纤维封层技术应用于桥面薄层罩面的配合比研究

□文 /李金龙

纤维封层技术应用于桥面薄层罩面是指采用纤维封层核心设备同时撒布沥青粘结料和玻璃纤维，然后在上面撒布碎石，经碾压后形成新的磨耗层或者应力吸收中间层的一种新型技术，纤维的合理加入能有效提高封层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度等综合力学性能。该工艺不仅能起到减载作用，还能保护桥梁主体结构并均匀分散荷载，两道防裂的纤维层还能显著提高铺装层的耐久性[1]；同时它也能起到防水层的作用。该工艺尤其适用于旧沥青桥面耐磨层施工。

本文通过室内试验研究，得出适合实际桥面薄层罩面工程中玻璃纤维封层的配合比。

1 配合比设计

1.1 材料选取

纤维封层应用于桥面薄层罩面的结构见图1。

图1 玻璃纤维封层应用于桥面薄层罩面

玻璃纤维封层技术应用于桥面薄层罩面工程中时，所用的原材料主要为改性乳化沥青、玻璃纤维、碎石。

乳化沥青采用乳化SBS改性沥青，其性能见表1。

碎石均采用粒径为5～10 mm的玄武岩石料，要求干燥洁净、表面粗糙、棱角分明。封层所用碎石技术要求及试验检测结果见表2。

玻璃纤维作为纤维封层的核心材料，其长度、拉伸强度及耐热性等技术性能必须满足施工要求，主要技术指标见表3。

表1 乳化SBS改性沥青技术指标

表2 封层所用碎石检测结果

表3 封层所用纤维技术指标

1.2 薄层罩面的配合比设计

为更好地对玻璃纤维封层的配合比设计进行研究，本文以改性沥青、集料为原料模拟桥面铺装。结合已有的研究经验和工程实例，改性沥青选择SBS I-A改性沥青、集料选择玄武岩、水泥代替矿粉、油石比5.1%，级配类型为AC-13。

通过清扫试验来评价玻璃纤维封层的乳化沥青结合料与碎石的粘结性能。具体步骤为：

1）制作直径为286 mm的圆片形状油毛毡并把油毛毡上的灰尘擦干净；

2）在油毛毡上按照玻璃纤维封层的施工顺序涂撒两层乳化沥青和一层纤维，然后撒布一层碎石，最后用10 kg的物体对试件进行压实，使碎石与乳化沥青充分粘结，压实3 min即可；

3）试件成型养护1 d后，把湿轮磨耗仪的胶管换成自制的塑料刷进行试验，清扫5 min后，称取脱落碎石的质量，计算脱石率。

根据落球及粘结强度试验，确定玻璃纤维封层材料最佳推荐用量见表4。

表4 玻璃纤维封层材料最佳推荐用量

对玻璃纤维封层采用L9（34）进行正交试验设计，设计方案及清扫试验结果见表5。

表5 正交试验设计方案和检测结果

分析试验结果，碎石撒布量为8 kg/m2时，清扫试验的脱石率比其他两种碎石用量的脱石率都低。说明碎石撒布量在8 kg/m2时，改性乳化沥青能完全地包裹碎石；当撒布量＞8 kg/m2时，改性乳化沥青与石料的粘结力变差，施工后一经清扫则部分石料脱落；撒布量＜8 kg/m2时，多余的粘结料便会形成自由沥青，在荷载的作用下增加了碎石之间的滑动性，使封层的整体性变差。在一个测试指标中，极差R越大，说明其对层间粘结强度指标的影响越大。比较纤维沥青碎石封层各因素R值的大小，可见A＞C＞B，所以碎石用量对试验指标影响较大，纤维用量次之，乳化沥青用量影响最小。可以得出最优组合为A1B2C1，即碎石用量8 kg/m2、改性乳化沥青用量为2.0 kg/m2、玻璃纤维用量为60 g/m2时，

