纖維碎石封層在應力吸收層中的應用分析

趙振華

（南通市市政設施管理處，江蘇 南通 226001）

對老路的改擴建可以有效緩解交通壓力，提高路面行駛舒適性，而路基和基層的結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性是老路改擴建設計中極為重要的內(nèi)容，若不能采取合理的設計方案，極易導致瀝青路面出現(xiàn)反射裂縫、沉陷、網(wǎng)狀裂縫等病害，加速路面結(jié)構(gòu)的破損。纖維材料具有較好的抗裂性，將其用于碎石封層可以顯著提升抗裂性能，纖維碎石封層可作為瀝青路面的上封層和下封層使用，在路面結(jié)構(gòu)中起到消散應力、延緩路面開裂的作用[1]。

1 工程概況

長江路快速化改造工程建設促進了南通市區(qū)西部南北快速通行，也為長江北路西延預留了空間，對于緩解市區(qū)的交通壓力、促進城市經(jīng)濟發(fā)展有重要意義。由于躍龍南路～工農(nóng)南路已納入嗇園路快速化改造范圍，而洪江路～躍龍南路段又為高架路段，主要對濱江大橋～洪江路路段進行改造維修，各路段的路面技術狀況及結(jié)構(gòu)強度測試結(jié)果見表1。

表1 各路段的路面技術狀況及結(jié)構(gòu)強度測試結(jié)果

結(jié)合濱江大橋～洪江路路段的路面技術狀況檢測結(jié)果提出各路段的養(yǎng)護方案，濱江大橋～人民西路和中遠路～虹橋路路段的結(jié)構(gòu)強度處于臨界值附近、路面狀況處于中等以上，采用輔路結(jié)構(gòu)補強方案；人民西路～任港路和任港路～中遠路路段的結(jié)構(gòu)強度不足、路面狀況處于中等以下，采取輔路開挖新建方案；虹橋路～姚港路和姚港路～洪江路路段的結(jié)構(gòu)強度處于臨界值附近、路面狀況處于中等以上，采取主輔路結(jié)構(gòu)補強、局部開挖新建的方案。因此，對于路面結(jié)構(gòu)強度處于臨界值附近的路段，需要對基層和路基進行聚合物注漿補強。為加強路面結(jié)構(gòu)層的層間粘結(jié)，同時減少基層反射裂縫對瀝青面層的影響，有必要在瀝青面層與基層之間加設纖維碎石封層，提高瀝青面層的防水性能和低溫抗裂性能。

2 纖維碎石封層的功能與技術特點

與傳統(tǒng)碎石封層技術類似，纖維碎石封層也屬于嵌擠類結(jié)構(gòu)，由下層乳化瀝青、纖維、上層乳化瀝青、碎石集料等組成（如圖1所示）。纖維碎石封層采用層鋪法的施工工藝，采用專用噴灑設備，先噴灑一層乳化瀝青，撒布纖維，然后再噴灑一層乳化瀝青，最后撒布碎石，采用膠輪壓路機碾壓成型。

纖維碎石封層采用經(jīng)專門工藝切割而成的具有一定長度的纖維，通過將纖維布置在上、下兩層膠粘材料中，使得纖維在膠粘材料中亂向均勻分布，從而形成一層具有高彈性和高強度的加筋結(jié)構(gòu)層，表現(xiàn)出良好的抗拉、抗剪、抗壓和抗沖擊強度等綜合力學性能[2]。通過纖維與兩層乳化瀝青的滲透、吸附作用，使得纖維與乳化瀝青形成加筋的保護層結(jié)構(gòu)，有效提升了結(jié)構(gòu)層的密閉性和防水性，且纖維的加筋與橋接作用形成的結(jié)構(gòu)層還可以起到消散路面結(jié)構(gòu)應力、延緩反射裂縫的效果。在瀝青路面維修、水泥混凝土路面加鋪施工中，常將纖維碎石封層作為路面結(jié)構(gòu)下封層或者應力吸收層使用，能有效抑制反射裂縫，減少路面病害，還可以起到封閉上層路面面層裂縫、防止水分下滲到下面層或基層的作用，從而提高路面結(jié)構(gòu)整體的抗水損害能力[3]。

圖1 纖維碎石封層結(jié)構(gòu)

因此，結(jié)合本工程各路段路面結(jié)構(gòu)強度及破損情況，對于采取結(jié)構(gòu)補強方案的濱江大橋～人民西路、中遠路～虹橋路、虹橋路～姚港路和姚港路～洪江路等路段均可采用纖維碎石封層作為應力吸收層。

