貴州多雨地區瀝青路面防水抗裂層配合比研究

孫勇超

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 津南，300350）

1 引言

防水施工是市政道路工程的重點內容之一。一些市政道路未達到設計壽命之前，因瀝青路面防水措施不到位出現嚴重開裂、鋪裝層嚴重松散剝落現象，必須改造翻修，由此造成極大的浪費，并降低了運營成效。

防水抗裂層是存在于市政道路（高速公路、普通公路）基層和瀝青面層中間的結構層，具備油石比大、厚度不大（1～1.5 cm）、空隙率不大（一般不大于2%）等優勢，將一些特殊纖維加入瀝青料中，可以有效提高市政道路（高速公路、普通公路）的綜合性能。然而，纖維材料具有兩面性，對市政道路（高速公路、普通公路）防水抗裂層的性能來說，并非摻量愈多或愈少愈佳，所以有必要對纖維的不同摻量下瀝青路面高低溫、滲水系數、水穩性等路用性能以及抗裂層礦料最佳級配比等開展試驗研究。[1]

2 工程簡介

“多彩貴州城”北地塊工程包括市政道路、仿古建筑、民用建筑、河道治理等，其中“多彩貴州城”市政道路四、五號路全長820 m，道路寬15 m，人行道寬5 m。“多彩貴州城”市政道路路面防水抗裂層設置于瀝青面層和基層之間，由玄武巖纖維和SBS改性瀝青混合而成，具有較大的油石比、不大的空隙率（一般不大于2%）、較薄的厚度（僅為1～1.5 cm）等優點，可以規避雨水侵入基層和底基層路面結構。

3 防水抗裂層原材料

3.1 礦粉和集料

瀝青路面防水抗裂層摻加的礦粉（2～10μm，無雜質、保持松散且干燥）和不同粒徑范圍（0～2.36 mm，2.36～4.75 mm，4.75～9.5 mm）集料相關參數如表1所示。

表1 防水抗裂層礦料的性能指標

3.2 玄武巖纖維

平均半徑為7.5μm、熔點為150℃，吸濕率不大于10%。[2]防水抗裂層添入纖維后，玄武巖纖維能夠有效防止（或減緩）瀝青路面出現開裂現象，能明顯提高防水抗裂層的高溫穩定性，并有效提高抗剪強度，防止路基產生過大的形變，有效增強低溫狀態下的韌性，降低路面被雨水、積水及滲水損壞的風險。[3]

3.3 SBS改性瀝青

SBS改性瀝青優點頗多，比如具有提升路基抗高低溫和抗疲勞性能，有很強的黏結力，當路面出現滲水、積水時，能夠增強市政道路面層和基層的抗拉強度和抗水性能。[4]通過試驗得到的溶解度、針入度、軟化點、延度等相關參數如表2所示。

表2 SBS改性瀝青的性能參數

4 防水抗裂層瀝青混合料配比設計及路用性能試驗

4.1 確定最佳級配

為實現瀝青路面防水抗裂層更好的防水抗裂效果，集料粒徑不能太大，還要具有較小的空隙率和較大的油石比。由于礦料的均勻性不強，造成礦料級配存在一些浮動，所以在開展試驗之前，因此需要對原材料進行試配，空隙率保持在2%上中下水平。本集料粒徑沒有超過4．75 mm，該瀝青混合料沒有相應的實驗參照和施工規范，依據AC-5密級配防水抗裂層要求配置了三組級配，見圖1。

4.2 馬歇爾試驗與分析

實驗分析及結論：由表3可知，級配1的空隙率最小，僅為0.799%；級配2的空隙率偏大且滲水，級配3的配比相對最好。將級配3開展細微調整，礦料最佳級配比為：礦粉、集料（2.36～4.75 mm）、集料（0～2.36 mm）的質量比為1.01∶67.49∶31.49。

表3 防水抗裂層不同級配下的性能指標

4.3 防水抗裂層綜合性能分析

礦料最佳級配比得出以后，設計纖維摻量分別為0.45%、0.40%、0.35%和0%的試驗組，通過分門別類開展油石比、抗剪強度、高溫車轍、滲水、水穩定性等試驗，進行防水抗裂層綜合性能分析。[5]

4.3.1 最佳油石比

試驗方法：在相對應的纖維摻量下，開展馬歇爾試驗。[6]防水抗裂層中添加玄武巖纖維以后，纖維和纖維、纖維和瀝青之間進行有效調節，油石比見表4。

表4 不同纖維摻量下防水抗裂層的油石比

試驗分析及結論：添入玄武巖纖維以后，瀝青把玄武巖纖維完全包裹，當纖維摻量開始增加，瀝青消耗量加大。當玄武巖纖維出現過量時，不容易進行均勻分散，嚴重時會造成聚集成束現象，導致纖維的整體表面積停止增加甚至縮小，從而導致瀝青用量相應減少。當摻量為0.4%的時候，瀝青用量最大，突破此峰值后，最佳油石比明顯下降，試驗分析，0.4%是纖維的最佳摻入量。

4.3.2 抗剪強度試驗

試驗方法：采取室內模擬試驗方式，借助斜面剪切儀，將剪切速率設定為50 mm/min，分別對不同纖維摻量的防水抗裂層試件開展斜面剪切試驗[7]，防水抗裂層的抗剪強度在不同纖維摻量下的結果見表5。