2 配合比验证

以层间拉拔和剪切试验来验证以上得出的配合比是否合理。

2.1 拉拔试验

2.1.1 成型垫块

以前文所提到的SBS I-A改性沥青、集料为原材料，按照AC-13级配类型成型垫块。首先在车辙试验成型试模中垫一层10 mm厚的木板，参照T 0703—1993《沥青混合料试件制作方法（轮碾法）》的方法制备300 mm×300 mm×40 mm的垫块；接着把成型的垫块沿着成型碾压方向切割成300 mm×60 mm×40 mm的棱柱体小梁，但是边沿20 mm不能使用。

2.1.2 纤维封层成型

碎石用量选择8 kg/m2，改变乳化沥青和纤维用量进行试验。首先把切割好的小梁放到300 mm×h×50 mm的试模中，宽度h可变；把预先在60℃的烘箱中加热l h的改性乳化沥青取出，在小梁上先刷一层改性乳化沥青，沥青用量是总用量的一半，然后撒铺称量好的玻璃纤维，再刷另一半用量的改性乳化沥青，接着撒布适量碎石；立即放到30℃车辙仪中初步碾压10 min，2 h 后复压 30 min。

2.1.3 试验步骤

1）将成型的纤维封层试件从试模中取出，为便于粘贴拉头，用打磨机将其表面打磨平整。

2）在粘贴拉头的位置，用切割机沿着靠近拉头边缘位置切割。

3）将拉头加热到80℃左右，用胶粘剂把拉头粘贴到切割好的试件上。

4）待粘结强度达到要求便可进行拉拔试验，用数显式拉力计记录拉拔力，拉拔速率为100 mm/min。

5）记录层间拉拔力、封层的破坏状态和封层破坏面的两个垂直直径。见图2。

图2 拉拔试验

2.1.4 试验结果

试验结果见图3。图3中，0纤维代表不加入纤维，40纤维代表纤维用量为40 g/m2，50纤维代表纤维用量为50 g/m2，60纤维代表纤维用量为60 g/m2，70纤维代表纤维用量为70 g/m2。

图3 不同乳化沥青和纤维含量下的拉拔试验结果

由图3可以看出，一定量纤维的加入可以提高层间粘结力，乳化沥青用量为2.0 kg/m2、玻璃纤维用量为60 g/m2时，层间拉拔应力最大，与清扫试验结果一致。

2.2 剪切试验

在试验室内进行剪切试验，评价玻璃纤维碎石封层与原桥面在剪切应力作用下层间粘结性能。

2.2.1 试件成型

以前文所提到的SBS I-A改性沥青、集料为原材料，按照AC-13级配类型，参照T 0703—1993的方法制备300 mm×300 mm×40 mm的沥青混合料垫块。按操作规程在垫块上刷改性乳化沥青并撒纤维和碎石，碎石用量为8 kg/m2，改变乳化沥青和纤维用量，然后在车辙试验成型机上进行初步碾压和复压。

2.2.2 具体操作方法

将纤维封层表面轻微打磨，用切割机切成方形至垫层。将加热的拉头用胶粘剂粘贴在纤维封层上，待粘结剂强度达到要求后，进行剪切试验。见图4。

图4 剪切试验

2.2.3 试验结果

试验结果见图5。

图5 不同乳化沥青和纤维含量下的剪切试验结果

由图5可以看出，当乳化沥青含量1.6 kg/m2、纤维用量60 g/m2时，剪切应力出现峰值；但与乳化沥青用量为2.0 kg/m2、玻璃纤维用量为60 g/m2时相差不大。所以玻璃纤维上封层原材料合适的配合比为碎石用量为8 kg/m2、改性乳化沥青用量为2.0 kg/m2、玻璃纤维用量为60 g/m2。在实际工程中应根据具体情况和相关经验进行适当调整。

3 结论

按照清扫试验操作规程，对玻璃纤维封层采用L9（34）正交试验设计，当试验结果脱石率最小时，得出原材料用量的最优组合为A1B2C1。利用层间拉拔试验和剪切试验来验证配合比设计，试验结果也与清扫试验保持一致。由此得出玻璃纤维封层技术应用于桥面薄层罩面工程中时合适的配合比，此研究成果可以指导玻璃纤维封层技术在实际工程中的应用。