聚酯玄武巖纖維無紡布路用性能與施工工藝研究

張慶宇，翟曉靜，丁永盛

(1.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050035;2.河北蔚縣交通運(yùn)輸局，河北蔚縣 075700)

半剛性基層具有板體性好、強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國高速公路路面結(jié)構(gòu)，但由于材料易干縮和溫縮導(dǎo)致半剛性基層不可避免地出現(xiàn)裂縫，從而導(dǎo)致荷載和環(huán)境作用下面層出現(xiàn)反射裂縫，以致瀝青路面的最終破壞。因此通過路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取措施減緩或消除反射裂縫是保證半剛性路面長期使用性能的關(guān)鍵。

選擇適宜的土工合成材料是防止反射裂縫的有效措施之一。課題組對(duì)聚酯玄武巖纖維無紡布路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在河北省張家口蔚縣環(huán)城公路工程中修建了試驗(yàn)路段，對(duì)施工工藝進(jìn)行了總結(jié)。

1 聚酯玄武巖纖維布簡介

聚酯玄武巖纖維無紡布由玄武巖纖維和聚酯纖維混紡后織成無紡布并經(jīng)噴膠定型而成，其特征是充分利用了玄武巖纖維的高彈性模量、高抗拉強(qiáng)度、較高的吸油能力以及聚酯纖維的韌性。

生產(chǎn)聚酯玄武巖纖維無紡布的工藝流程是:①比例為1∶1～1∶1.5的玄武巖纖維和聚酯纖維投入吸收塔Ⅰ，進(jìn)行第一次混紡30min，再進(jìn)入吸收塔Ⅱ進(jìn)行二次混紡30min;②混紡均勻的纖維依次經(jīng)過梳理機(jī)、針織機(jī)和輥壓機(jī)，織成1.0～1.5mm厚度的無紡布;③調(diào)制增強(qiáng)劑，按0.4～0.8 L/m2膠漿量對(duì)無紡布上漿，晾干，即形成聚酯玄武巖纖維無紡布。

按照試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)聚酯玄武巖纖維布和聚酯玻纖布的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，每項(xiàng)指標(biāo)均按1組6個(gè)平行試件試驗(yàn)，其主要試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)的均值見表1。

表1 聚酯玄武巖纖維布與聚酯玻纖維布的主要技術(shù)參數(shù)

2 聚酯玄武巖纖維布路用性能

2.1 粘結(jié)性能試驗(yàn)

采用40°斜剪試驗(yàn)測(cè)試粘結(jié)層抵抗在行車荷載水平力作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的能力，同時(shí)采用拉拔試驗(yàn)測(cè)試鋪設(shè)土工布后層間的粘結(jié)力，以評(píng)價(jià)其粘結(jié)性能。按施工過程在室內(nèi)成型試件，成型的雙層車轍板冷卻24 h后脫模。再用雙面鋸在濕態(tài)下把試件加工成50mm×50mm×30mm(2層)，再用水洗除其塵埃，晾干。試驗(yàn)前在試驗(yàn)溫度下保溫不少于4 h。試驗(yàn)設(shè)備裝置見圖1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 粘結(jié)性能試驗(yàn)裝置

表2 粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)加鋪纖維布后，改變了層間的接觸條件，削弱了層間的粘結(jié)力，聚酯玄武巖纖維布較同類土工布對(duì)層間粘結(jié)力影響較小。

2)根據(jù)層狀彈性體系理論，由Bisar 3計(jì)算和相關(guān)資料知，粘結(jié)層的剪切應(yīng)力范圍為0.18～0.40mPa。加鋪纖維布后，層間的粘結(jié)力仍滿足路面的使用要求。

2.2 低溫抗裂性能

本研究采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維布復(fù)合瀝青混合料的低溫抗裂性能。試驗(yàn)采用最佳油石比成型AC-13C的標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件切割成長(250±2)mm，寬(30±2)mm，高(35±2)mm的棱柱體小梁。在相應(yīng)試件的底部用AH-70#瀝青粘結(jié)聚酯玻纖布或聚酯玄武巖纖維無紡布。試驗(yàn)在UTM-25設(shè)備上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 低溫彎曲試驗(yàn)比較

由試驗(yàn)結(jié)果可知:

1)底部粘貼纖維布的小梁低溫抗裂性能普遍較不貼布的小梁試件好，表現(xiàn)為貼纖維布的小梁低溫彎曲的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度均有顯著增加，表明纖維布可以大幅提高瀝青混凝土的低溫抗裂性能。

