纖維環氧瀝青混凝土在道路與軌道平交口的應用

李華平

(珠海市工程監理有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引 言

有軌電車與城市道路的平交口處對城市的道路通行能力及舒適性有較大影響，目前軌道交通與道路平交口處普遍采用水泥混凝土填筑。由于水泥混凝土的脆性與剛度大，通行車輛經過平交口時會引起較大的振動和噪音，影響過往車輛的行車舒適性，同時也降低了電車的行駛速度。此外，由于電車軌道導熱較快、溫度較高，即使鋪筑普通瀝青混合料也不能滿足軌道與道路交界面應具備的耐高溫性能以及抗沖擊性[1-4]。

伍劍奇等研究認為，將聚酯纖維摻入瀝青混凝土中可有效提高其各項路用性能[5]；張增平、李志宏等的研究表明，環氧瀝青因其強度高、韌性好、抗疲勞性能好等優勢被廣泛應用于橋面鋪裝，可顯著提高橋面的高溫穩定性、水穩定性以及抗疲勞性[6-7]。基于此，本文綜合環氧瀝青良好的高溫穩定性與纖維混合料優異的柔韌性[8-11]，提出采用摻加纖維的環氧瀝青混凝土對平交口道面進行材料組成設計，并對平交口道面的抗高溫形變、抗水損害以及抗沖擊性進行評價，為道路與軌道平交口鋪裝提供應用參考。

1 纖維環氧瀝青混凝土材料組成設計

1.1 原材料的技術性質

1.1.1 環氧瀝青

已有研究及實踐表明，環氧瀝青混合料具有強度高、韌性好、溫度敏感性小、水穩定性好及抗疲勞性能良好等普通瀝青混合料無法比擬的優勢[12-13]。本文采用日產環氧樹脂、固化劑(樹脂和固化劑的質量比為6∶4)混合制成環氧膠黏液后，再將環氧膠黏液與SBS改性瀝青按照4∶1的質量比混合制成環氧瀝青，環氧瀝青及SBS改性瀝青的主要技術標準見表1、2。

選用玄武巖作為電車軌道與路面平交口環氧瀝青混凝土的集料，礦粉材質為石灰石。集料與礦料的各項技術指標分別見表3、4，均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 環氧瀝青基本技術性質

表2 SBS改性瀝青技術性質

表3 集料技術性質

表4 礦粉技術性質

1.1.3 纖 維

聚酯纖維具有優異的抗拉伸強度及耐高溫性能，并且與瀝青有很強的親和性[14]。將聚酯纖維應用于瀝青混凝土中，可有效抑制瀝青混凝土的開裂和剝落[15]。本文選取瀝青混合料中的纖維摻量為0.2%，纖維部分技術指標如表5所示。

表5 聚酯纖維技術性質

1.2 環氧瀝青混合料的配合比設計

1.2.1 礦料級配設計

礦料級配參照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)推薦的AC-13C型級配，以級配中值為基準并結合平交口道面特殊位置與結構，對其配比進行調整，結果如表6所示。

表6 環氧瀝青混合料礦料級配組成設計

1.2.2 最佳瀝青用量

環氧瀝青混合料是一種反應型混合料，與普通混合料存在較大差異，其馬歇爾穩定度以及礦料間隙率等常不滿足馬歇爾試驗規范標準，因此環氧瀝青混合料不宜直接用馬歇爾穩定度確定其最佳油石比。在南方濕熱地區，空隙率對于路面耐久性的影響非常關鍵，混合料的透水性、抗疲勞、抗永久變形、抗老化、抗水損壞等重要性能與空隙率指標密切相關，因此結合美國Superpave設計方法以空隙率指標作為環氧瀝青混合料油石比的設計依據。

成型2組馬歇爾試件，一組固化，另一組未固化，選取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%及6.5%五種不同的油石比，測定相關技術指標，結果如表7、8所示。