3 纖維碎石封層的配合比設計方法

3.1 設計理論

纖維碎石封層配合比指根據(jù)工程需求確定纖維碎石封層各組成材料的比例。從現(xiàn)有碎石封層配合比設計方法來看，主要有經(jīng)驗法和理論法兩種。碎石封層配合比的理論設計方法與瀝青混合料類似，通過試驗測試原材料的體積參數(shù)，根據(jù)體積設計法進行配合比設計，這種方法可以得出初步的配合比設計結(jié)果，但未能考慮工程項目實際情況，設計結(jié)果往往有偏差。因此，當前主流的碎石封層配合比設計方法仍采用基于實踐經(jīng)驗的設計方法，在確定乳化瀝青、碎石及纖維用量范圍的基礎上，針對材料特性、路面技術狀況、交通量、氣候特點等影響因素進行理論修正，并采用室內(nèi)試驗方法對成型的纖維碎石封層進行試驗測試，驗證纖維碎石封層的性能指標。采用這種經(jīng)驗方法與理論方法相結(jié)合的方式，可充分發(fā)揮兩種設計方法的優(yōu)勢，有效保障纖維碎石封層的施工質(zhì)量，既能減少碎石集料嚴重散失和泛油等病害，還能延長纖維碎石封層的使用壽命，對推動纖維碎石封層的工程應用有重要意義。

在配合比設計前期，需要對各原材料（乳化瀝青、碎石及纖維等）參數(shù)進行檢測，確保各原材料的質(zhì)量符合工程應用要求。在配合比設計中期，主要根據(jù)工程項目的交通量、原路面技術狀況、施工季節(jié)、施工目的等要求，在室內(nèi)開展配合比設計試驗，確定各組成材料的初步用量和比例。在配合比設計后期，可在室內(nèi)模擬纖維碎石封層的施工，并對其性能進行驗證，或者進行現(xiàn)場試驗段施工，現(xiàn)場測試纖維碎石封層的實際應用效果，結(jié)合室內(nèi)試驗或者現(xiàn)場試驗測試情況進行配合比設計調(diào)整[4]。

3.2 配合比設計過程

為保證養(yǎng)護維修工程施工質(zhì)量，須選用符合工程設計要求的纖維碎石封層材料。纖維碎石封層的膠粘材料選用快凝陽離子改性乳化瀝青，SBR聚合物膠乳的含量為3%，各項性能指標符合要求。由于本工程中纖維碎石封層用于路面結(jié)構(gòu)的下封層，為提高集料與膠粘材料的粘結(jié)效果，選用單一級配的石灰?guī)r碎石集料，所用石灰?guī)r集料應保證其壓碎值、破碎面數(shù)量、扁平指數(shù)等指標滿足工程設計要求。纖維選用對環(huán)境污染小的無硼、無氟改進型玻璃纖維，纖維切割長度一般為30～120mm，具體長度的選用需結(jié)合路面的病害情況、乳化瀝青用量、維碎石封層厚度等綜合確定。

確定纖維碎石封層各組成材料的用量是纖維碎石封層配合比設計的重點內(nèi)容，根據(jù)經(jīng)驗和相關規(guī)范，纖維碎石封層碎石集料用量的推薦范圍見表2，纖維碎石封層乳化瀝青用量的推薦范圍見表3，纖維碎石封層玻璃纖維用量的推薦范圍見表4。

表2 纖維碎石封層碎石集料用量的推薦范圍

表3 纖維碎石封層乳化瀝青用量的推薦范圍（kg/m2）

表4 纖維碎石封層玻璃纖維用量的推薦范圍

纖維碎石封層的碎石集料用量與封層類型、封層厚度、碎石材料特性、道路交通量及路面技術狀況等密切相關，纖維碎石封層的最大厚度為碎石集料的最大公稱粒徑，本工程中纖維碎石封層作為路面面層與基層之間的應力吸收層使用，且不同路段的路面技術狀況和承載力不同。纖維碎石封層碎石集料FCA2級配類型，碎石粒徑為5～10mm，封層厚度為10mm，碎石撒布量為8m3/1000m2。

纖維碎石封層的乳化瀝青用量與封層類型、集料特性、集料用量、原路面技術狀況及瀝青含量等密切相關，本工程采用的改性乳化瀝青的瀝青含量為60%，由于該路段為重交通路段，乳化瀝青用量在推薦用量的基礎上減少5%～10%，預計秋季施工時乳化瀝青用量在推薦用量的基礎上增加5%左右，加上該路段原有路面技術狀況較差，由表2可知，纖維碎石封層乳化瀝青的用量范圍為2.0kg/m2。

纖維碎石封層的纖維用量與原路面技術狀況、交通量類型等密切相關，當路面的龜裂、網(wǎng)裂病害較多時，應增加纖維用量，而封層用于應力吸收層時纖維用量也需增加，由表3，結(jié)合纖維廠家的生產(chǎn)工藝和工程實際需求，選用纖維長度為60mm，纖維用量為120g/m2。

