玻璃纖維橡膠瀝青碎石封層層間粘結性能及用量優(yōu)選

宋琿

[摘? 要]：為探明玻璃纖維對瀝青路面層間粘結性能的加強效果，以及確定合理纖維用量，文章制備了不同材料用量的纖維碎石封層，采用自制的層間剪切和拉拔裝置，測試了不同封層材料含量對層間剪切強度和拉拔強度的影響。結果表明：（1）纖維加強型橡膠改性瀝青取量為1.8 kg/m2時粘層的性能最佳;（2）隨玻璃纖維用量的持續(xù)增加，粘層的剪切強度和拉拔強度均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢;（3）在低溫、常溫和高溫下含有纖維的纖維加強型橡膠改性瀝青性能最優(yōu)。

[關鍵詞]：瀝青路面; 纖維粘層; 層間粘結; 最佳用量

U416.217B

近年在各地的耐久性路面結構實踐中，除強化瀝青面層與基層粘結外，瀝青各層層間的粘結也逐漸得到重視。路面結構的性能不僅取決于各結構層材料的強度和剛度，而且受層間結合質量的影響顯著，因此，加強層間粘結處理是提升瀝青路面使用性能的關鍵措施之一。隨著道路交通的發(fā)展，常規(guī)的面層層間處置方式已經滿足不了現(xiàn)有的交通荷載等級。已有研究表明，纖維封層可作為應力吸收層加強層間連結，同時纖維的加入可以有效的抑制路面反射裂縫的產生。因此，采用纖維封層進行面層層間處治，不僅增強層間粘結效果，還有效提高面層結構的抗裂性能[1-7]。例如，中孟高速公路上中面層采用纖維封層替代了普通粘層，提升了面層間的粘結效果，抑制了反射裂縫的產生[8]。

目前，國內外道路工作者已對此進行了一系列相關研究，覃瀟等[9]通過電鏡試驗解釋了纖維對瀝青的性能增加的機理;楊飛龍[10]采用DSR和BBR試驗得出了玻璃纖維增強了瀝青的高、低溫性能;郭寅川等[11]研究發(fā)現(xiàn)摻加玻璃纖維后的礫石瀝青混合料的高溫性能和疲勞性能得到了明顯改善;張爭奇等[12]在封層中添加玻璃纖維后，封層的抗剪切性能、黏結性能和抗疲勞性能均得到很大的改善;凌天清等[13]提出了破裂面的概念分析了纖維封層中纖維長度對封層性能的影響;王航等[14]研究了發(fā)現(xiàn)在封層性能最佳時，纖維長度和纖維的摻量都存在最佳的取值;Peng等[15]研究了試驗溫度、纖維含量、瀝青含量和礫石覆蓋率等4個因素對纖維封層間抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)了纖維含量是最相關的影響因素;Dang等[16]發(fā)現(xiàn)了含氧化石墨烯涂層的短玻璃纖維可以提高層間的抗剪強度。綜上所述，目前國內外關于纖維加強的研究較多集中在玻璃纖維對于瀝青混合料封層性能的改善方面。然而，由于路面結構各層位受力特點和功能需求的不同，對玻璃纖維瀝青碎石封層綜合粘結性能的系統(tǒng)評價及如何確定封層中各材料的最佳摻量等問題的研究尚不完善，限制了玻璃纖維瀝青碎石封層的進一步發(fā)展及應用。

因此，本文通過剪切試驗、拉拔試驗系統(tǒng)分析了玻璃纖維摻量、瀝青摻量以及不同粘層材料對瀝青碎石封層粘結性能的影響，以期為玻璃纖維瀝青碎石封層的推廣和應用提供試驗支撐。

1 試驗材料及方案設計

為測定不同溫度條件下封層材料的粘結強度，以含有纖維碎石封層的瀝青路面復合試件為研究對象，設計了直向剪切及豎向拉拔試驗，對不同封層材料及用量下的層間強度進行測試，探究封層材料及用量對層間粘結性能的具體影響，進一步對比分析2種試驗方法的試驗結果，探明了玻璃纖維瀝青碎石封層中纖維和瀝青的最佳灑布量。

