加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

呂玉蓉 袁盛杰 廖亞雄 魏 威

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430050)

近年來，隨著交通量和交通荷載不斷增加，早期建設(shè)的瀝青路面開始出現(xiàn)裂縫、車轍等一系列病害，導(dǎo)致路面平整度降低、抗滑性能下降，其行車舒適度隨之下降。這些早期病害若不及時(shí)進(jìn)行處置，將進(jìn)一步發(fā)展甚至威脅到行車安全[1]。因此需在路面出現(xiàn)早期病害時(shí)，及時(shí)對(duì)原路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，恢復(fù)其路用性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。目前常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)包括有超薄磨耗層、微表處、霧封層、同步碎石封層等，各種養(yǎng)護(hù)技術(shù)在其各自的使用范圍、材料組成、施工工藝、養(yǎng)護(hù)效果等方面存在較大差別，以上幾種常用的養(yǎng)護(hù)維修手段，均存在某些方面的缺陷，如超薄磨耗層的造價(jià)較高且對(duì)碾壓工藝有較高要求，微表處對(duì)原材料要求高、造價(jià)高，同步碎石封層的黏結(jié)性不足[2]。針對(duì)目前各種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的不足，亟須開發(fā)性價(jià)比更優(yōu)的養(yǎng)護(hù)措施，2007年我國(guó)引進(jìn)了法國(guó)全新的養(yǎng)護(hù)新技術(shù)(纖維瀝青碎石封層)，其采用專用設(shè)備同步灑布乳化瀝青、纖維，再灑布碎石，經(jīng)碾壓養(yǎng)生后即可開放交通，作為原路面的表面磨耗層恢復(fù)其使用性能。

纖維瀝青碎石封層能夠快速有效地恢復(fù)路面表面功能，提高使用性能，延長(zhǎng)道路使用壽命，這種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用，但是由于引入國(guó)內(nèi)時(shí)間較短，相關(guān)配合比研究和實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)很少。本文將結(jié)合室內(nèi)配比試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用情況對(duì)加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)展開研究。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 乳化瀝青。乳化瀝青作為纖維瀝青碎石封層中重要的結(jié)合劑，其性能直接決定了碎石封層后續(xù)的抗滑、防水等能力，本文選取某SBS改性乳化瀝青，其相關(guān)性能參數(shù)滿足JTG F40-2004《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》的要求，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 乳化瀝青檢測(cè)結(jié)果

2) 纖維。選用的玻璃纖維是玻璃經(jīng)高溫后拉絲形成，性能指標(biāo)符合GB/T 18369《玻璃纖維無捻粗紗》規(guī)范要求，其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 纖維性能指標(biāo)

3) 碎石。選用4.75～9.5 mm的石灰?guī)r集料，其相關(guān)性能滿足JTG F40-2004《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》的要求，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 集料檢測(cè)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

成型30 cm×30 cm×5 cm瀝青混合料車轍板試件，在其上層成型加纖瀝青碎石封層，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)及構(gòu)造深度試驗(yàn)。

1) 拉拔試驗(yàn)。成型試件待其完全固化后放置于試驗(yàn)臺(tái)，在拉拔頭上均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠黏劑，與碎石封層黏結(jié)，待完全牢固后，采用萬能試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變控制模式以1 mm/min拉拔速率進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

2) 滲水試驗(yàn)。依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》)中T0730-2011對(duì)試件進(jìn)行滲水試驗(yàn)，計(jì)算3 min滲水時(shí)間的滲水速率或者500 mL滲水量的滲水速率，以對(duì)加纖瀝青碎石封層滲水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3) 構(gòu)造深度試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中T0731-2000瀝青混合料表面構(gòu)造深度人工鋪砂試驗(yàn)對(duì)加纖瀝青碎石封層試件的抗滑性能進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量以砂攤成圓的2個(gè)方向直徑，以計(jì)算構(gòu)造深度TD表征抗滑性能。

