纤维微表处的路用性能验证

2013-08-07段绪斌

城市道桥与防洪 2013年11期

孙涛，段绪斌

（1.天津滨海新区建设投资集团有限公司，天津市 300457；2.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

微表处是一种专门为高速公路、城市干线、机场路面等高等级路面表层设计的养护技术。它由聚合物改性乳化沥青、100%压碎集料、矿物填料、水和必要的添加剂组成。微表处作为高等级公路经济有效的养护方法，已受到越来越多的重视。但是，随着近几年铺筑微表处工程的增多，微表处也出现了诸多问题，如：抗裂性能差、耐用性较差，不能满足重交通量的要求；而且，微表处技术目前用来填补比较厚（大于1.5 cm）的车辙时，普通微表处已不能很好地抵抗车辙变形。因此，为了使微表处有更好的路用效果，以满足重交通的要求，各有关科研单位都进行了改进微表处的研究。本文在此前研究的基础上，进一步对已得出的纤维微表处在最佳油石比条件下的路用性能进行验证，以期能够解决普通微表处的不足。

1 原材料与级配

1.1 试验用原材料

（1）改性乳化沥青

用于微表处的改性乳化沥青，既要满足道路石油沥青标准，还要满足微表处级配矿料的拌和要求，也就是乳液和矿料在拌和、摊铺过程中，稀浆混合料必须均匀、不破乳、不离析、处于良好流动状态，微表处铺设后成型时间可以控制在l～2 h左右。试验中所用材料选用埃索70#基质沥青、河南新乡某公司产的MK-06型乳化剂，以及山东淄博某公司产的SBR改性剂。技术指标均能满足由交通部公路科学研究所等单位承担的交通部“乳化石油沥青技术要求修订”项目研究中提出的微表处用改性乳化沥青技术要求。

（2）矿料

试验采用的石料是河北武安产玄武岩（规格为 3～5 mm、5～10 mm）、石灰岩机制砂(0～3mm)。

（3）纤维

纤维微表处就是掺入合成纤维的微表处，其作用是通过纤维的加筋与桥接作用，以提高微表处的力学性能。纤维的种类、纤维的材料一直是国内外工程界人士研究的课题。目前，纤维通常分为硬纤维和软纤维两类。硬纤维通常是指经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维。软纤维是由合成纤维制成。软纤维一般分为两类：一类为木质素纤维、聚醋纤维、聚丙烯睛等为代表的聚合物有机纤维；另一类为石棉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等为代表的矿物无机纤维。目前路用纤维主要集中在聚合物化学纤维、木质素纤维、矿物纤维三大类。

通过相关检测机构的检测，聚丙烯纤维可以有效提高混凝土的抗裂能力，大大提高混凝土的抗渗性能，显著提高混凝土的抗冲击性能和耐磨性能，并且可以提高混凝土的抗冻性能。

由于聚丙烯纤维具有的上述优点，可以有效解决我们目前所面临的问题。因此建议在本项目中采用聚丙烯纤维。本次试验使用了两个生产厂家的聚丙烯纤维，一种为江苏盐城产的聚丙烯纤维甲，另一种为江苏射阳产的聚丙烯纤维乙，其中聚丙烯纤维乙又分为表面经过化学处理和未经过化学处理两种。

1.2 试验用级配

级配采用MS-3型级配，见表1和图1。

2 性能验证试验

下面将通过肯塔堡飞散试验和车辙试验来验证最佳分散方法、掺量及最佳油石比条件下的纤维微表处的抗松散性能和高温稳定性等性能[1，2]。

表1 集料级配表

图1 MS-3型级配

2.1 肯塔堡飞散试验

肯塔堡飞散试验原本是用于确定热沥青的最小沥青用量和用于评价由于沥青用量或黏结性不足，在交通荷载作用下路面表面集料脱落而散失的程度。

乳化沥青混合料初期抗松散性借鉴规范中评价热拌沥青混合料的黏结性时所采用的肯塔堡飞散试验，同时根据乳化沥青混合料的特点，对该试验进行修正以评价乳化沥青混合料的抗松散性。取前期养生条件下的试件直接放入洛杉矶磨耗试验机内进行试验，实验时间为5 min，即洛杉矶磨耗试验机以30 r/min的速度旋转150转。试件的成型采用再修正马歇尔成型方法[2]。

