纖維碎石封層性能影響因素研究

李小鵬

摘 要：目前，我國瀝青路面存在早期病害突出、功能型病害顯著的特點，對于瀝青路面路用性能的不足，常用微表處、碎石封層、薄層罩面等措施進行改善。而微表處在使用的過程中，存在行車噪聲大的缺點，薄層罩面僅用于改善路面功能型不足，經濟性稍差，為此本文主要研究了纖維碎石封層的相關性能。本文針對纖維碎石封層在使用過程中出現的泛油及松散病害，分別利用負荷輪試驗及掃刷試驗，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對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，結果表明：隨集料用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現增大趨勢;瀝青用量的增大，能夠顯著降低纖維碎石封層的剝落率，提高集料的粘結穩定性;但同時也會導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先降低后增大的趨勢。

關鍵詞：路用性能;預防性養護;纖維碎石封層;泛油性能;剝落性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A

0 前言

由于我國的路面結構設計理念，主要是以道路所在地區的氣候交通特點為基礎的半剛性基層路面設計，這種“強基薄面”的路面結構，使路面的病害主要發生在瀝青面層，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、就地熱再生及薄層罩面等。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經濟性較好。而微表處在使用的過程中，存在行車噪聲過大、行車舒適性低的缺點;碎石封層在使用的過程中，存在剝落性能差、層間粘結不足等缺點[1-2]。

為此，國內外的學者提出了一種纖維加強型碎石封層，即在瀝青膠結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性能及碎石封層內部的抗剪強度。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度的防護網墊，從而具有良好的吸收應力和分散應力的作用[3，4，6]。本文針對纖維碎石封層在使用過程中出現的泛油及松散病害，分別利用負荷輪試驗及掃刷試驗，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對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。對于纖維碎石封層，其粘結料分為熱瀝青及乳化瀝青兩大類，本文主要選用優質SBS改性瀝青作為纖維碎石封層的粘結料，其性能檢測結果如表1所示。

根據表1中的SBS改性瀝青檢測結果，可以發現，本研究選用的膠結料，其性能均滿足規范要求。

（2）集料。集料作為纖維碎石封層中的主要組成部分，其力學性能、棱角性能等直接影響纖維碎石封層的力學性能及路用性能，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，其性能檢測結果分別見表2。

（3）纖維。工程中常用的纖維，可以分為玻璃纖維、聚酯纖維、木質素纖維、礦物纖維及鋼纖維等[2]，其中玻璃纖維作為一種無機非金屬材料，具有抗腐蝕、質量輕、強度高、耐高溫、化學穩定性好及價格低廉等優點[5]，因此，本文選用玻璃纖維來成型纖維碎石封層，其性能檢測結果如表3所示。

2 實驗方法

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，其配合比設計也應參考碎石封層的設計方法[7]。目前，碎石封層的設計，主要是病害導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荷輪試驗及掃刷試驗，其中負荷輪試驗，主要用于評價材料的用量對碎石封層高溫性能的影響;而掃刷試驗，主要用于評價材料用量對碎石封層抗剝落性能的影響。

3 實驗結果

（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，纖維碎石封層的抗剝落性能，實驗結果如圖3所示。

根據圖3可以發現，當碎石用量增大時，纖維碎石封層的剝落率呈現增大趨勢，尤其是當集料用量超過7 kg/m2時，集料用量的增加導致的纖維碎石封層的剝落率增加幅度最明顯。這種情況主要是因為，當集料用量過多時，集料顆粒由單粒式單層排布向雙層排布轉變，此時原本穩定的排布狀態逐漸喪失，表現為集料的穩定性變差，纖維碎石封層的集料剝落率增大。根據上述結果，認為集料用量為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料，對纖維碎石封層中集料的粘結作用有顯著的影響。當瀝青用量過多時，集料的埋置深度便相對增大，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，產生泛油病害，導致路面抗滑性能的降低，并影響車輛的行駛安全性。而瀝青用量過少，則會導致瀝青與集料間的粘結力不足，在車輛荷載的作用下，集料與瀝青的粘結狀態被破壞，產生集料的剝落。此外，當瀝青用量較少時，瀝青與集料的粘結力在水的作用下，將呈現顯著的降低，導致纖維碎石封層發生水損害松散，影響其性能的發揮。為此，本文分別利用負荷輪試驗及掃刷試驗，研究了瀝青用量為1.4、1.6、1.8、2.0及2.2 kg/m2時，纖維碎石封層的泛油性能及松散性能，實驗結果如表4所示。并繪制于圖4。

