隧道路面纖維改性膠粉微表處混合料性能分析

摘要：為了研究纖維改性膠粉微表處在隧道路面中的應(yīng)用，文章以兩種纖維（聚酯纖維、玄武巖纖維）對膠粉微表處混合料進(jìn)行改性，分析膠粉微表處混合料的抗滑性、耐久性變化規(guī)律。結(jié)果顯示：兩種纖維對微表處混合料改性規(guī)律一致，纖維對混合料構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)提高幅度不明顯，且當(dāng)纖維摻量>0.2%時，構(gòu)造深度呈減小趨勢，摩擦系數(shù)則基本不增加;油石比為7.0%時，纖維含量增大，磨耗性、水穩(wěn)定性均增大;油石比>7.5%時，纖維含量增大，磨耗性、水穩(wěn)定性先減小后增大。建議纖維摻量宜控制在0.15%～0.25%，混合料油石比應(yīng)≥7.5%。

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青罩面;纖維;膠粉;性能

中圖分類號：U457+.2A391464

0 引言

隨著我國山區(qū)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道占高速公路里程的比例越來越大，尤其是在我國西南地區(qū)的新建高速公路中，隧道占總里程數(shù)的比例已經(jīng)超過了20%，并且多為長隧道、特長隧道[1]。隧道路面處于半封閉的空間內(nèi)，溫差較小，非寒冷地區(qū)路表溫度常年在15 ℃～30 ℃之間變化，由于雨水天氣，環(huán)境溫差小使得隧道路面由輪胎帶入的雨水不容易干燥，路面長期處于潮濕狀態(tài)，這就要求隧道路面應(yīng)具有更高標(biāo)準(zhǔn)的抗滑穩(wěn)定性。調(diào)查表明，交通事故在隧道路段發(fā)生概率2倍于普通行車路段，并且在陰雨天氣中隧道事故發(fā)生率上升12%。由此可見，隧道路面的安全性亟待提高[2]。

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作為超前的養(yǎng)護(hù)性方案，對道路全壽命周期成本控制具有良好的適用性。針對隧道路面上述問題，可考慮從預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的角度出發(fā)，在隧道路面出現(xiàn)抗滑性能衰減后、發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷前進(jìn)行表面層改性處理[3]。微表處技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)可行的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方案，最為常用，且具有造價低、防水抗滑、耐磨、抗車轍、能耗少、環(huán)保等優(yōu)點，但易出現(xiàn)強(qiáng)度不足、行車噪聲大等問題[4-8]。研究顯示，橡膠及纖維改性（乳化）瀝青混合料可對上述性能問題進(jìn)行相應(yīng)改善，但具體摻量等技術(shù)參數(shù)以及改性劑種類的優(yōu)化選取等相關(guān)研究并不明確。為對纖維改性膠粉微表處混合料性能變化規(guī)律進(jìn)行研究，本文擬采用不同種類、摻量的纖維及油石比等關(guān)鍵參數(shù)對膠粉乳化瀝青混合料抗滑性能、耐久性等路用性能的改性效果進(jìn)行研究，以期為纖維改性膠粉微表處混合料在隧道路面中的應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

微表處混合料選用SBR改性乳化瀝青（相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示），膠粉采用貴州某單位自主研發(fā)的40目橡膠粉;兩種纖維分別為聚酯纖維和玄武巖纖維。混合料級配采用規(guī)范推薦的MS-3型級配。

1.2 試驗方案

通過以往工程經(jīng)驗及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選取膠粉最佳摻量為2%，纖維按產(chǎn)品推薦摻量0.1%～0.3%進(jìn)行變摻量試驗。抗滑性能評價采用試驗方式為：構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)?；旌狭夏途眯栽u價采用1 h及6 d濕輪磨耗試驗，其中后者還可對混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

1.3 試件制備

抗滑試驗試件制備過程如下：（1）為與實際工況相一致，首先成型厚度為4 cm的車轍板試件作為磨耗層下承層，下承層可選用工程中常用的SBS改性AC-13瀝青混合料;（2）在下承層上攤鋪1 cm待試驗微表處層;（3）置于常溫環(huán)境下自然養(yǎng)生≥12 h，養(yǎng)生完后可進(jìn)行相關(guān)性能試驗。