2 加纖瀝青碎石封層室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響加纖瀝青碎石封層性能的因素眾多，但纖維瀝青碎石封層各原材料用量對(duì)封層路用性能的影響至關(guān)重要。參考國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，確定各原材料用量范圍[3]，選取各影響因素的試驗(yàn)水平。如表4所示進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表4 原材料用量范圍及試驗(yàn)水平

2.2 性能評(píng)價(jià)

按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同影響因素開展各水平成型試件后`，依照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行拉拔試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、構(gòu)造深度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，各因素不同水平下滲水系數(shù)均接近于0，說明上述摻量下的加纖瀝青碎石封層防滲水性能優(yōu)良，因此著重研究各材料用量對(duì)拉拔強(qiáng)度、構(gòu)造深度的影響。采用極差分析法進(jìn)行定量分析，見表6。其中：ki為某因素第i水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，極差為ki(i=1，2，3)中最大值與最小值的差值。

表5 L9(34)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)極差分析

2.2.1拉拔強(qiáng)度

乳化瀝青、碎石、纖維用量對(duì)拉拔強(qiáng)度影響圖見圖1。

圖1 不同材料用量對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響

由圖1a)可知，加纖瀝青碎石封層拉拔強(qiáng)度隨乳化瀝青用量增加而增大，乳化瀝青用量從1.2 kg/m2增至1.6 kg/m2時(shí)，拉拔強(qiáng)度由0.13 MPa提升至0.21 MPa，當(dāng)乳化瀝青用量達(dá)到1.6 kg/m2，拉拔強(qiáng)度提升0.05～0.26 MPa。故提高乳化瀝青摻量可提升碎石封層的拉拔強(qiáng)度，這是由于隨著瀝青用量的增加，滲入原路面瀝青增多，原路面與封層黏結(jié)性能增強(qiáng)，同時(shí)碎石能被足夠?yàn)r青裹附，結(jié)構(gòu)瀝青含量增多，提供足夠的黏結(jié)強(qiáng)度；乳化瀝青用量達(dá)到一定程度后，結(jié)構(gòu)瀝青含量達(dá)到極值，故對(duì)拉拔強(qiáng)度提升幅度降低[4-5]。

由圖1b)可知，拉拔強(qiáng)度隨碎石用量的增加先增大后減小，乳化瀝青用量從1.2～1.6 kg/m2，拉拔強(qiáng)度提升0.2 MPa，乳化瀝青用量增加至1.8 kg/m2，拉拔強(qiáng)度從0.22 MPa下降至0.18 MPa。故以拉拔強(qiáng)度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，碎石最佳用量為8 kg/m2，這是由于碎石用量小于8 kg/m2時(shí)，封層混合料中自由瀝青較多，隨著碎石的加入，裹附自由瀝青轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)瀝青，增強(qiáng)其黏結(jié)能力；碎石用量逐漸增大，導(dǎo)致部分碎石未被瀝青有效黏結(jié)，易脫落而降低了整體的黏結(jié)性能。

由圖1c)可知，拉拔強(qiáng)度隨纖維用量的增加不斷減小，一定程度上，纖維用量的增加降低了碎石封層的黏結(jié)性能，這可能是纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在封層整體結(jié)構(gòu)中某一處形成了薄弱層，從而降低了加纖瀝青碎石封層的黏結(jié)性能。

由此可見，所選3因素中對(duì)加纖瀝青碎石封層拉拔強(qiáng)度影響最大的是乳化瀝青的用量，其次是碎石用量，纖維用量影響最小，三者對(duì)應(yīng)極差大小排序?yàn)椋?.14 MPa>0.03 MPa>0.01 MPa。