從表2可以看出，實驗組學生在出科考核中的理論知識、操作技能、臨床思維方面均優于對照組學生，由此得出結論，采用虛擬技術輔助教學模式的實驗組教學效果明顯優于采用傳統教學方法的對照組。從表3 可以看出，在教學滿意評價調查問卷中，實驗組的各項滿意度評價均高于對照組。

表7 固化試件的馬歇爾技術指標試驗結果

注：VV為空隙率；VMA為礦料間隙率；VFA為有效瀝青飽和度。

參照相關資料，以2.2%作為設計空隙率，結合內插法得出2組試件對應的瀝青用量分別為5.09%、5.23%，取平均值5.2%為最佳瀝青用量。

表8 未固化試件的馬歇爾技術指標試驗結果

2 纖維環氧瀝青混凝土的路用性能

2.1 高溫穩定性

采用車轍試驗對纖維環氧瀝青混凝土的高溫性能予以評價，并與普通瀝青混凝土、未摻纖維的環氧瀝青混凝土的高溫性能進行對比，結果如表9及圖1所示。

表9 不同瀝青混合料車轍試驗結果

圖1 不同瀝青混合料車轍深度隨時間的變化規律

由試驗結果可知，3種不同瀝青混合料的動穩定度差異較大。環氧瀝青混凝土的動穩定度顯著高于普通瀝青混凝土，提高了約12倍，原因在于環氧瀝青本身固化后形成一種熱固性物質，高溫下抗軟化，因此能夠提高普通瀝青混凝土的高溫性能。環氧瀝青摻加纖維后，表現出更加優異的高溫穩定性，纖維環氧瀝青混凝土動穩定度較環氧瀝青混凝土提高約27%，較普通瀝青混凝土提高約110%；究其緣由是因為聚酯纖維本身的熔點較高，且纖維吸附多余的自由瀝青，提高混凝土的整體穩定性，起到“橋接加筋”作用。結合環氧瀝青高溫固化的優勢，兩者綜合作用使纖維環氧瀝青混凝土的動穩定度遠高于其他瀝青混凝土。另外，由圖1可知：在60 min期間，普通瀝青混凝土的車轍深度整體較高，其次為環氧瀝青混凝土；隨著時間的增加，普通瀝青混凝土的車轍深度增加速率遠高于其他兩類瀝青混凝土，纖維環氧瀝青混凝土車轍深度的增加速率最小，表明摻加纖維后瀝青混凝土的抗高溫變形性能大幅提高。

2.2 水穩定性能

纖維環氧瀝青混凝土的抗水損害能力對于道路平交口處的耐久性也至關重要，采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗來評價纖維環氧瀝青混凝土的水穩定性，并與另外兩類混凝土進行對比，結果如表10所示。

試驗結果表明，3種類型瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均符合規范要求。與普通瀝青混合料相比，環氧瀝青混合料的殘留穩定度顯著提高，且摻入纖維后的環氧瀝青混凝土的殘留穩定度較未摻纖維的提高了約6%，較普通瀝青提高了20%，表明纖維環氧瀝青混合料的水穩定性能最為優越。這一方面是因為環氧瀝青發生固化反應后使得混合料的空隙率減小，并且60 ℃下環氧瀝青可能進一步固化；另一方面纖維的加筋作用促進混合料集料的整體性加強，從而最終提高了浸水馬歇爾殘留穩定度。從凍融劈裂強度比試驗結果可知，纖維環氧瀝青的劈裂強度比達到了92.7%，遠高于其他兩類瀝青混合料，較普通瀝青和環氧瀝青分別增加22%、9%，表明在聚酯纖維和環氧瀝青的共同作用下，瀝青混合料的抗水損害性能得到明顯的改善。對比凍融劈裂強度比不難發現，纖維環氧瀝青的凍融劈裂強度比衰減程度僅為4%，而普通瀝青的2次凍融強度比衰減程度達到了13%，證明在凍融循環次數增加的情況下，摻加纖維的環氧瀝青的抗水損害性能明顯優于其他混合料。

