隧道路面纤维改性胶粉微表处混合料性能分析

2022-06-06贾春阳

西部交通科技 2022年3期

摘要：为了研究纤维改性胶粉微表处在隧道路面中的应用，文章以两种纤维（聚酯纤维、玄武岩纤维）对胶粉微表处混合料进行改性，分析胶粉微表处混合料的抗滑性、耐久性变化规律。结果显示：两种纤维对微表处混合料改性规律一致，纤维对混合料构造深度、摩擦系数提高幅度不明显，且当纤维掺量>0.2%时，构造深度呈减小趋势，摩擦系数则基本不增加;油石比为7.0%时，纤维含量增大，磨耗性、水稳定性均增大;油石比>7.5%时，纤维含量增大，磨耗性、水稳定性先减小后增大。建议纤维掺量宜控制在0.15%～0.25%，混合料油石比应≥7.5%。

关键词：道路工程;沥青罩面;纤维;胶粉;性能

中图分类号：U457+.2A391464

0 引言

随着我国山区高速公路建设的快速发展，隧道占高速公路里程的比例越来越大，尤其是在我国西南地区的新建高速公路中，隧道占总里程数的比例已经超过了20%，并且多为长隧道、特长隧道[1]。隧道路面处于半封闭的空间内，温差较小，非寒冷地区路表温度常年在15 ℃～30 ℃之间变化，由于雨水天气，环境温差小使得隧道路面由轮胎带入的雨水不容易干燥，路面长期处于潮湿状态，这就要求隧道路面应具有更高标准的抗滑稳定性。调查表明，交通事故在隧道路段发生概率2倍于普通行车路段，并且在阴雨天气中隧道事故发生率上升12%。由此可见，隧道路面的安全性亟待提高[2]。

预防性养护作为超前的养护性方案，对道路全寿命周期成本控制具有良好的适用性。针对隧道路面上述问题，可考虑从预防性养护的角度出发，在隧道路面出现抗滑性能衰减后、发生结构性损伤前进行表面层改性处理[3]。微表处技术作为经济可行的预防性养护方案，最为常用，且具有造价低、防水抗滑、耐磨、抗车辙、能耗少、环保等优点，但易出现强度不足、行车噪声大等问题[4-8]。研究显示，橡胶及纤维改性（乳化）沥青混合料可对上述性能问题进行相应改善，但具体掺量等技术参数以及改性剂种类的优化选取等相关研究并不明確。为对纤维改性胶粉微表处混合料性能变化规律进行研究，本文拟采用不同种类、掺量的纤维及油石比等关键参数对胶粉乳化沥青混合料抗滑性能、耐久性等路用性能的改性效果进行研究，以期为纤维改性胶粉微表处混合料在隧道路面中的应用提供借鉴与参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

微表处混合料选用SBR改性乳化沥青（相关技术指标如表1所示），胶粉采用贵州某单位自主研发的40目橡胶粉;两种纤维分别为聚酯纤维和玄武岩纤维。混合料级配采用规范推荐的MS-3型级配。

1.2 试验方案

通过以往工程经验及查阅相关文献，选取胶粉最佳掺量为2%，纤维按产品推荐掺量0.1%～0.3%进行变掺量试验。抗滑性能评价采用试验方式为：构造深度、摩擦系数。混合料耐久性评价采用1 h及6 d湿轮磨耗试验，其中后者还可对混合料水稳定性进行评估。

1.3 试件制备

抗滑试验试件制备过程如下：（1）为与实际工况相一致，首先成型厚度为4 cm的车辙板试件作为磨耗层下承层，下承层可选用工程中常用的SBS改性AC-13沥青混合料;（2）在下承层上摊铺1 cm待试验微表处层;（3）置于常温环境下自然养生≥12 h，养生完后可进行相关性能试验。

2 抗滑性能

2.1 构造深度试验

构造深度作为评价水泥路面、沥青路面宏观抗滑性能最简单的评价方式，广泛应用于路面抗滑性能过程控制及交工验收中，其测试结果与车辆在实际路面所受抗滑状态具有显著对应关系。本文采用铺砂法对不同种类、掺量纤维胶粉改性微表处混合料进行构造深度测试。试验结果如图1所示。

整体而言，纤维加入后，微表处混合料构造深度最大变化幅度在0.05 mm左右，变化值较小，当掺量<0.2%时构造深度变化规律不明显，而当掺量>0.2%时构造深度逐渐减小，且在纤维掺量为0.3%时，构造深度减小0.04 mm，降幅约为5%。这是由于构造深度主要反映混合料的宏观情况，即混合料表层孔隙越多、深度越大，构造深度测试值越大，主要受到混合料级配类型的影响。纤维加入后，仅使混合料中的沥青胶浆发生了改变，对级配并无影响，因此整体而言混合料构造深度变化幅度并不明显。当纤维掺量逐渐增大时，纤维作为混合料的组成物质，使得混合料空隙率逐渐减小，因此构造深度出现一定下降，但下降幅度有限。

2.2 摩擦系数试验

摆式摩擦系数仪采用橡胶垫片模拟车辆轮胎的方式，可用于模拟车辆行驶作用下与路面的摩擦作用。由于雨天条件下路面对车辆摩擦作用降低，因此摆式摩擦系数测试需提前洒水以模拟雨水作用下车辆的行驶状态。测试时橡胶片与路表进行接触，可以有效反映表层沥青、集料表面对运动橡胶片的摩擦作用，也可较好地反映沥青路面微观结构对车辆的摩擦作用。本文采用《公路路基路面现场测试规程》（JTG3450-2019）T0964方法，使用摆式摩擦系数测定仪，测定沥青路面的抗滑值。试验结果如图2所示。