表5 防水抗裂層滲水試驗結果

試驗分析及結論：從表5可知，防水抗裂層的抗剪強度隨著纖維摻量的增加出現先高后低的變化。其主要原因是，防水抗裂層和面層、基層被壓實后，三者接觸更為緊密，增加其黏結效果。另外，纖維可以發揮其加筋功能，抗剪強度隨之逐步提升；纖維用量實現最優時，防水抗裂層和面層間的抗剪力最大。纖維摻量超過0.4%后，削弱其與基層的接觸面積，同時也削弱層間黏結力，導致抵抗剪切變形的能力逐步下降，纖維摻量為0.4%時抗剪強度達到峰值，為0.482 MPa。

4.3.3 滲水系數試驗

試驗方法：在牛皮紙規定面積的一面，均勻涂上0.5～0.6 mm的不同夾層材料，最后在室溫下晾干，用滲水計檢測水分。[8]

試驗分析及結論：從表5可知，在四種不同纖維摻量狀態下，瀝青混合料受到滲水壓力的作用，水柱都沒有顯著下降。另外，在牛皮紙的表面并無明顯著的水珠（滲水），這反映四種纖維摻量下的瀝青混合料大多能防水，這主要是由于添加玄武巖纖維擴大了空隙率，提高了滲水率，但總的空隙率沒有超過2%，所以在保證瀝青混合料其他性能最佳時，仍舊可以維持一定的防滲水的功效。

4.3.4 低溫性能（小梁彎曲）試驗

試驗方法：在零下11℃的情況下，通過MTS材料試驗機進行試驗，試驗結果如表6所示。

表6 防水抗裂層小梁彎曲試驗結果

試驗分析及結論：由表6可知，玄武巖纖維能夠提高防水抗裂層抵抗低溫能力變形，非常明顯地改善防水抗裂層處在低溫狀態時的抗裂功能。這是因為纖維摻量遞增時，最佳瀝青用量隨之相應遞增，可以防止瀝青混合料的抗彎拉強度和應力漸漸變小，與此同時，具備高模量、高強度特性的玄武巖纖維和SBS改性瀝青混合在一起后，增強了抗拉韌性以及抗拉強度。纖維有效發揮加筋功能，輔助提升高瀝青混合料抵抗低溫形變的能力；另外，具備的橋接功能，有效提高瀝青混合料的防形變能力、極限彎拉強度、勁度模量。

4.3.5 高溫性能（高溫車轍）試驗

試驗方法：在59.5℃環境下，依次對摻量為0.45%、0.40%、0.35%、0%的玄武巖纖維防水抗裂層開展高溫車轍試驗，試驗結果見表7所示。

試驗分析及結論：由表7可知，纖維摻量遞增時，防水抗裂層的動穩定度也跟著遞增，當纖維摻量達到0.4%時動穩定度最大，玄武巖纖維對防水抗裂層高溫性能產生最佳增強效果，在此情況下，維持瀝青的最佳穩定狀態和最佳分散作用。這說明，在最佳摻量下纖維可以實現瀝青混合料高溫性能的最佳增強效果。

表7 防水抗裂層高溫車轍試驗結果

4.3.6 水穩定性能（浸水馬歇爾）試驗

試驗方法：當雨水較大，出現浸水現象時，為研究雨水（或其他積水）滲入基層后，防水抗裂層瀝青和礦料的黏結能力以及路面整體力學性能，進行基于不相同摻量玄武巖纖維情況時的水穩定性能試驗。[9-10]防水抗裂層水穩定性試驗分析如表8。

表8 防水抗裂層水穩定性試驗分析

試驗分析及結論：把玄武巖纖維摻加到防水抗裂層后，對瀝青起到穩定作用，有效避免了瀝青和集料分離。當纖維摻量大于最佳摻量時，其穩定度以及殘留強度均開始降低，然而都大于80%，滿足相關要求。因為玄武巖纖維材質含堿性，可以防剝落，所以能提高與瀝青間的黏附功能。瀝青和纖維的有效結合，會極大地提升結構瀝青的消耗份額；通過玄武巖纖維與瀝青的相互作用，能有效裹覆集料表面，提高集料厚度，對瀝青起到穩定效果。

5 結語

市政瀝青道路防水工程是市政道路項目的重要施工節點，防水效果的好壞嚴重影響市政道路的使用壽命和行車的舒適度及安全性。“多彩貴州城”市政道路路面工程施工時，為有效防止路面結構層和路基被雨水嚴重侵蝕，通過綜合試驗，得到如下試驗結論：

（1）將普通型市政瀝青道路和添入玄武巖纖維的市政瀝青道路通過試驗對比分析，在纖維摻量基本相同的情形下，前者的最佳瀝青用量比后者少。

（2）玄武巖纖維與SBS改性瀝青混合而成的防水抗裂層效果很好，不僅能夠有效發揮防滲水和抗裂的功能，還能提高路面高溫狀態的穩定性和低溫狀態的抗裂性，同時還具備很好的黏結性能，可以提高市政道路瀝青路面的防水抗裂性。

（3）本項目防水抗裂層礦料的最佳級配比為:礦粉、集料（2.36～4.75 mm）、集料（0～2.36 mm）集料的質量比為1.01∶67.49∶31.49。對各項試驗結果進行分析研究，得出最佳纖維摻量是0.4%，與之配備的最佳油石比為10.36%。