2.2.2構(gòu)造深度

乳化瀝青、碎石、纖維用量對(duì)構(gòu)造深度影響圖見圖2。

圖2 不同材料對(duì)構(gòu)造深度的影響

由圖2a)可見，構(gòu)造深度隨乳化瀝青用量增加而減小，乳化瀝青用量從1.2 kg/m2增加至1.8 kg/m2時(shí)，構(gòu)造深度從1.83 mm降低至1.20 mm，降幅達(dá)34%。故可認(rèn)為，乳化瀝青用量過多會(huì)嚴(yán)重影響加纖瀝青碎石封層的抗滑性能，這是由于乳化瀝青用量增多，對(duì)碎石空隙進(jìn)行了填充，瀝青層厚度增大，碎石未被瀝青覆蓋的露出部分減少，即構(gòu)造深度減小。

由圖2b)可見，加纖瀝青碎石封層構(gòu)造深度隨碎石用量的增加先增大后減小，在碎石用量達(dá)到8 kg/m2時(shí)，構(gòu)造深度達(dá)到極值1.63 mm。當(dāng)碎石用量小于8 kg/m2時(shí)，碎石用量增加，更多乳化瀝青對(duì)其進(jìn)行了裹附，致使瀝青液面高度下降，構(gòu)造深度得到提升；但碎石用量超過8 kg/m2后，碎石擠占瀝青空間，使其平面上升，減小封層構(gòu)造深度。故以構(gòu)造深度為設(shè)計(jì)指標(biāo)，碎石最佳用量仍為8 kg/m2。

由圖2c)可見，對(duì)加纖瀝青碎石封層構(gòu)造深度影響程度由大到小排序?yàn)槿榛癁r青用量>碎石用量>纖維用量，三者極差依次為0.63，0.20，0.03 mm。纖維用量在80～120 g/m2范圍內(nèi)，幾乎不影響加纖瀝青碎石封層的構(gòu)造深度。

綜合考慮3種因素對(duì)加纖瀝青碎石封層黏結(jié)性能、抗滑性能、滲水性能的影響，3種原材料最佳配比為：乳化瀝青1.6 kg/m2，碎石8 kg/m2，纖維80 g/m2。

3 工程應(yīng)用

基于上文研究成果，在某一雙向四車道瀝青路面出現(xiàn)輕微泛油及松散剝落病害后，采用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行維修，以前述最佳配比進(jìn)行加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)施工作業(yè)，對(duì)其養(yǎng)護(hù)前后構(gòu)造深度、滲水系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并跟蹤調(diào)查養(yǎng)護(hù)1年后的構(gòu)造深度、滲水系數(shù)，所得數(shù)據(jù)見表7。

表7 養(yǎng)護(hù)前后路面性能測(cè)試結(jié)果

施工完成后的瀝青路面外觀良好，由表7可知，經(jīng)加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)養(yǎng)護(hù)后，路面構(gòu)造深度在1.4～2.1 mm范圍內(nèi)，滲水系數(shù)均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求；養(yǎng)護(hù)1年后，路面構(gòu)造深度在1.1～1.6 mm范圍內(nèi)，滲水系數(shù)均小于0.3 mL/min，仍滿足規(guī)范要求，說明瀝青路面經(jīng)該技術(shù)養(yǎng)護(hù)后具有良好的抗滑、抗?jié)B水性能。

4 結(jié)語

針對(duì)加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及實(shí)際工程應(yīng)用研究，得出以下結(jié)論。

1) 對(duì)加纖瀝青碎石封層拉拔強(qiáng)度、構(gòu)造深度影響程度排序均為：乳化瀝青用量>碎石用量>纖維用量。其中，纖維用量在80～120 g/m2范圍內(nèi)，幾乎不影響加纖瀝青碎石封層的黏結(jié)性能與抗滑性能。

2) 基于拉拔強(qiáng)度及構(gòu)造深度，3種原材料最佳配比為：乳化瀝青1.6 kg/m2，碎石8 kg/m2，纖維80 g/m2。

3) 加纖瀝青碎石封層養(yǎng)護(hù)技術(shù)能有效改善原路面的抗滑、抗?jié)B水性能，具有一定的應(yīng)用及推廣價(jià)值。