纖維微表處技術在京港澳高速瀝青路面預防性養護中的應用

曹 煒，王世昌，商德望，彭 庚，張碩周，徐立廷

（1.北京首發公路養護工程有限公司，北京 102613；2.北京建筑大學 未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3. 濮陽市公路管理局，河南 濮陽 457000；4.殼牌（中國）有限公司，北京 100004）

引言

目前，微表處作為常用預防性養護措施在高速上大規模使用，但在路面使用后發現微表處使用壽命相對較短，且微表處易出現抗裂性、抗變形性能不足等問題，尤其在一些低溫高寒地區，由于氣候問題和冬天氣溫低的影響，普通微表處路面經常會產生裂縫和開裂等病害。因此，需要微表處具有優良的抗裂性、水穩性和抗變形等路用性能。纖維微表處具有優良的抗裂性能，且與普通微表處相比，纖維微表處的不同之處在于其摻加了纖維，纖維具有改變瀝青膠體結構的能力。因為纖維的吸附、穩定和多向加筋作用，能夠提高微表處混合料的高溫、低溫抗裂性能和減少反射裂縫，延長微表處的使用壽命。因此，選取聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維進行試驗。通過對比分析4種纖維微表處的抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍變形性能和低溫抗裂性能，優選出最佳纖維微表處，并結合港珠澳高速工程的實際應用驗證其使用效果。

1 試驗材料

1.1 基質瀝青

試驗選用70#基質瀝青，技術指標見表1。

表1 基質瀝青指標

1.2 乳化劑及其他添加劑

改性乳化瀝青中的乳化劑采用MQ3，改性劑采用SBR 膠乳改性劑，其他添加劑為鹽酸調節劑、水等。根據生產設備、原材料特性及施工條件，專門配制適用于纖維微表處的乳化瀝青，技術指標見表2。由表2 可看出，配制的乳化瀝青貯存穩定性優異，達到0.03%/d，5 d 為2.3%，遠高于規范《公路瀝青路面微表處設計與施工技術規范》（DB62T 3129—2017）要求及同類產品。

表2 SBR 改性乳化瀝青指標

1.3 石料及其他材料

石料采用玄武巖粗集料、石灰巖粉料，選用C45普通硅酸鹽水泥，石料指標見表3。

表3 石料指標

1.4 纖維種類及選擇

目前國內路面一般所用纖維為聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，性能指標見表4。

表4 纖維分類及指標

2 配合比設計

2.1 級配設計

級配設計選用MS-3 型，見圖1。其中 5 ～10 mm、3 ～5 mm、0 ～3 mm 石料和礦粉按照比例（17.5 ∶30 ∶51 ∶1.5）配制成微表處混合料，因此，礦料的合成級配設計值選取MS-3 型的級配中值。

圖1 級配設計

2.2 油石比確定

研究選取6.0%、6.5%、7.0%、7.5%和8.0%的油石比進行試驗，測試結果見表5、表6。可知，當微表處混合料的油石比在6.5%、7.0%、7.5%和8.0%時，其濕輪磨耗值、負荷黏砂值、寬度變化率和黏聚力值均滿足技術要求。

表5 濕輪磨耗試驗與負荷黏砂試驗結果

表6 輪轍變形試驗和黏聚力試驗結果

為了避免常規配合比設計確定的最佳油石比范圍太寬等問題，在常規試驗方法確定的最佳油石比范圍內，通過引入小梁彎曲試驗精確計算微表處混合料最佳油石比，小梁試驗初選乳化瀝青用量為6.5%、7%、7.5%、8%。

成型步驟：（1）拌和好纖維、水泥和礦粉；（2）加入定量的水，攪拌后添加乳化瀝青，攪拌均勻后即可得到纖維微表處混合料；（3）將拌和均勻的纖維微表處混合料攤鋪在車轍試模內，常溫條件下放置 30 min 后，碾壓成型得到車轍板；（4）將車轍板置于60℃烘箱中養生1 d，取出車轍板并冷卻16 h后切割小梁試件，尺寸為 250 mm × 30 mm × 35 mm。根據規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中低溫彎曲試驗要求，測試不同油石比下小梁試件的彎拉應變，結果見表7。考慮到施工和易性以及經濟效益，纖維微表處混合料最佳油石比為7.5%。