2 抗滑性能

2.1 構(gòu)造深度試驗

構(gòu)造深度作為評價水泥路面、瀝青路面宏觀抗滑性能最簡單的評價方式，廣泛應(yīng)用于路面抗滑性能過程控制及交工驗收中，其測試結(jié)果與車輛在實際路面所受抗滑狀態(tài)具有顯著對應(yīng)關(guān)系。本文采用鋪砂法對不同種類、摻量纖維膠粉改性微表處混合料進(jìn)行構(gòu)造深度測試。試驗結(jié)果如圖1所示。

整體而言，纖維加入后，微表處混合料構(gòu)造深度最大變化幅度在0.05 mm左右，變化值較小，當(dāng)摻量<0.2%時構(gòu)造深度變化規(guī)律不明顯，而當(dāng)摻量>0.2%時構(gòu)造深度逐漸減小，且在纖維摻量為0.3%時，構(gòu)造深度減小0.04 mm，降幅約為5%。這是由于構(gòu)造深度主要反映混合料的宏觀情況，即混合料表層孔隙越多、深度越大，構(gòu)造深度測試值越大，主要受到混合料級配類型的影響。纖維加入后，僅使混合料中的瀝青膠漿發(fā)生了改變，對級配并無影響，因此整體而言混合料構(gòu)造深度變化幅度并不明顯。當(dāng)纖維摻量逐漸增大時，纖維作為混合料的組成物質(zhì)，使得混合料空隙率逐漸減小，因此構(gòu)造深度出現(xiàn)一定下降，但下降幅度有限。

2.2 摩擦系數(shù)試驗

擺式摩擦系數(shù)儀采用橡膠墊片模擬車輛輪胎的方式，可用于模擬車輛行駛作用下與路面的摩擦作用。由于雨天條件下路面對車輛摩擦作用降低，因此擺式摩擦系數(shù)測試需提前灑水以模擬雨水作用下車輛的行駛狀態(tài)。測試時橡膠片與路表進(jìn)行接觸，可以有效反映表層瀝青、集料表面對運動橡膠片的摩擦作用，也可較好地反映瀝青路面微觀結(jié)構(gòu)對車輛的摩擦作用。本文采用《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG3450-2019）T0964方法，使用擺式摩擦系數(shù)測定儀，測定瀝青路面的抗滑值。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：

（1）兩種纖維的加入，使混合料摩擦系數(shù)測定值變化規(guī)律相同，即均呈現(xiàn)一定的增大趨勢，但纖維摻量增大至0.2%時摩擦系數(shù)趨于平緩。這是由于纖維加入后，纖維的“加筋”作用提高了瀝青膠漿黏度，乳化瀝青養(yǎng)護(hù)完成后增加了微表處混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青含量，使得表層瀝青對橡膠片的摩阻作用增強(qiáng)，進(jìn)而提高了摩擦系數(shù)測定值。當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增大，纖維對瀝青的結(jié)合作用達(dá)到飽和，混合料中結(jié)構(gòu)瀝青含量不再增加，宏觀表現(xiàn)為摩擦系數(shù)測定值基本保持不變。

（2）兩種纖維對微表處摩擦系數(shù)改善效果存在一定差異，即玄武巖纖維較聚酯纖維對摩擦系數(shù)提高幅度相對較大，相同摻量下摩擦系數(shù)差值最大相差1.8 BPN。表明纖維可在一定程度上改善微表處混合料的摩擦系數(shù)，且不同種纖維間改善效果差異不大。

3 耐久性分析

微表處主要用于對路面行車功能進(jìn)行改善，如抗滑性能、耐久性等。而耐久性影響因素復(fù)雜，且受施工因素影響相對較大，因此本節(jié)主要對可反映微表處耐久性的抗磨耗性能進(jìn)行分析，同時由于隧道環(huán)境相對潮濕，因此擬對有水條件下微表處的性能進(jìn)行分析。

3.1 抗磨耗性能

結(jié)合以往工程經(jīng)驗，采用1 h濕輪磨耗試驗對微表處抗磨耗性能進(jìn)行分析。1 h濕輪磨耗試驗可有效表征微表處混合料抗磨耗性能，同時也可對瀝青與集料的粘附特性進(jìn)行反映。為對比分析不同纖維種類微表處混合料耐磨耗性能的差異，在選定的試驗條件下，改變不同的纖維摻量及油石比，具體試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3分析可知：