1.1 原材料及試件制備

本文采用無堿玻璃纖維，纖維的長度為60 mm。上中面層結構分別為橡膠改性瀝青混凝土（ARHM-13）和橡膠改性瀝青混凝土（ARHM-20）為準，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，通過旋轉壓實儀成型直徑150 mm的復合馬歇爾試件。粘結材料分別為橡膠改性瀝青、纖維加強型橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青。

試件制作過程：首先，采用旋轉壓實儀成型好中面層試件并養(yǎng)護;其次，待中面層試件養(yǎng)護好后，按照“瀝青-纖維-瀝青-碎石”的順序進行層間處置;最后，加入上層瀝青混合料，再經旋轉壓實成型復合試件。具體成型過程及層間處置如圖1所示。

1.2 試驗方法及原理

采用實驗室自制剪切和拉拔裝置，在不同溫度條件下對復合試件實施直接剪切和拉拔試驗。本研究考慮低溫、常溫和高溫3種典型溫度，分別為-10 ℃、25 ℃和50℃。試件在每種溫度下養(yǎng)護至少4 h后再進行進行強度試驗。剪切和拉拔裝置如圖2所示。其剪切速率和拉拔速率分別采用50 mm/min和10 mm/min。

2 試驗結果

2.1 封層中纖維加強型橡膠改性瀝青最佳用量的確定

基于國內外經驗，采用60 mm長度的玻璃纖維，其摻量取為100 g/m2，纖維加強型改性橡膠瀝青摻量取為1.4 kg/m2、1.6 kg/m2、1.8 kg/m2、2.0kg/m2、2.2 kg/m2，制備不同瀝青摻量的試件進行試驗，試驗結果如圖3、圖4所示，剪切和拉拔試件破壞如圖5所示。

由圖3可知，在不同溫度下，當纖維加強型橡膠改性橡膠瀝青摻量從1.4 kg/m2增至2.2 kg/m2時，不同類型瀝青碎石封層的層間抗剪強度呈現(xiàn)先增加后減少的狀態(tài)。在低溫下剪切強度增加幅度最高達24.8%，這主要是因為纖維加強型改性橡膠瀝青摻量的增加使其與集料間的黏聚力增強，層間抗剪強度相應增大，但纖維加強型橡膠改性瀝青摻量過大時，兩者間的摩擦咬合作用相對減小，層間抗剪強度降低，因此，纖維加強型橡膠改性瀝青摻量宜控制在1.4 到1.8 kg/m2左右。

由圖4可知，在不同溫度下當纖維加強型改性橡膠瀝青用量從1.4 kg/m2增至1.8 kg/m2時，不同瀝青摻量下纖維封層的層間拉拔強度隨之逐漸增加，低溫時拉拔強度增加幅度最高達25.1%，這是因為當玻璃纖維摻量及長度一定時，纖維加強型改性橡膠瀝青摻量的增加將使瀝青與集料間的黏聚力增強，層間拉拔強度增大。因此，纖維加強型改性橡膠瀝青摻量宜控制在1.8 kg/m2左右。由圖5可知，試件破壞的位置都在層間，且斷裂位置處于同一水平線上，表明試件成型較好，試驗數(shù)據(jù)具有可靠性。

2.2 玻璃纖維最佳灑布量確定

由上述分析可知，在低溫、常溫和高溫下，通過豎向拉拔和直向剪切試驗，分析瀝青灑布量與剪應力、拉應力的關系，進而確定對應封層中纖維加強型橡膠改性瀝青的最佳灑布量，結果表明纖維加強型橡膠改性瀝青的摻量宜取為1.8 kg/m2。在此基礎上，進一步分析纖維用量的變化對路面層間強度的影響規(guī)律，采用60 mm長度的玻璃纖維，玻璃纖維摻量取為60 g/m2、80 g/m2、100 g/m2、120 g/m2和140 g/m2，以此制備不同纖維摻量的纖維封層進行試驗，結果如圖6和圖7所示。

