纤维沥青碎石封层配合比方法研究

屈爱萍

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

随着公路建设的发展，交通量和轴载与日俱增，各类病害发生现象增多，急需对沥青路面进行养护。纤维沥青碎石封层是一项从国外新引进的预防性养护技术，它克服了现有养护技术功能单一、使用条件受限的不足，具有良好的抗裂、防水及抗滑等性能，在常温下施工，其环保效益尤为突出。

1 纤维沥青碎石封层技术简介

纤维沥青碎石封层能够依靠自身的特殊工艺，形成纤维薄层，降低反射应力和裂缝的尖端应力，从而有效阻止因车辆荷载过重而产生的路面破坏，提高道路使用寿命。纤维沥青碎石封层与普通封层性能对比如图1所示。

图1 纤维沥青碎石封层与普通封层性能对比示意图

图1中，封层采用的黏结材料为改性乳化沥青，破乳后与石料的黏结能力较大。本文采用改性剂掺量为4%，乳化剂掺量为0.4%，油水比为65∶35的改性乳化沥青作为沥青层，玻璃纤维作为纤维层，玄武岩作为碎石层，通过配合比设计确定各层的最佳用量。

2 纤维沥青的最佳含量

2.1 纤维与碎石用量范围

如果纤维的用量过小，会导致纤维产生的加筋作用不明显；如果纤维的用量过多，会导致沥青胶浆的抗剪强度降低。因此，纤维掺量的多少在某种程度上影响着封层能否成功铺筑。封层在铺筑过程中，碎石用量的多少影响显著。该技术在实际应用中有别于其他封层，碎石是全面铺洒，然后在集料回收车的清扫下清除多余未黏结的碎石，经过行车碾压和沥青固化后，剩下的碎石才是最终用量。通过对国内外碎石封层技术的分析研究，结合相关工程实例，初步确定材料掺量：沥青为1.7～2.1kg/m2之间；纤维长度为60mm，撒布范围为60～90g/m2；碎石的使用规格为5～10mm粒径，用量范围控制在8～12kg/m2。

2.2 基于抗拉强度选择纤维沥青比值

在冬季气温较低的地区沥青路面缩紧会产生拉应力，在荷载作用下进一步形成裂缝，其评价可采用室内直接拉伸试验的方法。根据初步确定的材料用量范围，可设定纤维和改性乳化沥青的用量，按规范进行试验，试验结果见表1，各组板带拉伸强度变化规律如图2所示。

表1 不同纤维沥青比值下的拉伸试验结果

图2 不同纤维沥青比值下的拉伸试验结果

由此可以得出，纤维与沥青的比值越大，其拉伸强度越大，即纤维掺量的增加会增大拉伸强度。拉伸强度随纤维沥青比值的变化趋势如图3所示。

图3 拉伸强度随纤维沥青比值的变化曲线

由图3可知，拉伸强度随着纤维用量的增大而变大，当比值在1∶20左右时，拉伸强度变化趋于稳定，再增大纤维用量时，拉伸强度有略微降低。将室内试验数据结合工程实际分析可知，在纤维沥青碎石封层受拉作用中，随着纤维的增加，纤维与纤维之间形成的相互搭接越来越紧密，封层的抗拉作用就越大；当纤维用量持续增加，会导致单位面积的沥青用量降低。

2.3 基于抗剪强度选择纤维沥青比值

在夏季高温或超载车辆较多的地区，路面出现的主要病害为车辙病害。纤维沥青碎石封层由于其特殊的结构，形成的网状应力分散层能有效地降低路面剪应力。由于路面抗剪能力严重影响其使用性能，所以，可以用抗剪能力直接反映纤维沥青碎石封层的抗变形性能。

通过公式（1），可计算纤维沥青的层间力学性能。

F—水平剪力，kN；

S—剪切面积，mm（2为试剪横截面积）。

试验数据分析不同纤维与沥青用量比值下的试件抗剪切强度见表2。

表2 不同纤维沥青比值下的剪切试验结果

通过对表2试验数据进行分析可得，不同纤维与沥青比值情况下强度变化趋势如图4所示。

图4 不同纤维沥青比值下的剪切试验结果

通过以上分析可以看出，纤维掺量不同明显影响数据变化，由于纤维可以起到承重作用，所以，随着纤维掺量增加，其抗剪切性能增加；随着纤维的持续增加，纤维沥青碎石封层中的沥青结合料减少，使得网状结构不够紧密，有明显降低的趋势。

2.4 纤维与沥青的比值

以上分别通过拉拔试验和剪切试验，分析了不同纤维与沥青比值下拉拔强度和剪切强度的变化规律，这两个强度所对应的最佳纤维与沥青比值有所不同。对两个试验的数据进行统一分析，以此研究纤维对封层不同性能的增强机理是否类似。不同纤维沥青比值下的拉伸强度和剪切强度见表3。

表3 不同纤维沥青比值下的拉伸强度和剪切强度

通过表3的数据分析，可明显发现拉伸强度及剪切强度的变化规律基本类似，将两者的拟合曲线整合在一张图上，可更加明显地看出纤维沥青碎石封层的拉伸强度和剪切强度具有非常相似的规律，即拉伸强度和剪切强度随着纤维与沥青比值的增大呈现先增大、再平稳增长、而后逐渐降低的规律。

3 清扫试验碎石的用量

当纤维与沥青用量一定的时候，碎石用量就尤为重要，工程实践表明，纤维沥青碎石封层所用碎石多为单一粒径，这是因为单一粒径的碎石可以增加封层的嵌挤作用，从而增强其强度和整体性能。脱石率计算公式如下：

由上文研究可知，纤维与沥青的最佳比值为1∶21，纤维用量最佳范围在75～85g/m2之间。一般而言，虽然碎石撒布量为9kg/m2时能做到全面撒布，但在刚施工完时，需要有一层保护层保护下面的封层，因此，9kg/m2的碎石不符合实际施工要求。撒布量分别取10kg/m2、11kg/m2、12kg/m2不同组合的数据分析结果见表4。

表4 清扫试验结果

分析表4的清扫试验数据可发现，当纤维与沥青的用量一定时，碎石洒布量对脱石率的影响较为显著，表现为以下特点：

（1）当碎石用量逐渐增大，沥青结合料对碎石的裹覆率逐渐降低。

（2）当碎石用量相同时，沥青用量越多脱石率越小。

（3）通过表4发现，第八组的脱石率最低，即当纤维用量为85g/m2沥青结合料用量为1.8kg/m2，碎石用量为11kg/m2时，封层的脱石率最低。

4 纤维沥青碎石封层最佳材料的用量

综合对比上述纤维沥青碎石封层的清扫试验结果，当纤维沥青比值达到1∶21时，力学强度均处于相对较高的水平，因此，纤维沥青碎石封层最优用量为85g/m2。

5 结语

（1）通过剪切试验发现，当比值在1∶23～1∶21之间时，其强度较高。

（2）综合试验分析可以得出，当纤维沥青比值达到1∶21左右的时候，两个试验所得的数据均表现良好，但是对纤维的用量需要控制。

（3）通过清扫试验分析了不同碎石用量与脱石率的关系，当纤维用量为85g/m2、沥青用量为1.8kg/m2、碎石用量为11kg/m2时，封层的脱石率最低。