（1）相同纖維摻量條件下，兩種纖維微表處混合料1 h濕輪磨耗值均隨著油石比的升高而降低，表明微表處抗磨耗性能隨著油石比增加而逐漸提高。

（2）當(dāng)微表處混合料油石比較低（7.0%）時，混合料的濕輪磨耗值隨著纖維摻量呈現(xiàn)單調(diào)增加關(guān)系，即混合料耐磨耗性能逐漸降低。當(dāng)油石比升高至7.5%以上時，增大纖維的摻量，磨耗值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，即當(dāng)纖維摻量為0.2%左右時混合料抗磨耗性能最好。這表明油石比較大時，混合料存在最佳纖維摻量，且較高摻量纖維反而會降低微表處的抗磨耗性能。

（3）摻加不同纖維的膠粉微表處混合料的濕輪磨耗值均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，根據(jù)纖維的改善效果，建議纖維的摻入量為0.15%～0.25%，且油石比應(yīng)>7.0%。

3.2 水穩(wěn)定性

微表處混合料水穩(wěn)定性可以采用6 d濕輪磨耗值進(jìn)行表征，其值的大小直接影響著微表處混合料的使用性能及路面使用壽命。本文通過改變混合料的油石比及纖維摻量，研究兩種纖維膠粉微表處混合料的抗水損害性能。具體試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：

（1）逐漸增大纖維用量，兩種纖維橡膠粉混合料的磨耗值變化規(guī)律基本相同。當(dāng)油石比較低為7.0%時，混合料中的膠結(jié)料不足使得礦料粘附性差，此時再增大纖維用量，纖維吸收一部分瀝青質(zhì)使得瀝青質(zhì)含量更少，礦料粘附力進(jìn)一步降低;當(dāng)逐漸增大油石比后，混合料中有足夠的膠結(jié)料，因此抗水損害能力顯著提高，并且與1 h濕輪磨耗結(jié)果相似，6 d濕輪磨耗值隨纖維摻量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

（2）在相同的油石比及纖維摻量下，玄武巖纖維混合料的抗水損害性能優(yōu)于聚酯纖維混合料。

（3）橡膠粉微表處混合料在摻加一定量纖維后，當(dāng)油石比處于合適范圍時，其濕輪磨耗值較小，說明混合料的粘附性、抗磨耗及水損害性能在摻入纖維后得到了較大的提高。綜上可知，摻加纖維的橡膠粉微表處混合料的建議油石比為≥7.5%，同時纖維摻量應(yīng)控制在0.15%～0.25%，可獲得較好的路用性能及經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

（1）聚酯纖維、玄武巖纖維對膠粉微表處混合料構(gòu)造深度影響規(guī)律相同，且影響較小;當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.2%后，構(gòu)造深度變化趨于平緩。

（2）當(dāng)膠粉微表處混合料中的纖維摻量≤0.2%時，纖維的加入增大了瀝青黏度，增加了微表處混合料中結(jié)構(gòu)瀝青含量比例，使得摩擦系數(shù)增大。繼續(xù)增加纖維含量，摩擦系數(shù)測試值趨于平緩，表明纖維對路面抗滑性能改善效果有限。

（3）橡膠粉微表處混合料加入一定量纖維后可以明顯提高其抗磨耗等耐久性能，為獲得較好的增強(qiáng)性能，建議摻量為0.15%～0.25%、混合料油石比應(yīng)≥7.5%。

參考文獻(xiàn)

[1]沈儀平. 微表處在隧道水泥混凝土路面糙化治理中的應(yīng)用[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化， 2014， 42（16）： 26-28.

[2]邵鵬康. 功能型超微表處路面養(yǎng)護(hù)材料設(shè)計研究[D]：西安：長安大學(xué)， 2014.

[3] 鄭坤平. 微表處技術(shù)在隧道水泥混凝土路面抗滑恢復(fù)中的應(yīng)用[J].交通世界（建養(yǎng)·機(jī)械）， 2012（8）： 67-69.

[4] 李艷青. 聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料路用性能與降噪特性[J].公路工程， 2020， 45（3）： 180-188.

[5] 莊傳儀， 葉亞麗，王 莉，等. 廢舊橡膠粉干法微表處混合料微觀形貌結(jié)構(gòu)表征[J].公路， 2020， 65（4）： 320-324.

[6] 李太陽. 玄武巖纖維微表處路用性能研究[D].吉林：北華大學(xué)， 2020.

[7] 鄧育訓(xùn)， 曹俊昌， 王 宏. 聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料路用性能與降噪特性[J].公路， 2019， 64（10）： 284-292.

[8] 王吉運， 駱中斌. 多功能瀝青路面微表處材料的制備與性能[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化， 2019， 36（1）： 48-54.

作者簡介：

賈春陽（1977—），工程師，主要從事交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督工作。