分别在最佳油石比下，加纤维与未加纤维对比混合料的飞散试验结果如表2所列。从飞散试验结果可以看出，掺入纤维后其飞散损失率降低了近50%，表明纤维微表处比未加纤维的微表处的抗松散性能要好很多，见图2。

表2 加纤维与未加纤维飞散损失率对比

这是由于纤维具有良好的耐磨阻特性，纤维可形成保护集料的保护层。纤维增韧的沥青胶浆对集料颗粒黏裹力增大，使整体不易分散，同样改善了沥青面层的抗松散性能。

图2 飞散试验结果对比

掺入高抗拉强度及高模量的纤维使材料具有很高的韧性。对纤维沥青混合料而言，即使已出现部分松散，纤维的桥接作用仍可使材料继续承受外载作用，变形能力增强。韧性实际上表示材料在外载作用下吸收能量的能力，其含义是材料不仅应具有足够的强度，还须具有良好的变形（包括弹性变形或黏性变形）能力，可用应力—应变关系定量描述。通过常用材料的应力—应变曲线所包围的面积Ω来表示：

从韧性定义可知，韧度的大小不仅取决于材料的强度，也取决于材料破坏时的变形性能。材料的强度高，但变形能力低，或变形能力高但强度低，其韧性都不会大，抗裂性能自然也不会好。随着微表处使用时间的增长，沥青材料会不断老化，不断变脆，韧性减小，这时就需要采取措施增强其韧性，而添加纤维是一种很好的选择，选用合适的纤维种类和掺量可以使微表处的变形能力也得到增强，同时纤维的桥接作用还可以使得微表处的整体性大大增强，从而改善其抗松散性能。

2.2 车辙试验

对于车辙试验来说，试验环境温度将是影响动稳定度最敏感的环境条件（即在配重等仪器参数确定时）。微表处混合料为乳化沥青混合料，不同于一般的热沥青。试验表明，如果仍然采用60℃的试验温度，动稳定度值很小，而且其测定难度也会很大，所以很有必要提出一个合理的车辙试验温度。

从乳化沥青原料的性能、试验难易性以及与车辙试验温度的统一性考虑，车辙试验温度应该确定为45℃是比较合理的。

采用人工拌和方式进行拌和。先将石料拌和均匀（如果是加纤维的，则在此前要把石料预加热到90℃～100℃，此时取出后再加入水泥矿粉和纤维，并搅拌均匀），然后加入适量的水，搅拌使石料表面润湿，待搅拌均匀后加入定量的乳化沥青，拌匀（拌和时浆状偏稀）拌至混合料破乳后倒入瓷盘中摊开，放入60℃烘箱中烘约20 h后，碾压成型，成型后试件再室温放置20 h，然后放入45℃恒温仪中恒温5 h，进行试验，其试验条件见表3。

分别在最佳油石比下，加纤维与未加纤维对比混合料的车辙试验结果如表4所列。从车辙试验结果可以看出，掺入纤维后其动稳定度提高了一倍多，且车辙试验的总变形值均小于未加纤维的混合料，其规律与动稳定度相一致，表明纤维微表处比未加纤维的微表处的高温稳定性要好很多。

微表处高温变形能力强弱，同沥青黏结强度下降速度有很大关系。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青胶浆黏滞性增强，软化点提高20℃以上，沥青膜处于比较稳定的状态，从而使微表处的高温稳定性提高。纤维均匀分散在集料之间，使沥青矿粉不能形成胶团，减少油斑出现的机率。同时，在夏天高温季节，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青而泛油，也有利于微表处的高温稳定性。