表10 混合料水穩定性試驗結果

2.3 抗沖擊性能

過往車輛從城市道路過渡至道路平交口時，平叉口道面受輪胎不斷的沖擊作用，內部微細裂縫會經歷誘發、擴展、恢復及再誘發、再擴展等不斷循環，最終使路面發生破壞，而破壞荷載強度、材料使用壽命與路面材料或鋪裝結構特性有關。本文在借鑒水泥混凝土路面抗沖擊試驗的基礎上，采用美國ACI544委員會提出的“落錘法”抗沖擊試驗，評價纖維環氧瀝青混凝土的抗沖擊性能。瀝青混合料的抗沖擊試件為高64 mm、直徑150 mm的圓柱體試件，采用初裂沖擊次數N1、破壞沖擊次數N2、初裂和破壞沖擊次數差值ΔN以及沖擊功W來表征瀝青混合料的抗沖擊性能，結果見表11及圖2。

表11 不同瀝青混合料的抗沖擊性能結果

圖2 不同類型瀝青混合料的抗沖擊次數

從結果可以看出，與普通瀝青混凝土相比，環氧瀝青混凝土的初裂沖擊次數與終裂破壞次數均有所增加，環氧瀝青混凝土的ΔN達到了128，比普通瀝青混凝土提高了約70%，這表明環氧瀝青混凝土不僅能夠延緩裂縫的出現，而且可以推遲裂縫的進一步擴展，即提高混合料抵抗沖擊動載的能力。摻加纖維后，纖維環氧瀝青混凝土的初裂與終裂沖擊次數分別為3 583和3 764，與環氧瀝青混凝土相比提高了76%、74%，與普通瀝青混凝土相比提高了103%、104%。另一方面，環氧瀝青混凝土的沖擊功達到71.83 J，較環氧瀝青混凝土和普通瀝青混凝土分別提高了65%、94%。這充分說明摻加纖維能進一步改善瀝青混合料的抗沖擊能，其原因在于，纖維在混合料的集料間起“橋接”作用，當試樣受到沖擊動載時，纖維的韌性以及纖維被拉斷拔出抵消了一部分沖擊功，另外聚酯纖維超高的模量值及延伸變形能力會進一步防止裂紋的產生與延伸，從而提高混合料整體的抗沖擊性能。

3 電車軌道與城市道路平交口鋪裝

依據本文的設計配合比，取熱料倉中的集料進行篩分，適當調整礦料配比，并據此進行性能驗證試驗，得到最終的生產配合比，即：1#倉(12～16 mm)、2#倉(6～11 mm)、3#倉(3～6 mm)、4#倉(0～3 mm)、礦粉的質量比為29∶28∶10∶30∶3，最佳油石比為4.7%。

電車軌道與城市道路平交口鋪裝層分3層，其類型和鋪設厚度由下至上依次為：25 cm水泥混凝土基層、8 cm AC-20型高模量改性瀝青混凝土、4 cm AC-13型纖維環氧瀝青混凝土。在水泥混凝土基層與高模量改性瀝青混凝土層間、高模量改性瀝青混凝土與纖維環氧瀝青混凝土層間均灑布乳化瀝青黏層油，灑布量為0.8 L·m-2。

4 結 語

(1)由于南方具有濕熱的氣候特點，不宜采用馬歇爾設計方法對環氧瀝青混合料組成進行設計，推薦以設計空隙率指標作為最佳油石比確定的依據。

(2)環氧瀝青能改善普通瀝青混合料的高溫穩定性，在一定纖維摻量下，聚酯纖維與環氧瀝青的共同作用可進一步提高普通瀝青混合料的高溫穩定性與水穩定性，尤其可使普通瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力提高110%。

(3)有軌電車平交口道面的抗沖擊性能對其使用質量及壽命十分重要，環氧瀝青與普通瀝青相比抗沖擊性能提高至60%左右，摻加纖維后抗沖擊性能進一步顯著提升，彰顯出纖維優良的阻裂效果。

(4)經實際工程路段鋪裝驗證，纖維環氧瀝青混凝土可應用于城市道路與電車軌道平交口處，并提高了該路段的路用性能。