表7 纖維微表處混合料低溫彎曲試驗結果

3 不同纖維微表處的性能對比

通過對原材料性能和級配設計，纖維微表處混合料所用油石比為 7.5%，用水量為 4.5%，水泥摻量為1.5%。

為了研究纖維摻量對微表處混合料的性能影響，在確定級配及最佳油石比情況下，以SBR 改性乳化瀝青、4種纖維（聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）等原材料成型試件并測定其抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍變形性能和低溫抗開裂性能。其中纖維摻量選用0.10%、0.20%和0.30%，并與無纖維普通微表處進行性能對比。

3.1 抗磨耗性能對比

表8 和圖2 為纖維微表處1 h 濕輪磨耗試驗結果。

表8 1 h 濕輪磨耗試驗結果

圖2 1 h 濕輪磨耗值對比

從表8 和圖2 中看出：相比無纖維的微表處，0.10%纖維摻量下微表處的1 h 濕輪磨耗值減小了，且隨著纖維摻量的提高，纖維微表處的1 h 濕輪磨耗值也隨之提高。可以看出，不同纖維對微表處的抗磨耗性能提升程度從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

3.2 抗水損性能對比

表9 和圖3 為纖維微表處6 d 的濕輪磨耗試驗結果。

表9 6 d 濕輪磨耗試驗結果

圖3 6 d 濕輪磨耗值對比

分析表9 和圖3 可知：（1）纖維微表處的6 d濕輪磨耗值隨著纖維摻量的提高而增加。（2）當纖維摻量在0.10%時，4 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均比無纖維的微表處的低。（3）當纖維摻量在0.20%時，除玄武巖纖維外，其他3 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均超過無纖維的微表處。（4）當纖維摻量在0.30%時，4 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均大于無纖維的微表處。4 種纖維對微表處抗水損害性能的提高從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

3.3 抗車轍變形性能對比

表10 和圖4 為纖維微表處的輪轍寬度變形試驗結果。

表10 車轍試驗結果

圖4 抗車轍試驗值對比

分析表10 和圖4 可知：（1）4 種纖維微表處的動穩定度值隨著纖維摻量的增加呈現先上升后減小趨勢，當纖維摻量為0.20%時，其動穩定度最大。（2）相同纖維摻量下，4 種纖維微表處的抗車轍變形能力的提升效果從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維。

3.4 低溫抗裂性能對比

表11 和圖5 為纖維微表處低溫彎曲試驗結果。

表11 低溫小梁試驗結果

圖5 低溫開裂試驗值對比

從表11 和圖5 中可以看出：（1）相比無纖維微表處，4 種纖維微表處混合料的最大彎拉應變均得到提高，且其值隨纖維摻量的提高而增大，說明纖維微表處的低溫抗裂性能更好。（2）當摻加的纖維種類不同，纖維微表處的最大彎拉應變值也不同，即其低溫抗裂性能也不同，4 種纖維對微表處的低溫抗裂性能提升程度由大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

綜合上述各項指標的室內試驗結果，當纖維摻量在0.20%，纖維微表處混合料的各項性能相比普通微表處均表現優異，且玄武巖纖維微表處的各項性能相比其它3 種纖維微表處更為優越。因此，在實際工程鋪筑玄武巖纖維微表處。

4 工程應用

4.1 項目概況

京港澳高速公路（G4）是北京通往石家莊直至廣州、深圳的國家級干道，北京段高速公路全長45.307 km，大部分路段為雙向六車道，設計時速為80 ～120 km。作為北京西南部重要的通道，每日車流量巨大，在長期車輛作用下，路面出現微裂縫等病害。因此，對京港澳高速K0+300—K9+900 路段進行全段綜合治理，結合道路技術狀況指標，堅持精品理念，按照最新建設標準，優選創新應用技術成果，計劃選取K9+000—K9+300 試驗段實施優選的玄武巖纖維微表處，原材料包括基質瀝青、乳化劑、SBR 膠乳、石料和玄武巖纖維。

