纤维增强乳化沥青碎石封层抗裂性能研究

王航， 徐安， 骆钒， 游世骄， 王小庆

(长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)

半刚性基层具有强度高、水稳定性好、板体性强、耐冲刷性强等特点，并且便于就地取材，工程造价较低，因此在中国公路建设过程中得到大量应用。但半刚性基层存在的收缩开裂并由此引起沥青面层的反射裂缝普遍存在以及与上部沥青结构层黏结效果差。为了抑制刚性基层开裂导致的沥青面层开裂同时解决层间黏结问题，中国引入了纤维碎石封层技术，纤维碎石封层是指用专用的喷洒设备同时喷洒沥青结合料和纤维然后撒布碎石经过碾压的磨耗层或应力吸收中间层的新型道路养护技术。国内外一些学者对其进行了研究：美国宾西法尼亚大学的Ghassan R. Chehab和Carlos J. Palacios比较了使用和不使用纤维增强乳化沥青应力吸收层的效果，结果表明在较低温度下，纤维乳化沥青应力吸收层具有较高的延展性，阻止裂缝向上传递；中国科研机构对纤维增强乳化沥青的抗裂性研究多从材料角度出发，研究不同类型的封层，分析它们抗裂性的优劣。多数研究表明碎石封层能把基层位移所引起的应变消除在夹层范围之内，有效缓解沥青面层底部的应力集中现象，从而达到抗裂的效果。

然而，对于影响纤维碎石封层抗裂特性的因素研究较少。该文通过改变沥青用量、纤维掺量、纤维长度3个因素来分析其对纤维增强乳化碎石封层抗裂性能的影响，从而确定出这三者的最佳组合；通过不同类型封层抗裂性的对比，对纤维增强乳化沥青封层的抗裂特性进行评价并为实际施工提供技术支持。

1 材料组成及性能指标

封层采用SBR改性乳化沥青，加铺层采用90#基质沥青；碎石封层碎石粒径为5～10 mm石灰岩，技术指标如表1所示；稀浆封层集料级配见表2；纤维为玻璃纤维，技术指标见表3；加铺层AC-13级配及混合料技术指标见表4、5。

表1 粗集料技术性能

表2 稀浆封层的矿料级配

表3 玻璃纤维主要技术指标

2 疲劳断裂试验模型

该文采用改进车辙试验来模拟车轮对路面的作用，通过车辙仪的加载系统对复合试件进行加载，通过滚轮在复合试件上的往返行走来模拟在对称荷载作用下不同沥青用量、纤维掺量、纤维长度以及不同封层对路面抗裂性能的影响。车辆通过半刚性基层裂缝处对应的碎石封层和沥青面层时，沥青面层和碎石封层的受力状态可分为3个状态：① 车辆荷载位于裂缝一侧时，即偏荷载，产生剪应力；② 车辆荷载位于裂缝正上方时，即对称荷载，产生弯拉应力；③ 车辆经过裂缝的情况和①相同，但受力方向相反，在剪应力和弯拉应力交替重复作用下使基层裂缝逐渐向上扩展，直至最后贯穿面层。据此提出纤维增强乳化沥青碎石封层的抗裂性能的试验方案，以及分析稀浆封层、乳化沥青碎石封层、纤维增强乳化沥青封层的特点。试验装置如图1所示。

表4 AC-13沥青混合料级配

表5 AC-13沥青混合料技术指标

图1 反射裂缝试验模型(单位：mm)

2.1 试验方案

成型试件通过正交试验采用改进车辙仪作为加载设备来模拟加铺层在对称荷载下的反复作用。复合路面结构由沥青混合料面层+不同类型封层+水泥混凝土基层构成，结构总厚度为10 cm,为模拟路面裂缝，基层板预留5 mm裂缝，轮载为0.7 MPa,碾压频率为52次/min，试验温度为(15±2) ℃。不同因素水平的试验方案为纤维掺量取值80、100、120 g/m2，乳化沥青用量1.2、1.6、2.0 kg/m2，纤维长度3、6、9 cm，因素水平见表6；不同封层采用的沥青均为统一的改性乳化沥青。

表6 试验因素水平表

试验指标：① 沥青面层在产生开裂时的往返次数(初裂)；② 沥青面层裂缝贯穿于沥青混合料表面时的往返次数(贯穿裂缝)，初裂和贯穿裂缝的次数越大，说明封层抗裂性能越好。

2.2 试验步骤

(1) 水泥混凝土板的制备。首先成型300 mm×300 mm×4 cm的C30水泥混凝土基层板，在水泥混凝土基层板上进行刷毛处理，养生7 d，达到龄期以后将混凝土板切割，中间应预留5 mm左右的裂缝，为保证混凝土板中间的裂缝宽度，在端部压入宽度为5 mm的木屑。

(2) 复合试件的成型。在10 cm厚的车辙板模具底部放入1 cm厚的垫板，然后把水泥混凝土板放入车辙板中，清扫基层板，然后先洒布一半乳化沥青，洒布过程中使乳化沥青分布均匀，根据既定方案将纤维均匀撒布在底层乳化沥青上，纤维的分布方向为二维乱向分布，最后洒布剩下的乳化沥青，上层乳化沥青的涂抹一定要均匀，同时将纤维完全覆盖，不要出现纤维裸露现象。使用小型同步碎石撒布装置撒布碎石，碎石撒布率60%。撒布完成后用橡胶锤将其嵌入封层内，模拟施工现场的碾压工序。最后加铺4 cm的AC-13沥青混合料，成型后的复合试件如图2所示。混合料加铺完成后将由沥青混合料和水泥混凝土基层板所构成的复合试件置于轮碾仪的平台上，因水泥混凝土基层有贯穿的预裂缝先沿平行于水泥混凝土板接缝的方向碾压2个往返，卸荷后，抬起碾压轮调转方向，施加相同荷载碾压至马歇尔标准密实度的(100±1)%，将成型好的试件放置48 h后，脱模取出木屑。

