纖維瀝青碎石封層配合比方法研究

屈愛(ài)萍

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

隨著公路建設(shè)的發(fā)展，交通量和軸載與日俱增，各類病害發(fā)生現(xiàn)象增多，急需對(duì)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。纖維瀝青碎石封層是一項(xiàng)從國(guó)外新引進(jìn)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，它克服了現(xiàn)有養(yǎng)護(hù)技術(shù)功能單一、使用條件受限的不足，具有良好的抗裂、防水及抗滑等性能，在常溫下施工，其環(huán)保效益尤為突出。

1 纖維瀝青碎石封層技術(shù)簡(jiǎn)介

纖維瀝青碎石封層能夠依靠自身的特殊工藝，形成纖維薄層，降低反射應(yīng)力和裂縫的尖端應(yīng)力，從而有效阻止因車輛荷載過(guò)重而產(chǎn)生的路面破壞，提高道路使用壽命。纖維瀝青碎石封層與普通封層性能對(duì)比如圖1所示。

圖1 纖維瀝青碎石封層與普通封層性能對(duì)比示意圖

圖1中，封層采用的黏結(jié)材料為改性乳化瀝青，破乳后與石料的黏結(jié)能力較大。本文采用改性劑摻量為4%，乳化劑摻量為0.4%，油水比為65∶35的改性乳化瀝青作為瀝青層，玻璃纖維作為纖維層，玄武巖作為碎石層，通過(guò)配合比設(shè)計(jì)確定各層的最佳用量。

2 纖維瀝青的最佳含量

2.1 纖維與碎石用量范圍

如果纖維的用量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致纖維產(chǎn)生的加筋作用不明顯；如果纖維的用量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度降低。因此，纖維摻量的多少在某種程度上影響著封層能否成功鋪筑。封層在鋪筑過(guò)程中，碎石用量的多少影響顯著。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有別于其他封層，碎石是全面鋪灑，然后在集料回收車的清掃下清除多余未黏結(jié)的碎石，經(jīng)過(guò)行車碾壓和瀝青固化后，剩下的碎石才是最終用量。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外碎石封層技術(shù)的分析研究，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，初步確定材料摻量：瀝青為1.7～2.1kg/m2之間；纖維長(zhǎng)度為60mm，撒布范圍為60～90g/m2；碎石的使用規(guī)格為5～10mm粒徑，用量范圍控制在8～12kg/m2。

2.2 基于抗拉強(qiáng)度選擇纖維瀝青比值

在冬季氣溫較低的地區(qū)瀝青路面縮緊會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在荷載作用下進(jìn)一步形成裂縫，其評(píng)價(jià)可采用室內(nèi)直接拉伸試驗(yàn)的方法。根據(jù)初步確定的材料用量范圍，可設(shè)定纖維和改性乳化瀝青的用量，按規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，各組板帶拉伸強(qiáng)度變化規(guī)律如圖2所示。

表1 不同纖維瀝青比值下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同纖維瀝青比值下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由此可以得出，纖維與瀝青的比值越大，其拉伸強(qiáng)度越大，即纖維摻量的增加會(huì)增大拉伸強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度隨纖維瀝青比值的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 拉伸強(qiáng)度隨纖維瀝青比值的變化曲線

由圖3可知，拉伸強(qiáng)度隨著纖維用量的增大而變大，當(dāng)比值在1∶20左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定，再增大纖維用量時(shí)，拉伸強(qiáng)度有略微降低。將室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合工程實(shí)際分析可知，在纖維瀝青碎石封層受拉作用中，隨著纖維的增加，纖維與纖維之間形成的相互搭接越來(lái)越緊密，封層的抗拉作用就越大；當(dāng)纖維用量持續(xù)增加，會(huì)導(dǎo)致單位面積的瀝青用量降低。

2.3 基于抗剪強(qiáng)度選擇纖維瀝青比值

在夏季高溫或超載車輛較多的地區(qū)，路面出現(xiàn)的主要病害為車轍病害。纖維瀝青碎石封層由于其特殊的結(jié)構(gòu)，形成的網(wǎng)狀應(yīng)力分散層能有效地降低路面剪應(yīng)力。由于路面抗剪能力嚴(yán)重影響其使用性能，所以，可以用抗剪能力直接反映纖維瀝青碎石封層的抗變形性能。

