纖維改良橋面鋪裝層瀝青材料路用性能研究

摘要：為了研究纖維改良橋面鋪裝層瀝青材料的路用性能，文章結合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實際使用情況，對橋面鋪裝層的病害特點及其形成機理進行分析，提出采用纖維材料對環氧瀝青混合料進行改性并評價其路用性能。結果表明：纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的動穩定性、抗彎拉強度、最大彎拉應變以及凍融水穩性，但會降低瀝青混合料的浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度比。參考文獻：

關鍵詞：纖維；橋面鋪裝層；路用性能；環氧瀝青混合料

中圖分類號：U443.33

0 引言

隨著經濟的穩步增長，我國基礎建設發展迅速，橋隧工程的建設也在日益完善。橋面鋪裝層作為大跨徑鋼橋的主體部分之一，起到承上啟下的作用，因此對強度、韌性等力學性能要求更高。多數橋面鋪裝層采用環氧瀝青混合料，環氧瀝青混合料具有強度高、抗車轍能力強、抗裂性能差等優缺點，若能采用纖維材料對環氧瀝青混合料進行二次改良，則可提高其抗裂、抗疲勞性能，有助于橋梁工程的建設與施工，因此研究纖維改良橋面鋪裝瀝青材料路用性能顯得尤為重要。

近年來，國內外學者針對改良瀝青材料的路用性能展開了大量的研究。李沛欣［1］提出將廢棄熱固性復合材料分別作為瀝青混合料的改性劑與填料，結果表明改性后瀝青混合料的高溫穩定性、耐濕熱性能、抗車轍性能以及抗低溫開裂能力均有不同程度的提高，而將玻璃鋼粉末作為瀝青混合料填料后，瀝青混合料的中、高溫性能、抗車轍性和抗疲勞性能也有不同程度的提高；周銘鈺等［2］采用先乳化后改性的方法制備改性乳化瀝青，并采用不同的顆粒級配方式制備馬歇爾試樣并評價其力學性能，結果表明水性環氧樹脂有助于提高乳化瀝青的路用性能；黃燁旻等［3］采用“滲透性防水劑+水性聚氨酯”復合強化方式對RAAM、CRAAM以及NAAM的高低溫穩定性與水穩性能進行對比研究，結果表明CRAAM路用性能最優；燕立柱等［4］采用有限元數值模擬軟件，建立了橋面瀝青鋪裝層數值模型，分析了荷載作用下鋪裝層應力變化規律，基于此，進一步開展室內試驗，分析不了同瀝青混合料的路用性能，最終基于試驗與數值模擬結果確定了橋面鋪裝材料的優選原則；賈曉東等［5］提出采用無機微粉對瀝青混合料進行改性，分析了不同粒徑微粉改性后瀝青混合料的水穩定性和疲勞性能，結果表明粒徑的減小有助于提高混合料的水穩性以及疲勞性能;盛善望等［6］研究了高溫重載下不同工況下瀝青混合料的抗車轍能力，結果表明高溫重載下瀝青混合料動穩定性受NRP摻量的影響最為明顯，而礦料種類的變化難以提高混合料的高溫穩定性；李悅、張樹文、劉瑞瑞等［7-9］分別研究了水性環氧乳液、聚合物彈性體以及蓖麻基生物油改性后瀝青混合料的路用性能。

上述學者的研究主要集中于改良瀝青材料路用性能的研究，或集中于公路層面，而較少涉及橋梁工程中橋面鋪裝層瀝青混合材料的路用性能研究，因此本文結合室外調研以及室內試驗，探究大跨徑鋼橋鋪裝層病害特點，進一步提出采用纖維材料對環氧瀝青混合料進行改性并評價材料的路用性能，該研究為大跨徑鋼橋橋面鋪裝層混合料的選擇提供參考。

1 橋梁鋪裝層結構組成及病害特點

1.1 鋪裝層結構組成

橋面混凝土鋪裝結構由上至下依次可分為：鋪裝上面層、黏層、鋪裝中面層、黏層、鋪裝下面層、防水粘結層以及鋼橋面板，其中粘層采用環氧樹脂粘結劑。

結合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實際使用情況，可以發現環氧瀝青混合料具有良好的路用性能，相比于常規的瀝青混合料，環氧瀝青混合料具有較好的高溫穩定性以及水穩性。

1.2 鋪裝層病害特點

鋪裝層病害主要分為縱向裂縫、橫向裂縫、網裂以及坑槽等，其中縱向裂縫主要分為兩類：反復荷載下鋪裝層層面的疲勞破壞以及薄弱處開裂。

鋪裝層病害成因分析：

（1）裂縫成因。早期裂縫先出現于基層位置，當基層出現早期裂縫后，瀝青面層由于受到汽車等交通工具的動力荷載作用以及外界溫度變化的綜合影響，進一步導致瀝青材料出現老化現象，抗裂性能大幅下降，同時裂縫擴展形式呈現由兩頭向中間發展。