根據表4及圖4中的瀝青用量對纖維碎石封層高溫泛油性能及剝落性能的影響，可以發現，隨著瀝青用量的增加，纖維碎石封層的粘砂量呈現顯著的增大趨勢，如圖4所示，當瀝青用量由1.4 kg/m2增加為2.2 kg/m2時，纖維碎石封層每平米的粘砂量由770 g增加為1 040 g，增加幅度達到了35.1%;這種由于瀝青用量的增加導致的粘砂量增大的情況，說明瀝青用量的增加，會顯著增大纖維碎石封層的泛油病害。這種情況主要是由于，當瀝青用量過多時，集料埋置于瀝青中的深度顯著增大，導致瀝青在車輛荷載的作用下，更容易移動至封層表面，產生泛油病害。因此，在實際的施工過程中，應避免瀝青用量過多。

此外，根據瀝青對纖維碎石封層剝落性能的影響，可以發現，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，當瀝青用量由1.4 kg/m2增加為2.2 kg/m2時，纖維碎石封層的剝落率由10.8%降低為5.2%，降低幅度達到了50%;這種由于瀝青用量的增加導致的剝落率降低的情況，說明瀝青用量的增加，會顯著降低纖維碎石封層的剝落病害。這種情況主要是由于，當瀝青用量過多時，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，其穩定性也更強。

上述結果表明，瀝青用量的增加，有利于纖維碎石封層的抗剝落性能，但同時也會導致其泛油情況惡化，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，能夠交織形成網狀結構，從而提高碎石封層的抗拉、抗剪和抗沖擊性能。但當纖維用量過多時，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，纖維碎石封層的剝落率變化情況，實驗結果如圖5所示。

根據圖5可以發現，隨著纖維用量的增加，纖維碎石封層的剝落率呈現先降低后升高的趨勢，這種情況主要是因為，當纖維用量較少時，相互交織的網狀結構尚未形成，纖維對集料的聯結作用尚未完全形成，因而剝落率相對較大;隨著纖維用量的逐漸增加，纖維網的完善程度逐漸提高，當纖維用量達到70 g/m2時，纖維網完全形成，此時纖維碎石封層的剝落性能最優。而當纖維用量進一步提升時，除形成纖維網的纖維外，會存在多余的自由纖維，無法與瀝青充分交織，因而會在碎石封層與下承層之間形成薄弱面，導致纖維碎石封層的剝落率反而降低。因此，本文認為70 g/m2的纖維用量是適宜的。

4 結論

本文針對纖維碎石封層在使用過程中出現的泛油及松散病害，分別利用負荷輪試驗及掃刷試驗，研究了碎石灑布量、瀝青灑布量及纖維灑布量等因素，對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，并得到以下結論：

（1）隨集料用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現增大趨勢，尤其是當集料用量超過7 kg/m2時，集料用量的增加導致的纖維碎石封層的剝落率增加幅度最明顯，因此認為集料用量為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，提高集料的粘結穩定性;但同時也會導致纖維碎石封層泛油病害的增大，當瀝青用量定為1.8 kg/m2時，纖維碎石封層的泛油病害及剝落性能均較為穩定。（3）隨著纖維用量的增大，纖維碎石封層的剝落率呈現先降低后增大的趨勢，當纖維用量達到70 g/m2時，纖維網完全形成，此時纖維碎石封層的剝落性能最優。

參考文獻：

[1]李曦.碎石封層性能影響因素試驗研究[D].長沙理工大學，2009.

[2]趙曉亮.纖維瀝青碎石封層配合比設計研究[D].長安大學，2010.

[3]趙麗華.玄武巖纖維對瀝青混合料性能影響機理的研究[D].大連理工大學，2013.

[4]王帥杰.纖維瀝青碎石封層用于瀝青路面預防性養護研究[D].長安大學，2013.

[5]汪濤.纖維瀝青碎石封層在瀝青路面養護中的應用[J].交通世界，2018，481（31）：30-31+49.

[6]于雪松.玄武巖纖維瀝青混合料目標配合比設計及老化性能研究[D].吉林大學，2012.

[7]胡宇峰，李志剛，于正義.玄武巖纖維碎石封層路用性能試驗研究[J].交通科技，2014（04）：127-129.