)行試驗(yàn)，清掃5 min后，稱取脫落碎石的質(zhì)量，計(jì)算脫石率。

根據(jù)落球及粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，確定玻璃纖維封層材料最佳推薦用量見表4。

表4 玻璃纖維封層材料最佳推薦用量

對玻璃纖維封層采用L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案及清掃試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和檢測結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果，碎石撒布量為8 kg/m2時(shí)，清掃試驗(yàn)的脫石率比其他兩種碎石用量的脫石率都低。說明碎石撒布量在8 kg/m2時(shí)，改性乳化瀝青能完全地包裹碎石；當(dāng)撒布量＞8 kg/m2時(shí)，改性乳化瀝青與石料的粘結(jié)力變差，施工后一經(jīng)清掃則部分石料脫落；撒布量＜8 kg/m2時(shí)，多余的粘結(jié)料便會(huì)形成自由瀝青，在荷載的作用下增加了碎石之間的滑動(dòng)性，使封層的整體性變差。在一個(gè)測試指標(biāo)中，極差R越大，說明其對層間粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)的影響越大。比較纖維瀝青碎石封層各因素R值的大小，可見A＞C＞B，所以碎石用量對試驗(yàn)指標(biāo)影響較大，纖維用量次之，乳化瀝青用量影響最小。可以得出最優(yōu)組合為A1B2C1，即碎石用量8 kg/m2、改性乳化瀝青用量為2.0 kg/m2、玻璃纖維用量為60 g/m2時(shí)，

2 配合比驗(yàn)證

以層間拉拔和剪切試驗(yàn)來驗(yàn)證以上得出的配合比是否合理。

2.1 拉拔試驗(yàn)

2.1.1 成型墊塊

以前文所提到的SBS I-A改性瀝青、集料為原材料，按照AC-13級(jí)配類型成型墊塊。首先在車轍試驗(yàn)成型試模中墊一層10 mm厚的木板，參照T 0703—1993《瀝青混合料試件制作方法（輪碾法）》的方法制備300 mm×300 mm×40 mm的墊塊；接著把成型的墊塊沿著成型碾壓方向切割成300 mm×60 mm×40 mm的棱柱體小梁，但是邊沿20 mm不能使用。

2.1.2 纖維封層成型

碎石用量選擇8 kg/m2，改變?nèi)榛癁r青和纖維用量進(jìn)行試驗(yàn)。首先把切割好的小梁放到300 mm×h×50 mm的試模中，寬度h可變；把預(yù)先在60℃的烘箱中加熱l h的改性乳化瀝青取出，在小梁上先刷一層改性乳化瀝青，瀝青用量是總用量的一半，然后撒鋪稱量好的玻璃纖維，再刷另一半用量的改性乳化瀝青，接著撒布適量碎石；立即放到30℃車轍儀中初步碾壓10 min，2 h 后復(fù)壓 30 min。

2.1.3 試驗(yàn)步驟

1）將成型的纖維封層試件從試模中取出，為便于粘貼拉頭，用打磨機(jī)將其表面打磨平整。

2）在粘貼拉頭的位置，用切割機(jī)沿著靠近拉頭邊緣位置切割。

3）將拉頭加熱到80℃左右，用膠粘劑把拉頭粘貼到切割好的試件上。

4）待粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求便可進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，用數(shù)顯式拉力計(jì)記錄拉拔力，拉拔速率為100 mm/min。

5）記錄層間拉拔力、封層的破壞狀態(tài)和封層破壞面的兩個(gè)垂直直徑。見圖2。

圖2 拉拔試驗(yàn)

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見圖3。圖3中，0纖維代表不加入纖維，40纖維代表纖維用量為40 g/m2，50纖維代表纖維用量為50 g/m2，60纖維代表纖維用量為60 g/m2，70纖維代表纖維用量為70 g/m2。

圖3 不同乳化瀝青和纖維含量下的拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，一定量纖維的加入可以提高層間粘結(jié)力，乳化瀝青用量為2.0 kg/m2、玻璃纖維用量為60 g/m2時(shí)，層間拉拔應(yīng)力最大，與清掃試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 剪切試驗(yàn)

在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，評價(jià)玻璃纖維碎石封層與原橋面在剪切應(yīng)力作用下層間粘結(jié)性能。

2.2.1 試件成型

以前文所提到的SBS I-A改性瀝青、集料為原材料，按照AC-13級(jí)配類型，參照T 0703—1993的方法制備300 mm×300 mm×40 mm的瀝青混合料墊塊。按操作規(guī)程在墊塊上刷改性乳化瀝青并撒纖維和碎石，碎石用量為8 kg/m2，改變?nèi)榛癁r青和纖維用量，然后在車轍試驗(yàn)成型機(jī)上進(jìn)行初步碾壓和復(fù)壓。

2.2.2 具體操作方法

將纖維封層表面輕微打磨，用切割機(jī)切成方形至墊層。將加熱的拉頭用膠粘劑粘貼在纖維封層上，待粘結(jié)劑強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行剪切試驗(yàn)。見圖4。

圖4 剪切試驗(yàn)

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 不同乳化瀝青和纖維含量下的剪切試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，當(dāng)乳化瀝青含量1.6 kg/m2、纖維用量60 g/m2時(shí)，剪切應(yīng)力出現(xiàn)峰值；但與乳化瀝青用量為2.0 kg/m2、玻璃纖維用量為60 g/m2時(shí)相差不大。所以玻璃纖維上封層原材料合適的配合比為碎石用量為8 kg/m2、改性乳化瀝青用量為2.0 kg/m2、玻璃纖維用量為60 g/m2。在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體情況和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 結(jié)論

按照清掃試驗(yàn)操作規(guī)程，對玻璃纖維封層采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果脫石率最小時(shí)，得出原材料用量的最優(yōu)組合為A1B2C1。利用層間拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)來驗(yàn)證配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果也與清掃試驗(yàn)保持一致。由此得出玻璃纖維封層技術(shù)應(yīng)用于橋面薄層罩面工程中時(shí)合適的配合比，此研究成果可以指導(dǎo)玻璃纖維封層技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。