（2）車轍成因。路面車轍形成初期，各面層仍具有良好的抗車轍性能，但隨著路面車轍深度的增加，鋪裝上面層逐漸壓密，上面層抗車轍性能增強，當車轍深度達到某一限值時，此時中面層抗車轍性能下降。

（3）老化成因。橋梁鋪裝層長期受溫度、濕度、腐蝕以及紫外線的影響，導致其使用壽命大幅降低，同時相比于其余瀝青混合料，鋪裝層瀝青混合料更易出現老化，當鋪裝層老化后，其材料強度將大幅降低，使用壽命縮短。

2 改性瀝青混合料

2.1 原材料

原材料主要包括集料與填料、纖維以及環氧瀝青。參考文獻：

2.1.1 集料與填料

根據規范要求，本次試驗集料采用玄武巖與石灰巖礦料，集料表面粗糙、質地堅硬，較為潔凈。填料選用石灰巖礦粉，礦粉干燥、細膩，其基本性能如表1所示。

2.1.2 纖維

本次試驗選用短切玄武巖纖維，其主要技術指標如表2所示。參考文獻：

2.1.3 環氧瀝青

環氧瀝青由環氧樹脂、瀝青基團、增韌劑與偶聯劑混合而成，其具有固結速度快、強度高等特點，常被用于橋面鋪裝層材料，可有效改善橋面鋪裝層的縱向裂縫、橫向裂縫、網裂以及坑槽等病害。

環氧樹脂是一種高分子聚合物，其由多個環氧基團聚合而成，環氧基團在氰化物的催化下易與瀝青結合，產生固化反應，形成化學性質穩定的網狀結構，其抗拉試驗結果如表3所示。

2.2 配合比設計

根據《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02-2019）的相關要求，對EA-10瀝青混合料進行配合比設計，選與級配中值相近的級配曲線作為本試驗的設計級配，級配曲線如圖1所示。

根據規范中最佳油石比的確定方法，本文結合實際施工經驗，擬定EA-10級配下瀝青混合料的初始油石比為7.5%，通過調整油石比進一步確定環氧瀝青最佳用量，馬歇爾試驗結果如表4所示。

由馬歇爾試驗結果可知，當油石比為7.5%時，瀝青混合料的性能與參數均滿足規范要求，基于此進一步開展各項路用性能試驗，結果表明：EA-10級配下，當瀝青混合料的油石比為7.5%時，車轍試驗動穩定為35 000次/mm，＞6 000次/mm，低溫小梁彎曲試驗中破壞應變為3 268 με，＞3 000 με，浸水馬歇爾殘留穩定度為96.8%，＞85%，各項試驗指標均滿足規范要求。

如表5所示為不同纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比。

3 試驗設計

為進一步評價不同纖維摻量下瀝青混合料的路用性能，本文對瀝青混合料開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗，在此基礎上進一步分析了不同纖維摻量下瀝青混合料的抗老化性能。

3.1 車轍試驗

依據《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T 3364-02-2019）規范要求，制作試驗試塊，試塊尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗溫度為70 ℃，輪壓為0.7 MPa，用試驗中的動穩定度評價瀝青混合料高溫穩定性，并分別記錄45 min與60 min的車轍深度。

3.2 彎曲試驗

根據相關規范要求，制作24個250 mm×30 mm×35 mm的標準條狀試件，將試件放置于-10 ℃恒溫箱中保溫＞3 h，將試件取出并進行彎曲試驗，加載速率為50 mm/min，測得各試件抗彎拉強度、最大彎拉應變以及彎曲勁度模量。

3.3 馬歇爾水穩性試驗

制作標準馬歇爾試件后，將其放置于恒溫水槽中48 h，利用馬歇爾擊實儀以及馬歇爾穩定度測定儀測定浸水后試件的殘留穩定度，評價瀝青混合料的水穩性。對溫度進行處理后也可進行凍融劈裂試驗。

3.4 抗紫外老化試驗

制作標準馬歇爾試件后，將其放置于紫外老化儀中，試驗溫度為40 ℃，試驗時間分別為7 d以及15 d，紫外線波長為290～400 nm，待試驗結束后進行穩定度試驗。