按照經(jīng)驗方法確定的纖維碎石封層材料配合比用量進行室內(nèi)試驗驗證，主要對纖維的吸油率、乳化瀝青破乳時間、乳化瀝青與碎石附著力、構(gòu)造深度、摩擦系數(shù)、粘結(jié)力等進行測試，纖維碎石封層的各項力學指標和路用性能指標均符合設計要求，可以進行試驗段施工，根據(jù)試驗段的現(xiàn)場測試結(jié)果判斷是否需要進行配合比的調(diào)整。

4 纖維碎石封層的施工與質(zhì)量控制

4.1 施工準備

對于原路面基層出現(xiàn)嚴重裂縫、松散及路基凍脹、翻漿的路段，應對路基和基層進行修補處理，一般路面修補工作應至少提前6個月完成，裂縫封閉工作應至少提前3個月完成，且宜在纖維碎石封層施工前一年的秋季進行。

纖維碎石封層施工需要用到較多的施工設備和輔助設備，施工前應對各個機械的性能和技術參數(shù)進行校準和測試，確保所有的機械設備都處于良好的工作狀態(tài)，同時制定設備的使用和應急處理方案，確保工程施工能按照施工方案的要求連續(xù)進行。

4.2 鋪筑試驗

由于纖維碎石封層的工程施工受原路面技術狀況、施工季節(jié)、施工溫度等多方面因素的影響，在條件允許的情況下，應開展工程試驗段施工，驗證室內(nèi)配合比設計結(jié)果和工程應用效果，試驗長度不宜少于50m，本工程試驗段長度200m。工程試驗段施工時，先按照1.0kg/m2的用量灑布第一層改性乳化瀝青，同步按照120g/m2的用量撒布玻璃纖維，待第一層改性乳化瀝青破乳后，再灑布第二層改性乳化瀝青，第二層乳化瀝青破乳撒布碎石，碎石撒布量為8m3/1000m2，然后用膠輪壓路機進行初期碾壓，并對纖維碎石封層的局部區(qū)域進行人工修補，待纖維碎石封層初期養(yǎng)護完成后，清除過量碎石。在試驗段施工過程中，應對材料用量進行計量，檢驗乳化瀝青、纖維及碎石的用量是否合適。在試驗段施工完成后，還應開展測量碎石集料的嵌入深度、觀察碎石集料的嵌擠效果、測試纖維碎石封層的粘結(jié)強度等工作，以此為依據(jù)對工程施工設備的參數(shù)及材料配合比進行優(yōu)化和調(diào)整。

4.3 施工流程

氣候條件對纖維碎石封層工程施工的質(zhì)量影響明顯，陽光充足、氣溫較高、濕度較低、微弱風或無風、無雨、無霧的天氣條件是纖維碎石封層工程最理想的施工時段。當最低氣溫低于15℃和氣溫高于45℃時，不可開展纖維碎石封層的施工，施工過程中還應注意樹蔭下或其他陰涼處的路面溫度與有陽光路段的溫度差別，以保證滿足工程施工溫度的要求。大規(guī)模施工時，在纖維碎石封層試驗段施工經(jīng)驗的基礎上進行調(diào)整和優(yōu)化，并按照清潔原路面、設置施工引導線、灑布乳化瀝青，撒布纖維和碎石、碾壓壓實、人工修補、初期養(yǎng)護、清除過量碎石和后期養(yǎng)護的流程進行[5]。

4.4 質(zhì)量管理與驗收

由于工程施工路段較長，考慮采用抽檢的方式進行纖維碎石封層工程施工質(zhì)量驗收評定，一般選取1～3km路段對路面的表觀質(zhì)量（外觀、橫向接縫、縱向接縫、邊線）、滲水系數(shù)、封層厚度、粘結(jié)強度等指標進行檢測，同時檢查工程施工的原始記錄，核算纖維碎石封層各材料的用量。長江路快速化改造工程的纖維碎石封層施工結(jié)束后，對濱江大橋～人民西路和中遠路～虹橋路共計1.025km路段的纖維碎石封層各項指標進行測試，結(jié)果表明，纖維碎石封層工程的各項指標滿足工程設計的要求。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)碎石封層技術已成為道路養(yǎng)護維修工程的常用養(yǎng)護方案之一，而纖維碎石封層不僅具有普通碎石的基本性能，通過摻加纖維材料，還使得封層在抗裂性能、防水性能方面得到顯著的提升，可有效防止雨水從瀝青面層滲入基層，同時減少和延緩基層裂縫向瀝青面層延伸。在長江路快速化改造工程中，將纖維碎石封層用作應力吸收層，較好解決了原有基層強度補強處治后可能再次開裂引起路面反射裂縫的問題，在老路的養(yǎng)護維修工程施工中有很好的參考價值。