纖維微表處的路用性能驗(yàn)證

孫 濤，段緒斌

（1.天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津市 300457；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

微表處是一種專門為高速公路、城市干線、機(jī)場(chǎng)路面等高等級(jí)路面表層設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。它由聚合物改性乳化瀝青、100%壓碎集料、礦物填料、水和必要的添加劑組成。微表處作為高等級(jí)公路經(jīng)濟(jì)有效的養(yǎng)護(hù)方法，已受到越來(lái)越多的重視。但是，隨著近幾年鋪筑微表處工程的增多，微表處也出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，如：抗裂性能差、耐用性較差，不能滿足重交通量的要求；而且，微表處技術(shù)目前用來(lái)填補(bǔ)比較厚（大于1.5 cm）的車轍時(shí)，普通微表處已不能很好地抵抗車轍變形。因此，為了使微表處有更好的路用效果，以滿足重交通的要求，各有關(guān)科研單位都進(jìn)行了改進(jìn)微表處的研究。本文在此前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)已得出的纖維微表處在最佳油石比條件下的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期能夠解決普通微表處的不足。

1 原材料與級(jí)配

1.1 試驗(yàn)用原材料

（1）改性乳化瀝青

用于微表處的改性乳化瀝青，既要滿足道路石油瀝青標(biāo)準(zhǔn)，還要滿足微表處級(jí)配礦料的拌和要求，也就是乳液和礦料在拌和、攤鋪過(guò)程中，稀漿混合料必須均勻、不破乳、不離析、處于良好流動(dòng)狀態(tài)，微表處鋪設(shè)后成型時(shí)間可以控制在l～2 h左右。試驗(yàn)中所用材料選用埃索70#基質(zhì)瀝青、河南新鄉(xiāng)某公司產(chǎn)的MK-06型乳化劑，以及山東淄博某公司產(chǎn)的SBR改性劑。技術(shù)指標(biāo)均能滿足由交通部公路科學(xué)研究所等單位承擔(dān)的交通部“乳化石油瀝青技術(shù)要求修訂”項(xiàng)目研究中提出的微表處用改性乳化瀝青技術(shù)要求。

（2）礦料

試驗(yàn)采用的石料是河北武安產(chǎn)玄武巖（規(guī)格為 3～5 mm、5～10 mm）、石灰?guī)r機(jī)制砂(0～3mm)。

（3）纖維

纖維微表處就是摻入合成纖維的微表處，其作用是通過(guò)纖維的加筋與橋接作用，以提高微表處的力學(xué)性能。纖維的種類、纖維的材料一直是國(guó)內(nèi)外工程界人士研究的課題。目前，纖維通常分為硬纖維和軟纖維兩類。硬纖維通常是指經(jīng)過(guò)拉、拔、軋、切工藝制作的鋼纖維。軟纖維是由合成纖維制成。軟纖維一般分為兩類：一類為木質(zhì)素纖維、聚醋纖維、聚丙烯睛等為代表的聚合物有機(jī)纖維；另一類為石棉纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等為代表的礦物無(wú)機(jī)纖維。目前路用纖維主要集中在聚合物化學(xué)纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維三大類。

通過(guò)相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的抗裂能力，大大提高混凝土的抗?jié)B性能，顯著提高混凝土的抗沖擊性能和耐磨性能，并且可以提高混凝土的抗凍性能。

由于聚丙烯纖維具有的上述優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決我們目前所面臨的問(wèn)題。因此建議在本項(xiàng)目中采用聚丙烯纖維。本次試驗(yàn)使用了兩個(gè)生產(chǎn)廠家的聚丙烯纖維，一種為江蘇鹽城產(chǎn)的聚丙烯纖維甲，另一種為江蘇射陽(yáng)產(chǎn)的聚丙烯纖維乙，其中聚丙烯纖維乙又分為表面經(jīng)過(guò)化學(xué)處理和未經(jīng)過(guò)化學(xué)處理兩種。

1.2 試驗(yàn)用級(jí)配

級(jí)配采用MS-3型級(jí)配，見(jiàn)表1和圖1。

2 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

下面將通過(guò)肯塔堡飛散試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證最佳分散方法、摻量及最佳油石比條件下的纖維微表處的抗松散性能和高溫穩(wěn)定性等性能[1，2]。

表1 集料級(jí)配表

圖1 MS-3型級(jí)配

2.1 肯塔堡飛散試驗(yàn)

肯塔堡飛散試驗(yàn)原本是用于確定熱瀝青的最小瀝青用量和用于評(píng)價(jià)由于瀝青用量或黏結(jié)性不足，在交通荷載作用下路面表面集料脫落而散失的程度。

乳化瀝青混合料初期抗松散性借鑒規(guī)范中評(píng)價(jià)熱拌瀝青混合料的黏結(jié)性時(shí)所采用的肯塔堡飛散試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)乳化瀝青混合料的特點(diǎn)，對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行修正以評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的抗松散性。取前期養(yǎng)生條件下的試件直接放入洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5 min，即洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)以30 r/min的速度旋轉(zhuǎn)150轉(zhuǎn)。試件的成型采用再修正馬歇爾成型方法[2]。

分別在最佳油石比下，加纖維與未加纖維對(duì)比混合料的飛散試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。從飛散試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入纖維后其飛散損失率降低了近50%，表明纖維微表處比未加纖維的微表處的抗松散性能要好很多，見(jiàn)圖2。

表2 加纖維與未加纖維飛散損失率對(duì)比

這是由于纖維具有良好的耐磨阻特性，纖維可形成保護(hù)集料的保護(hù)層。纖維增韌的瀝青膠漿對(duì)集料顆粒黏裹力增大，使整體不易分散，同樣改善了瀝青面層的抗松散性能。