由圖6可知，在不同溫度下，當玻璃纖維摻量從60 g/m2增至140 g/m2時，層間抗剪強度隨著玻璃纖維用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的狀態(tài)，且在纖維用量為100 g/m2時，抗剪強度達到峰值。瀝青與纖維能夠形成網狀結構，經過旋轉壓實后，網狀結構包裹住碎石和瀝青混合料，改善了層間抗剪性能。但是，纖維一旦過量，多余的纖維不參層間結構，而是一種游離的薄弱狀態(tài)，反而會削弱層間抗剪強度。在100 g/m2玻璃纖維摻量下，低溫下最大剪應力較常溫下最大剪應力增幅達83.7%。常溫最大剪應力較高溫下最大剪應力增幅達150%。說明在不同溫度下玻璃纖維對層間的增強有很大的變化，在低溫和常溫下自由瀝青較少，面與面之間粘結緊密，玻璃纖維的加筋作用明顯。在高溫情況下，由于瀝青具有較大的流動性，玻璃纖維被流動的瀝青完全包裹，纖維處于游離狀態(tài)，在結構中起到的加筋作用不明顯。

由圖7可知，在3種溫度條件下抗拉強度同樣隨著纖維用量的增加先增后減，且100 g/m2玻璃纖維摻量下拉拔強度都是最大的。其中，抗拉強度在低溫下的增幅最高達17.2%，在常溫下的增幅最高達43.4%，在高溫下的增幅最高達50.2%。結合剪切和拉拔試驗可知封層纖維的最佳灑布量為100 g/m2。

2.3 粘結材料優(yōu)選

基于上述試驗確定了瀝青和纖維的最佳摻量，為優(yōu)選最佳的粘結材料，分別選取SBS改性瀝青，橡膠改性瀝青和纖維加強型橡膠改性瀝青3種粘層材料，并在1.8 kg/m2的瀝青灑布量下和100 g/m2的玻璃纖維摻量下進行拉拔和剪切試驗，從而優(yōu)選出最佳的層間粘結材料。其測試結果如圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可知，在不同溫度下，采用纖維加強型橡膠改性瀝青作為粘層的復合試件，其層間剪切強度和拉拔強度遠高于未用纖維增強瀝青材料作為防水粘層的復合結構。相較于橡膠改性瀝青，采用纖維加強型橡膠改性瀝青作為粘層的復合結構在-10 ℃條件下進行試驗時，計算得其剪切強度提高約26.9%，拉拔強度提高約27.1%;在20 ℃條件下試驗時，計算得其剪切強度提高約45.6%，抗拉強度提高約61.5%;而在50 ℃條件下試驗時，計算得其剪切強度提高約22.1%，抗拉強度提高約23.4%。上述結果表明纖維封層的加入提升了各溫度下復合結構的層間抗剪切強度和抗拉強度，尤其是對高溫下層間粘結強度具有積極影響。

3 結論

（1）當纖維加強型橡膠改性瀝青的用量為1.8 kg/m2時，層間具有最佳的粘結性能，其中剪切強度增加幅度最高達24.8%，拉拔強度增加幅度最高達25.1%。

（2）在1.8 kg/m2纖維加強型橡膠改性瀝青的灑布量下，隨著玻璃纖維用量的增加，試件的層間強度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，玻璃纖維的最佳用量為100 g/m2。

（3）粘層材料優(yōu)選試驗表明，在1.8 kg/m2瀝青灑布量下和100 g/m2玻璃纖維摻量下，各層間材料的優(yōu)劣順序為纖維加強型橡膠改性瀝青>橡膠改性瀝青>SBS改性瀝青，采用纖維加強型橡膠改性瀝青可以使得粘層具有最佳的粘結性能。

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