4.1.1 現況道路技術標準

公路等級：高速公路主線設計速度：120 km/h；道路標準橫斷面：標準斷面為雙向6 車道，主路單幅路面寬為0.5 m +3.75 m×3+0.5 m =12.25 m，內側為超車道，中間和外側為行車道。

4.1.2 舊路結構調查

舊路自上而下結構組成依次為 SMA-16（5 cm）、中粒式瀝青混合料 AC-20（6 cm）、粗粒式混凝土（4.5 cm）、黑色碎石（7 cm）、石灰粉煤灰穩定砂礫（40 cm），石灰砂礫（20 cm）。

4.1.3 年平均日交通量

根據京港澳高速岳各莊橋西站點交通量觀測數據，京港澳高速K0+300—K9+900 年平均日交通量絕對值為53 856 輛/日，屬于特重交通量等級。

4.2 施工條件

北京市屬中緯度地區，受西風帶影響，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。工程施工位置處于北京市京港澳高速，計劃于3 至7 月進行，天氣影響較小，有大小河流200余條，主要有永定河、潮白河、北運河、拒馬河、泃錯河五大河流，多屬海河水系。本工程在高速公路上施工，車輛行駛通暢，交通較方便。地上有部分上跨橋梁及高壓線，經調查限高及安全施工高度均符合要求；地下管線及其他構筑物等經調查均不影響施工。

4.3 路面養護設計方案

根據檢測數據，京港澳高速公路K0+300—K9+900 病害主要是縱橫向裂縫及輕微車轍，路面抗滑性有所下降。為了防止路面出現新的病害或者輕微裂縫進一步擴展、延緩路面使用性能的衰減，保持和改善路面使用性能，結合瀝青路面預防性養護技術指南中的適用條件要求，綜合路面病害特征、交通量、資金和費用效益等因素，對京港澳高速K0+300—K9+900 雙向路面實施微表處預防性養護，且選用玄武巖纖維微表處。

4.4 施工效果評價

為了驗證設計的玄武巖纖維微表處各項路用性能，在京港澳高速部分路段對其各項性能指標進行了檢測，且評價了纖維微表處實體工程的表觀質量、路面抗滑性能、滲水系數、厚度等。結果顯示，微表處各項施工性能指標均滿足規范《公路瀝青路面微表處設計與施工技術規范》（DB62T 3129—2017）要求；微表處竣工后其全線外觀表面平整、密實、均勻，無松散，無花白，橫向接縫對接平順，縱向接縫寬度均不大于80 mm，無不平整現象。

于施工后第一年冬季對比觀測纖維微表處和普通微表處的表觀開裂狀況和統計裂縫數量，對路面長時間觀測中未發現纖維微表處路段出現開裂現象及開裂趨勢，普通微表處已出現少量裂縫。表明普通微表處在添加玄武巖纖維后能顯著提高微表處的抗松散性，以三維立體方式對混合料進行加強，提高了瀝青混凝土內聚力、抑制微表處的開裂，其它工程檢測結果見表12。可知，纖維微表處在實體工程應用中表現良好。

表12 纖維微表處的性能檢測結果

5 結語

本項目對纖維微表處進行了研究，給出了纖維微表處的原材料和配合比設計，并對4 種纖維（聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）微表處及3 種纖維摻量（0.10%、0.20%和0.30%）下進行了性能評價和優選。與普通微表處進行性能對比，將優選的纖維微表處應用于京港澳高速公路，得到結論：（1）不同纖維對微表處的抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍性能和抗低溫開裂性能提升程度從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。（2）相比無纖維微表處，4 種纖維微表處混合料的最大彎拉應變均得到提高，且其值隨纖維摻量的提高而增大，說明纖維微表處的低溫抗裂性能更好。（3）通過室內試驗和性能對比，并考慮工程經濟，玄武巖纖維摻量選用0.20%。（4）評價了玄武巖纖維在京港澳高速公路應用后的效果，得到了綜合路用性能良好的玄武巖纖維微表處。