圖2 飛散試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

摻入高抗拉強(qiáng)度及高模量的纖維使材料具有很高的韌性。對(duì)纖維瀝青混合料而言，即使已出現(xiàn)部分松散，纖維的橋接作用仍可使材料繼續(xù)承受外載作用，變形能力增強(qiáng)。韌性實(shí)際上表示材料在外載作用下吸收能量的能力，其含義是材料不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，還須具有良好的變形（包括彈性變形或黏性變形）能力，可用應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系定量描述。通過(guò)常用材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線所包圍的面積Ω來(lái)表示：

從韌性定義可知，韌度的大小不僅取決于材料的強(qiáng)度，也取決于材料破壞時(shí)的變形性能。材料的強(qiáng)度高，但變形能力低，或變形能力高但強(qiáng)度低，其韌性都不會(huì)大，抗裂性能自然也不會(huì)好。隨著微表處使用時(shí)間的增長(zhǎng)，瀝青材料會(huì)不斷老化，不斷變脆，韌性減小，這時(shí)就需要采取措施增強(qiáng)其韌性，而添加纖維是一種很好的選擇，選用合適的纖維種類和摻量可以使微表處的變形能力也得到增強(qiáng)，同時(shí)纖維的橋接作用還可以使得微表處的整體性大大增強(qiáng)，從而改善其抗松散性能。

2.2 車轍試驗(yàn)

對(duì)于車轍試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)環(huán)境溫度將是影響動(dòng)穩(wěn)定度最敏感的環(huán)境條件（即在配重等儀器參數(shù)確定時(shí)）。微表處混合料為乳化瀝青混合料，不同于一般的熱瀝青。試驗(yàn)表明，如果仍然采用60℃的試驗(yàn)溫度，動(dòng)穩(wěn)定度值很小，而且其測(cè)定難度也會(huì)很大，所以很有必要提出一個(gè)合理的車轍試驗(yàn)溫度。

從乳化瀝青原料的性能、試驗(yàn)難易性以及與車轍試驗(yàn)溫度的統(tǒng)一性考慮，車轍試驗(yàn)溫度應(yīng)該確定為45℃是比較合理的。

采用人工拌和方式進(jìn)行拌和。先將石料拌和均勻（如果是加纖維的，則在此前要把石料預(yù)加熱到90℃～100℃，此時(shí)取出后再加入水泥礦粉和纖維，并攪拌均勻），然后加入適量的水，攪拌使石料表面潤(rùn)濕，待攪拌均勻后加入定量的乳化瀝青，拌勻（拌和時(shí)漿狀偏稀）拌至混合料破乳后倒入瓷盤中攤開(kāi)，放入60℃烘箱中烘約20 h后，碾壓成型，成型后試件再室溫放置20 h，然后放入45℃恒溫儀中恒溫5 h，進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

分別在最佳油石比下，加纖維與未加纖維對(duì)比混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表4所列。從車轍試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻入纖維后其動(dòng)穩(wěn)定度提高了一倍多，且車轍試驗(yàn)的總變形值均小于未加纖維的混合料，其規(guī)律與動(dòng)穩(wěn)定度相一致，表明纖維微表處比未加纖維的微表處的高溫穩(wěn)定性要好很多。

微表處高溫變形能力強(qiáng)弱，同瀝青黏結(jié)強(qiáng)度下降速度有很大關(guān)系?？v橫交錯(cuò)的纖維所吸附的瀝青，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿黏滯性增強(qiáng)，軟化點(diǎn)提高20℃以上，瀝青膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使微表處的高溫穩(wěn)定性提高。纖維均勻分散在集料之間，使瀝青礦粉不能形成膠團(tuán)，減少油斑出現(xiàn)的機(jī)率。同時(shí)，在夏天高溫季節(jié)，纖維內(nèi)部的空隙還將成為一種緩沖的余地，不致成為自由瀝青而泛油，也有利于微表處的高溫穩(wěn)定性。

表3 車轍試驗(yàn)條件

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)纖維微表處配合比設(shè)計(jì)方法的研究，得到以下結(jié)論：

（1）在微表處中加入纖維后，改善了微表處的高溫穩(wěn)定性，由于纖維的三維分布，同時(shí)與瀝青具有很強(qiáng)的吸附性，且不纏繞，使混合料的黏聚力增加，再加上縱橫交錯(cuò)的纖維單絲的加筋和橋接作用，降低了瀝青的流動(dòng)性，限制了集料的側(cè)向位移和流動(dòng)，提高了微表處的穩(wěn)定性和抗車轍能力。

（2）在微表處中加入纖維后，提高了微表處的抗松散性，纖維有很好的分散性，在瀝青混凝土中以三維立體方式對(duì)混合料進(jìn)行加強(qiáng)，為瀝青混凝土提供巨大內(nèi)聚力，并因加筋橋接作用，抑制了混合料的開(kāi)裂剝落。

（3）為了適應(yīng)微表處混合料的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)45℃、60℃車轍試驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)，最后確定采用45℃車轍試驗(yàn)對(duì)高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)比較合理。同時(shí)建議將其作為微表處抗高溫車轍的重要的路用性能指標(biāo)。

[1]杜鵬.分散方法和摻量對(duì)纖維微表處性能影響分析[J].中國(guó)市政工程,2013（1）：84-86.

[2]杜鵬.纖維微表處最佳油石比確定方法[J].中國(guó)市政工程,2012（2）：9-11.

[3]封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D]：南京：東南大學(xué)，2006

[4]JTG/T F40-02—2005，微表處和稀漿封層技術(shù)指南 [S].

[5]虎增福,曾赟編.乳化瀝青及稀漿封層技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.