4 試驗結果分析

4.1 高溫穩定性分析

圖2所示為車轍試驗結果。

由圖2可知，不同纖維摻量下瀝青混合料的動穩定度均＞30 000次/mm，高于規范規定的6 000次/mm，同時可以發現，隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的動穩定性先增大后減小。當纖維摻量0.4%時，改良瀝青混合料的高溫穩定性最佳，其主要原因是，環氧基團在氰化物的催化下易與瀝青結合，發生固化反應，形成化學性質穩定的網狀結構，受熱不軟化，同時適量纖維的摻入使網狀結構更加穩定，而摻入過量的玄武巖纖維，則會影響其分布形式，降低了纖維在材料連接處錨固端的效果，進而導致動穩定度下降。

4.2 低溫小梁彎曲試驗

圖3、圖4所示分別為低溫小梁彎曲試驗所測得不同纖維摻量瀝青混合料的抗彎拉強度以及最大彎拉應變。

由圖3、圖4可知，環氧瀝青混合料的最大彎拉應變均大于規范規定的3 000 με。隨著纖維摻入量的增加，改良瀝青混合料的抗彎拉強度與最大彎拉應變出現先增大后減小的變化趨勢，與未摻入纖維瀝青混合料相比，其抗彎拉強度分別提高了13%、29%以及11%，其最大彎拉應變提高了5.5%、22%、10%，說明纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的抗裂性能，與高溫穩定性結果相似的是過量的摻入纖維將影響瀝青混合料自身的結構，進而使得其抗彎拉強度與應變不增反降。

4.3 水穩性分析

圖5所示為瀝青混合料浸水后試件殘留穩定度。由圖5可知，環氧瀝青混合料浸水后試件殘留穩定度均大于規范規定的80%。隨著纖維摻入量的增加，改良瀝青混合料的殘留穩定度隨之減小，這是由于未經改良的瀝青混合料，自身空隙率＜3%，不透水，因此殘留穩定度高，而經過纖維改良后瀝青混合料，空隙率增加，透水性增強，參考文獻：

以至于水穩性出現下降，但下降幅度有限，最大下降幅度僅為2%。

圖6所示為瀝青混合料凍融劈裂水穩定性試驗結果。

由圖6可知，隨著纖維摻量的增加，改良瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均出現先增大后減小的變化趨勢，而凍融劈裂強度比則不斷減小，說明纖維的摻入有助于提高瀝青混合料凍融水穩性，但影響幅度較小。

4.4 抗紫外老化性

圖7為瀝青混合料抗紫外老化試驗結果。

由圖7可知，隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的馬歇爾穩定度先增大后減小，而隨著老化時間的增加，馬歇爾穩定度不斷減小。紫外老化7 d后，0纖維摻量、0.1%纖維摻量、0.4%纖維摻量以及0.7%纖維摻量的瀝青混合料穩定度分別降低了3.35%、3.53%、3.23%以及3.68%；紫外老化14 d后，0纖維摻量、0.1%纖維摻量、0.4%纖維摻量以及0.7%纖維摻量的瀝青混合料穩定度分別降低了4.60%、4.09%、4.21%以及4.45%。由此可知纖維摻量的多少對瀝青混合料抗紫外性能的影響不大，其強度衰減均＜5%，考慮其主要原因是玄武巖纖維屬于無機纖維，紫外線難以改變無機纖維的物理力學性質，因此瀝青混合料難以受紫外線影響而發生老化現象。

5 結語

本文通過室外調研以及室內試驗，對大跨徑鋼橋鋪裝層的結構進行了介紹，同時結合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實際使用情況，進一步對橋面鋪裝層的病害表現進行歸納總結，提出采用纖維材料對環氧瀝青混合料進行改性，并對改良后瀝青混合料開展了車轍試驗、彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂抗拉試驗，在此基礎上進一步分析了不同纖維摻量下瀝青混合料的抗老化性能。

得到如下主要結論：

（1）鋪裝層病害主要分為縱向裂縫、橫向裂縫、網裂以及坑槽，其中縱向裂縫主要分為兩類：反復荷載下鋪裝層層面的疲勞破壞與薄弱處開裂。

（2）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的動穩定性、抗彎拉強度以及最大彎拉應變均出現先增大后減小的變化趨勢，當纖維摻量為0.4%時，改良后瀝青混合料的動穩定性、抗彎拉強度以及最大彎拉應變最大，其值分別為45 000次/mm、28.44 MPa、3 877 με。

（3）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的浸水殘留穩定度、凍融劈裂強度比均出現不同程度的下降，而凍融前后試樣的劈裂強度出現先增大后減小的變化趨勢，說明纖維的摻入會導致瀝青混合料浸水穩定度降低，但有助于提高瀝青混合料凍融水穩性。

（4）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的馬歇爾穩定度先增大后減小，而隨著老化時間的增加，瀝青混合料馬歇爾穩定度不斷減小。

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