通過(guò)公式（1），可計(jì)算纖維瀝青的層間力學(xué)性能。

F—水平剪力，kN；

S—剪切面積，mm（2為試剪橫截面積）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同纖維與瀝青用量比值下的試件抗剪切強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 不同纖維瀝青比值下的剪切試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得，不同纖維與瀝青比值情況下強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同纖維瀝青比值下的剪切試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)以上分析可以看出，纖維摻量不同明顯影響數(shù)據(jù)變化，由于纖維可以起到承重作用，所以，隨著纖維摻量增加，其抗剪切性能增加；隨著纖維的持續(xù)增加，纖維瀝青碎石封層中的瀝青結(jié)合料減少，使得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不夠緊密，有明顯降低的趨勢(shì)。

2.4 纖維與瀝青的比值

以上分別通過(guò)拉拔試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，分析了不同纖維與瀝青比值下拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律，這兩個(gè)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的最佳纖維與瀝青比值有所不同。對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，以此研究纖維對(duì)封層不同性能的增強(qiáng)機(jī)理是否類似。不同纖維瀝青比值下的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 不同纖維瀝青比值下的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度

通過(guò)表3的數(shù)據(jù)分析，可明顯發(fā)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律基本類似，將兩者的擬合曲線整合在一張圖上，可更加明顯地看出纖維瀝青碎石封層的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度具有非常相似的規(guī)律，即拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著纖維與瀝青比值的增大呈現(xiàn)先增大、再平穩(wěn)增長(zhǎng)、而后逐漸降低的規(guī)律。

3 清掃試驗(yàn)碎石的用量

當(dāng)纖維與瀝青用量一定的時(shí)候，碎石用量就尤為重要，工程實(shí)踐表明，纖維瀝青碎石封層所用碎石多為單一粒徑，這是因?yàn)閱我涣降乃槭梢栽黾臃鈱拥那稊D作用，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度和整體性能。脫石率計(jì)算公式如下：

由上文研究可知，纖維與瀝青的最佳比值為1∶21，纖維用量最佳范圍在75～85g/m2之間。一般而言，雖然碎石撒布量為9kg/m2時(shí)能做到全面撒布，但在剛施工完時(shí)，需要有一層保護(hù)層保護(hù)下面的封層，因此，9kg/m2的碎石不符合實(shí)際施工要求。撒布量分別取10kg/m2、11kg/m2、12kg/m2不同組合的數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 清掃試驗(yàn)結(jié)果

分析表4的清掃試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維與瀝青的用量一定時(shí)，碎石灑布量對(duì)脫石率的影響較為顯著，表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：

（1）當(dāng)碎石用量逐漸增大，瀝青結(jié)合料對(duì)碎石的裹覆率逐漸降低。

（2）當(dāng)碎石用量相同時(shí)，瀝青用量越多脫石率越小。

（3）通過(guò)表4發(fā)現(xiàn)，第八組的脫石率最低，即當(dāng)纖維用量為85g/m2瀝青結(jié)合料用量為1.8kg/m2，碎石用量為11kg/m2時(shí)，封層的脫石率最低。

4 纖維瀝青碎石封層最佳材料的用量

綜合對(duì)比上述纖維瀝青碎石封層的清掃試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)纖維瀝青比值達(dá)到1∶21時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度均處于相對(duì)較高的水平，因此，纖維瀝青碎石封層最優(yōu)用量為85g/m2。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)比值在1∶23～1∶21之間時(shí)，其強(qiáng)度較高。

（2）綜合試驗(yàn)分析可以得出，當(dāng)纖維瀝青比值達(dá)到1∶21左右的時(shí)候，兩個(gè)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)均表現(xiàn)良好，但是對(duì)纖維的用量需要控制。

（3）通過(guò)清掃試驗(yàn)分析了不同碎石用量與脫石率的關(guān)系，當(dāng)纖維用量為85g/m2、瀝青用量為1.8kg/m2、碎石用量為11kg/m2時(shí)，封層的脫石率最低。