2)與粘貼聚酯玻纖布的小梁試件相比，聚酯玄武巖纖維無紡布小梁試件的低溫抗裂性能有所提高。試驗(yàn)中聚酯玻纖布小梁試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)束后，試件斷裂，纖維布被撕裂;聚酯玄武巖纖維無紡布小梁試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)束后，試件開裂，裂縫未貫通，纖維布沒有變化。

2.3 纖維布加筋強(qiáng)度試驗(yàn)

本研究通過極限彎曲試驗(yàn)測(cè)定有無纖維布、聚酯玻纖布和聚酯玄武巖纖維無紡布瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變，對(duì)比分析聚酯玄武巖纖維無紡布對(duì)瀝青混凝土的加筋作用。

極限彎曲試驗(yàn)是在UTM-25設(shè)備、溫度為15℃、加載速度為50mm/min下，測(cè)定瀝青混合料小梁試件彎曲破壞的力學(xué)性能。試驗(yàn)狀況及結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 極限彎曲試驗(yàn)

圖4 極限彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，貼布的小梁試件具有較高的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變，較小的勁度模量。與聚酯玻纖布相比，粘貼聚酯玄武巖纖維無紡布的小梁試件的最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度有所增加。從試驗(yàn)中可以看出，粘貼聚酯玄武巖纖維無紡布后，小梁試件破壞時(shí)間明顯滯后，在達(dá)到設(shè)置的最大變形后，試件裂縫很小，纖維布沒有變化。由此可以判斷，聚酯玄武巖纖維無紡布具有較好的加筋作用，可以減緩裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)瀝青混凝土的韌性。

2.4 裂縫反射疲勞試驗(yàn)

目前我國罩面技術(shù)通常的維修方法是在原來裂縫路面上加鋪瀝青罩面層，但是使用一段時(shí)間后，原有裂縫會(huì)很快反射到新鋪的瀝青面層上形成反射裂縫，罩面層承載力迅速下降至疲勞破壞。鑒于反射裂縫發(fā)生的實(shí)際情況，本研究設(shè)計(jì)了加鋪聚酯玄武巖纖維無紡布后復(fù)合瀝青混合料的裂縫反射疲勞試驗(yàn)(如圖5)。對(duì)加鋪聚酯玄武巖纖維無紡布、聚酯玻纖布及不貼布的三種類型混合料進(jìn)行試驗(yàn)，選用低、中、高三個(gè)應(yīng)變水平，每個(gè)應(yīng)變水平含3個(gè)平行試件，加載方式為三分點(diǎn)加載，試驗(yàn)溫度為15℃。

以勁度模量為初始勁度模量一半為破壞標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6可知，鋪設(shè)土工布后，混合料的抗反射裂縫的疲勞壽命明顯延長，壽命增長幅度隨應(yīng)變水平提高越發(fā)顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維布具有高強(qiáng)度、高韌性和較好的延展性，與瀝青粘層油形成應(yīng)力吸收膜，在面層與基層或罩面層與舊路面間構(gòu)成緩沖層，避免應(yīng)力集中和上下層間的部分相對(duì)位移，從而減小層間內(nèi)應(yīng)力，抑制并減緩裂縫發(fā)展，延長路面使用壽命。

3 施工工序和施工要點(diǎn)

3.1 施工工序

聚酯玄武巖纖維無紡布施工工序?yàn)?舊路表面清掃→測(cè)量劃線→噴灑粘結(jié)料→鋪設(shè)聚酯玻纖布→保養(yǎng)維護(hù)→鋪筑新路面?，F(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)如圖7所示。

圖7 聚酯玄武巖纖維無紡布的鋪設(shè)

3.2 施工要點(diǎn)

1)舊路表面清掃。在噴灑粘結(jié)料前，應(yīng)將舊路表面清掃干凈，并保持工作面無水分。雨后必需待路面干燥后方可施工。

2)測(cè)量、劃線。在經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格的舊瀝青路面上，對(duì)照裂縫標(biāo)識(shí)確定裂縫位置。然后，按擬鋪設(shè)的聚酯玄武巖纖維無紡布寬度在裂縫兩側(cè)定好基準(zhǔn)線，并用石灰或粉筆劃線作為鋪設(shè)聚酯玄武巖纖維無紡布的依據(jù)。對(duì)于橫向裂縫，保證裂縫兩側(cè)的布寬≥0.75m;對(duì)于縱向裂縫，保證布寬為1.8～2.0m，裂縫居中。