由图2可知：

（1）两种纤维的加入，使混合料摩擦系数测定值变化规律相同，即均呈现一定的增大趋势，但纤维掺量增大至0.2%时摩擦系数趋于平缓。这是由于纤维加入后，纤维的“加筋”作用提高了沥青胶浆黏度，乳化沥青养护完成后增加了微表处混合料中的结构沥青含量，使得表层沥青对橡胶片的摩阻作用增强，进而提高了摩擦系数测定值。当纤维掺量继续增大，纤维对沥青的结合作用达到饱和，混合料中结构沥青含量不再增加，宏观表现为摩擦系数测定值基本保持不变。

（2）两种纤维对微表处摩擦系数改善效果存在一定差异，即玄武岩纤维较聚酯纤维对摩擦系数提高幅度相对较大，相同掺量下摩擦系数差值最大相差1.8 BPN。表明纤维可在一定程度上改善微表处混合料的摩擦系数，且不同种纤维间改善效果差异不大。

3 耐久性分析

微表处主要用于对路面行车功能进行改善，如抗滑性能、耐久性等。而耐久性影响因素复杂，且受施工因素影响相对较大，因此本节主要对可反映微表处耐久性的抗磨耗性能进行分析，同时由于隧道环境相对潮湿，因此拟对有水条件下微表处的性能进行分析。

3.1 抗磨耗性能

结合以往工程经验，采用1 h湿轮磨耗试验对微表处抗磨耗性能进行分析。1 h湿轮磨耗试验可有效表征微表处混合料抗磨耗性能，同时也可对沥青与集料的粘附特性进行反映。为对比分析不同纤维种类微表处混合料耐磨耗性能的差异，在选定的试验条件下，改变不同的纤维掺量及油石比，具体试验结果如图3所示。

由图3分析可知：

（1）相同纤维掺量条件下，两种纤维微表处混合料1 h湿轮磨耗值均随着油石比的升高而降低，表明微表处抗磨耗性能随着油石比增加而逐渐提高。

（2）当微表处混合料油石比较低（7.0%）时，混合料的湿轮磨耗值随着纤维掺量呈现单调增加关系，即混合料耐磨耗性能逐渐降低。当油石比升高至7.5%以上时，增大纤维的掺量，磨耗值呈现先减小后增大的趋势，即当纤维掺量为0.2%左右时混合料抗磨耗性能最好。这表明油石比较大时，混合料存在最佳纤维掺量，且较高掺量纤维反而会降低微表处的抗磨耗性能。

（3）掺加不同纤维的胶粉微表处混合料的湿轮磨耗值均满足相应规范要求，根据纤维的改善效果，建议纤维的掺入量为0.15%～0.25%，且油石比应>7.0%。

3.2 水稳定性

微表处混合料水稳定性可以采用6 d湿轮磨耗值进行表征，其值的大小直接影响着微表处混合料的使用性能及路面使用壽命。本文通过改变混合料的油石比及纤维掺量，研究两种纤维胶粉微表处混合料的抗水损害性能。具体试验结果如图4所示。

由图4可知：

（1）逐渐增大纤维用量，两种纤维橡胶粉混合料的磨耗值变化规律基本相同。当油石比较低为7.0%时，混合料中的胶结料不足使得矿料粘附性差，此时再增大纤维用量，纤维吸收一部分沥青质使得沥青质含量更少，矿料粘附力进一步降低;当逐渐增大油石比后，混合料中有足够的胶结料，因此抗水损害能力显著提高，并且与1 h湿轮磨耗结果相似，6 d湿轮磨耗值随纤维掺量的增大呈现先减小后增大的趋势。

（2）在相同的油石比及纤维掺量下，玄武岩纤维混合料的抗水损害性能优于聚酯纤维混合料。

（3）橡胶粉微表处混合料在掺加一定量纤维后，当油石比处于合适范围时，其湿轮磨耗值较小，说明混合料的粘附性、抗磨耗及水损害性能在掺入纤维后得到了较大的提高。综上可知，掺加纤维的橡胶粉微表处混合料的建议油石比为≥7.5%，同时纤维掺量应控制在0.15%～0.25%，可获得较好的路用性能及经济性。

4 结语

（1）聚酯纤维、玄武岩纤维对胶粉微表处混合料构造深度影响规律相同，且影响较小;当纤维掺量达到0.2%后，构造深度变化趋于平缓。

（2）当胶粉微表处混合料中的纤维掺量≤0.2%时，纤维的加入增大了沥青黏度，增加了微表处混合料中结构沥青含量比例，使得摩擦系数增大。继续增加纤维含量，摩擦系数测试值趋于平缓，表明纤维对路面抗滑性能改善效果有限。

（3）橡胶粉微表处混合料加入一定量纤维后可以明显提高其抗磨耗等耐久性能，为获得较好的增强性能，建议掺量为0.15%～0.25%、混合料油石比应≥7.5%。

参考文献

[1]沈仪平. 微表处在隧道水泥混凝土路面糙化治理中的应用[J].交通标准化， 2014， 42（16）： 26-28.

[2]邵鹏康. 功能型超微表处路面养护材料设计研究[D]：西安：长安大学， 2014.

[3] 郑坤平. 微表处技术在隧道水泥混凝土路面抗滑恢复中的应用[J].交通世界（建养·机械）， 2012（8）： 67-69.

[4] 李艳青. 聚酯纤维-橡胶颗粒微表处混合料路用性能与降噪特性[J].公路工程， 2020， 45（3）： 180-188.

[5] 庄传仪，叶亚丽，王莉，等. 废旧橡胶粉干法微表处混合料微观形貌结构表征[J].公路， 2020， 65（4）： 320-324.