纖維瀝青碎石封層配合比方法研究

屈愛萍

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

隨著公路建設的發展，交通量和軸載與日俱增，各類病害發生現象增多，急需對瀝青路面進行養護。纖維瀝青碎石封層是一項從國外新引進的預防性養護技術，它克服了現有養護技術功能單一、使用條件受限的不足，具有良好的抗裂、防水及抗滑等性能，在常溫下施工，其環保效益尤為突出。

1 纖維瀝青碎石封層技術簡介

纖維瀝青碎石封層能夠依靠自身的特殊工藝，形成纖維薄層，降低反射應力和裂縫的尖端應力，從而有效阻止因車輛荷載過重而產生的路面破壞，提高道路使用壽命。纖維瀝青碎石封層與普通封層性能對比如圖1所示。

圖1 纖維瀝青碎石封層與普通封層性能對比示意圖

圖1中，封層采用的黏結材料為改性乳化瀝青，破乳后與石料的黏結能力較大。本文采用改性劑摻量為4%，乳化劑摻量為0.4%，油水比為65∶35的改性乳化瀝青作為瀝青層，玻璃纖維作為纖維層，玄武巖作為碎石層，通過配合比設計確定各層的最佳用量。

2 纖維瀝青的最佳含量

2.1 纖維與碎石用量范圍

如果纖維的用量過小，會導致纖維產生的加筋作用不明顯；如果纖維的用量過多，會導致瀝青膠漿的抗剪強度降低。因此，纖維摻量的多少在某種程度上影響著封層能否成功鋪筑。封層在鋪筑過程中，碎石用量的多少影響顯著。該技術在實際應用中有別于其他封層，碎石是全面鋪灑，然后在集料回收車的清掃下清除多余未黏結的碎石，經過行車碾壓和瀝青固化后，剩下的碎石才是最終用量。通過對國內外碎石封層技術的分析研究，結合相關工程實例，初步確定材料摻量：瀝青為1.7～2.1kg/m2之間；纖維長度為60mm，撒布范圍為60～90g/m2；碎石的使用規格為5～10mm粒徑，用量范圍控制在8～12kg/m2。

2.2 基于抗拉強度選擇纖維瀝青比值

在冬季氣溫較低的地區瀝青路面縮緊會產生拉應力，在荷載作用下進一步形成裂縫，其評價可采用室內直接拉伸試驗的方法。根據初步確定的材料用量范圍，可設定纖維和改性乳化瀝青的用量，按規范進行試驗，試驗結果見表1，各組板帶拉伸強度變化規律如圖2所示。

表1 不同纖維瀝青比值下的拉伸試驗結果

圖2 不同纖維瀝青比值下的拉伸試驗結果

由此可以得出，纖維與瀝青的比值越大，其拉伸強度越大，即纖維摻量的增加會增大拉伸強度。拉伸強度隨纖維瀝青比值的變化趨勢如圖3所示。

圖3 拉伸強度隨纖維瀝青比值的變化曲線

由圖3可知，拉伸強度隨著纖維用量的增大而變大，當比值在1∶20左右時，拉伸強度變化趨于穩定，再增大纖維用量時，拉伸強度有略微降低。將室內試驗數據結合工程實際分析可知，在纖維瀝青碎石封層受拉作用中，隨著纖維的增加，纖維與纖維之間形成的相互搭接越來越緊密，封層的抗拉作用就越大；當纖維用量持續增加，會導致單位面積的瀝青用量降低。

2.3 基于抗剪強度選擇纖維瀝青比值

在夏季高溫或超載車輛較多的地區，路面出現的主要病害為車轍病害。纖維瀝青碎石封層由于其特殊的結構，形成的網狀應力分散層能有效地降低路面剪應力。由于路面抗剪能力嚴重影響其使用性能，所以，可以用抗剪能力直接反映纖維瀝青碎石封層的抗變形性能。

通過公式（1），可計算纖維瀝青的層間力學性能。

F—水平剪力，kN；

S—剪切面積，mm（2為試剪橫截面積）。

試驗數據分析不同纖維與瀝青用量比值下的試件抗剪切強度見表2。

表2 不同纖維瀝青比值下的剪切試驗結果

通過對表2試驗數據進行分析可得，不同纖維與瀝青比值情況下強度變化趨勢如圖4所示。

圖4 不同纖維瀝青比值下的剪切試驗結果

通過以上分析可以看出，纖維摻量不同明顯影響數據變化，由于纖維可以起到承重作用，所以，隨著纖維摻量增加，其抗剪切性能增加；隨著纖維的持續增加，纖維瀝青碎石封層中的瀝青結合料減少，使得網狀結構不夠緊密，有明顯降低的趨勢。

2.4 纖維與瀝青的比值

以上分別通過拉拔試驗和剪切試驗，分析了不同纖維與瀝青比值下拉拔強度和剪切強度的變化規律，這兩個強度所對應的最佳纖維與瀝青比值有所不同。對兩個試驗的數據進行統一分析，以此研究纖維對封層不同性能的增強機理是否類似。不同纖維瀝青比值下的拉伸強度和剪切強度見表3。

表3 不同纖維瀝青比值下的拉伸強度和剪切強度

通過表3的數據分析，可明顯發現拉伸強度及剪切強度的變化規律基本類似，將兩者的擬合曲線整合在一張圖上，可更加明顯地看出纖維瀝青碎石封層的拉伸強度和剪切強度具有非常相似的規律，即拉伸強度和剪切強度隨著纖維與瀝青比值的增大呈現先增大、再平穩增長、而后逐漸降低的規律。

3 清掃試驗碎石的用量

當纖維與瀝青用量一定的時候，碎石用量就尤為重要，工程實踐表明，纖維瀝青碎石封層所用碎石多為單一粒徑，這是因為單一粒徑的碎石可以增加封層的嵌擠作用，從而增強其強度和整體性能。脫石率計算公式如下：

由上文研究可知，纖維與瀝青的最佳比值為1∶21，纖維用量最佳范圍在75～85g/m2之間。一般而言，雖然碎石撒布量為9kg/m2時能做到全面撒布，但在剛施工完時，需要有一層保護層保護下面的封層，因此，9kg/m2的碎石不符合實際施工要求。撒布量分別取10kg/m2、11kg/m2、12kg/m2不同組合的數據分析結果見表4。

表4 清掃試驗結果

分析表4的清掃試驗數據可發現，當纖維與瀝青的用量一定時，碎石灑布量對脫石率的影響較為顯著，表現為以下特點：

（1）當碎石用量逐漸增大，瀝青結合料對碎石的裹覆率逐漸降低。

（2）當碎石用量相同時，瀝青用量越多脫石率越小。

（3）通過表4發現，第八組的脫石率最低，即當纖維用量為85g/m2瀝青結合料用量為1.8kg/m2，碎石用量為11kg/m2時，封層的脫石率最低。

4 纖維瀝青碎石封層最佳材料的用量

綜合對比上述纖維瀝青碎石封層的清掃試驗結果，當纖維瀝青比值達到1∶21時，力學強度均處于相對較高的水平，因此，纖維瀝青碎石封層最優用量為85g/m2。

5 結語

（1）通過剪切試驗發現，當比值在1∶23～1∶21之間時，其強度較高。

（2）綜合試驗分析可以得出，當纖維瀝青比值達到1∶21左右的時候，兩個試驗所得的數據均表現良好，但是對纖維的用量需要控制。

（3）通過清掃試驗分析了不同碎石用量與脫石率的關系，當纖維用量為85g/m2、瀝青用量為1.8kg/m2、碎石用量為11kg/m2時，封層的脫石率最低。