图2 脱模后的成型试件

(3) 往返加载。最后在车辙板模具底部两侧放入1 cm厚钢板，然后把复合试件放入模具中，试验中滚轮行走方向垂直于预裂缝方向。试验时先启动车辙仪，然后关闭车辙记录仪，试验轮在垂直于水泥混凝土基层板接缝方向来回行走。

(4) 试验结果统计。同一试验方案，至少有两个试件，取平均值为最后试验结果，若两次试验值偏差较大，可补做一组试件，取3组数据中结果较为接近的两组取平均值。

3 正交试验及结果分析

3.1 不同因素水平下的抗裂性对比

正交试验表如表7所示，表中1、2、3分别表示各因素的不同水平，具体见表6。

3.2 试验结果及分析

通过正交设计进行试验，测试出在不同水平因子下的抗反射裂缝作用次数，结果如表8、9所示。

由表9可知:

(1) 在沥青用量、纤维掺量、纤维长度这3个因素

表7 正交试验表

表8 正交试验结果

表9 正交结果分析

中，沥青用量对封层抗裂性影响最大，作用次数随沥青用量的增加先增加后下降。这是由于作为黏结料的沥青用量太少或太多使得纤维加筋作用变差从而影响封层的抗裂效果。

(2) 作用次数随纤维掺量的增加而增大是因为一方面纤维的强度较大，可以强化封层的作用；另一方面纤维起到“搭桥”的作用，能够较好地传递应力，减少应力集中。

(3) 作用次数随纤维长度的增加先增大后降低，这是由于纤维过短容易从基体中拔出，影响纤维高强性能的发挥，如果过长其分散基体应力的作用不明显，因此必须选择合适的纤维长度。

由以上分析结果可以得出最佳抗反射裂缝性能的材料用量组合是A3B2C2，即纤维用量120 g/m2，纤维长度6 cm，乳化沥青用量1.6 kg/m2。

4 不同类型封层抗裂性对比

4.1 不同封层

(1) 稀浆封层

稀浆封层配合比为：集料∶乳化沥青∶水泥∶水=1 350 g∶168.75 g∶24 g∶135 g。

(2) 乳化沥青碎石封层

碎石和改性乳化沥青采用和纤维增强乳化沥青碎石封层相同的乳化沥青和碎石，乳化沥青的用量为1.6 kg/m2。

4.2 试验结果及分析

3种不同封层的抗裂性对比如表10所示。

表10 不同封层抗反射裂缝试验结果

注：纤维增强乳化沥青应力吸收层试验结果采用两组数据。

从表10可知：

(1) 在不同封层所形成的复合路面结构中出现初裂时荷载作用次数由大到小依次是稀浆封层，纤维增强乳化沥青应力吸收层、乳化沥青碎石封层，最大值是最小值的1.12倍。出现贯穿裂缝时荷载作用次数由大到小依次是：纤维增强乳化沥青应力吸收层、乳化沥青碎石封层、稀浆封层，最大值是最小值的2.32倍。

(2) 稀浆封层复合路面结构出现初期裂缝的作用次数较大，而出现贯穿裂缝的作用次数最小。可能是由于稀浆封层集料粒径偏细，而沥青的洒布量偏大，纯粹的沥青膜厚度较大，因此在裂缝扩展初期，所需的断裂能较大，一旦裂缝扩展开，在路面结构中发展很快。

(3) 乳化沥青中加入纤维的复合路面结构的初裂作用次数提高了6.9%，贯穿裂缝作用次数提高了28.3%。其原因是下层裂缝向上扩展过程中沥青基体断裂应变小于纤维，当力由机体传给封层时一旦沥青受拉断裂，纤维跨接在裂缝的表面；由于纤维自身具有较强的抗拉能力，能够阻止或延缓裂缝的扩展。因此，纤维的加入提高了封层的抗裂性能。

5 结论

(1) 纤维掺量、沥青用量、纤维长度对纤维增强乳化沥青碎石封层的抗裂性影响很大，三者之间的合理掺配对碎石封层功能的发挥有着重大作用。

(2) 基于改进车辙试验，通过正交试验结果表明：对纤维增强乳化沥青碎石封层抗裂性的影响从小到大依次为：沥青用量、纤维掺量、纤维长度；基于抗裂性考虑这3个因素之间的最佳掺配为：纤维掺量120 g/m2，纤维长度6 cm，改性乳化沥青用量1.6 kg/m2。在实际应用过程中应结合路用性能的其他指标，综合确定配合比参数。

(3) 通过对稀浆封层、乳化沥青碎石封层、纤维增强乳化沥青碎石封层3种封层对比发现，稀浆封层作为具有半刚性性质应力吸收层在阻止初期裂缝方面有优势，但裂缝一旦扩张，稀浆封层的作用就不明显了。同时通过乳化沥青下封层和纤维乳化沥青碎石封层的比较，得出在沥青中掺入一定量的纤维可以使得下封层的抗裂性能得到一定的提高。