3)噴灑粘結(jié)料。①在鋪設(shè)設(shè)備就位后，將支架上的聚酯玄武巖纖維無紡布擺正，使聚酯玄武巖纖維無紡布卷軸垂直于拼接縫或裂縫;②在底面劃線范圍內(nèi)用瀝青噴灑車灑布熱粘結(jié)料，噴灑粘結(jié)料的橫向范圍要比聚酯玄武巖纖維無紡布寬5～10 cm;③灑布熱粘結(jié)料時(shí)，施工溫度應(yīng)在5℃以上，熱粘結(jié)料最佳溫度應(yīng)保持在165℃～180℃;④灑布熱粘結(jié)料時(shí)要噴灑均勻，用量為1.0～1.3 kg/m2，具體用量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)攤鋪效果確定。

4)聚酯玄武巖纖維無紡布的鋪設(shè)與搭接。①在粘層油仍呈液體狀時(shí)，立即采用聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)設(shè)備進(jìn)行聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)施工，不得使瀝青噴灑車與聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)設(shè)備距離過遠(yuǎn)。②在進(jìn)行聚酯玄武巖纖維無紡布施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員應(yīng)戴好防護(hù)手套，并佩戴防護(hù)眼罩，以免被高溫?zé)釣r青燙傷或被聚酯玄武巖纖維無紡布刺傷手指。③使用牽引車或安裝在卡車上的框架來鋪設(shè)聚酯玄武巖纖維無紡布時(shí)應(yīng)保持車速平穩(wěn)均勻，不得忽快忽慢，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到鋪設(shè)平滑的目的。④鋪設(shè)設(shè)備配置涂刷和鐵碾子，以保證鋪設(shè)聚酯玄武巖纖維無紡布時(shí)能及時(shí)將其壓實(shí)在粘結(jié)料上;若鋪設(shè)時(shí)發(fā)生褶皺或打折現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)及時(shí)用工具刀切開褶皺部位，然后在鋪設(shè)方向上再搭接起來，用粘結(jié)料膠結(jié)并壓實(shí)，以保證聚酯玄武巖纖維無紡布與粘結(jié)料的良好粘結(jié)。⑤聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)施工時(shí)，應(yīng)盡可能鋪設(shè)成一條直線;當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，將聚酯玄武巖纖維無紡布彎曲處剪開，重疊鋪設(shè)并噴涂粘結(jié)料膠結(jié)，應(yīng)盡量避免聚酯玄武巖纖維無紡布打折起皺。在彎道安裝時(shí)若有不便，應(yīng)盡量減少聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)長度。⑥對(duì)鋪設(shè)后的聚酯玄武巖纖維無紡布兩側(cè)噴灑外露的熱粘結(jié)料應(yīng)及時(shí)采用石屑灑蓋，以免將封層粘起。

5)保養(yǎng)維護(hù)。聚酯玄武巖纖維無紡布鋪設(shè)施工完成后，在熱粘結(jié)料未冷卻至常溫下應(yīng)禁止行人或車輛進(jìn)入，以防止由于車輪粘油將聚酯玄武巖纖維無紡布帶起或破壞。車輛放行之初，禁止任何車輛在聚酯玄武巖纖維無紡布上行駛時(shí)突然剎車或急轉(zhuǎn)彎，以免對(duì)聚酯玄武巖纖維無紡布造成極大破壞。

6)鋪筑新路面。上層瀝青混合料的攤鋪?zhàn)詈迷诰埘バ鋷r纖維無紡布施工后隔天進(jìn)行。攤鋪過程中，運(yùn)輸車通行時(shí)出現(xiàn)聚酯玄武巖纖維無紡布粘輪現(xiàn)象，可以采用聚酯玄武巖纖維無紡布表面撒熱料的措施進(jìn)行處理。瀝青混合料攤鋪時(shí)，運(yùn)輸車輛不得在聚酯玄武巖纖維無紡布上急剎或轉(zhuǎn)彎。

此外，聚酯玄武巖纖維無紡布吸收粘層油后會(huì)改變層間接觸狀況，較同類土工布對(duì)層間粘結(jié)力影響小。噴灑不同量的熱瀝青對(duì)層間粘結(jié)力影響較大，為保證較好的層間粘結(jié)力，噴灑瀝青用量應(yīng)不小于纖維布的瀝青吸收量。

4 結(jié)語

聚酯玄武巖纖維無紡布具有較高的斷裂延伸率和抗拉強(qiáng)度，具有優(yōu)異的加筋效果，可大大提高瀝青面層的抗裂性能，從而有效消除路面結(jié)合處或裂縫處的應(yīng)力集中，延長道路的使用壽命。

［1］沙愛民.半剛性路面材料結(jié)構(gòu)與性能［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［2］尹應(yīng)梅.聚酯玻纖布在高速公路罩面工程中的應(yīng)用研究［D］.南京:東南大學(xué)交通學(xué)院，2005.

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