摘 要：为提升沥青碎石封层路用性能，探究玻璃纤维及凝灰岩碎石在沥青碎石封层中的应用效果。通过拉伸试验研究了不同掺量条件下的玻璃纤维对沥青拉伸强度的影响；通过组合结构剪切、拉拔试验，明确了改性乳化沥青和凝灰岩碎石的用量；最后采用湿轮磨耗、渗水、OT及三点弯曲试验，对比评估了玻璃纤维沥青碎石封层与普通沥青碎石封层的施工抗施工损伤、防水及抗裂等性能，试验结果表明：相较于普通沥青碎石封层，纤维沥青碎石封层的层间黏结性能1 d和7 d的磨耗分别降低约30%和34%;OT试验总断裂能增加约1.23倍，三点弯曲试验断裂韧性增加1.31倍，说明其具有较好的黏结强度和优异的抗反射裂缝性能；同时也通过渗水试验说明了其具有较好的防水性能。
关键词：沥青碎石封层;玻璃纤维;凝灰岩;组合结构;路用性能;
基金：宁波市交通运输局科技项目，项目编号NBGZZB121023-2;
沥青碎石封层是通过在沥青黏结料上撒布级配良好的集料而形成的薄层，其可应用于新型路面预防性养护防护[1]。沥青碎石封层具有良好的防水、耐磨、经济和施工速度快等优点，因而在境内外被广泛应用于道路养护工程中，但在实际工程应用时，相继出现了集料脱落、层间黏结性能不足、长期耐久性不足及低温开裂等一系列问题[2,3]。路面结构的性能不仅取决于各结构层材料的强度和刚度，而且受层间结合质量的影响较大，因此，加强层间黏结是提升沥青路面使用性能的关键措施之一。现有研究表明，在沥青碎石封层中加入纤维可以提高碎石封层的层间黏结、防水、耐磨等使用性能，同时亦可以有效地抑制路面反射裂缝的产生[4,5,6,7,8,9,10]。
覃潇[11]等通过电镜试验阐明了纤维对沥青性能提升的机理。李坤[12]根据纤维封层层间黏结强度和板带拉伸强度的力学性能试验结果，提出了纤维封层材料配合比设计时乳化沥青用量、纤维用量及纤维长度的适用范围。张争奇[13]等通过直接拉拔试验和正压扭剪试验发现，在加入纤维后，碎石封层的层间抗拉和抗剪性能均得到了较大程度的提升，并给出了玻璃纤维的合理长度及用量。Peng[14]等通过试验研究发现了纤维用量、沥青用量、集料覆盖率及试验温度等4个影响因素中，纤维用量对纤维层间的抗剪强度影响最大。目前，对于纤维在沥青碎石封层中的性能尚未有全面的了解，且对凝灰岩碎石封层研究较少。本文将玻璃纤维掺入凝灰岩碎石封层中，通过拉伸及拉拔试验确定了最佳用量，并探究了层间黏结、抗施工损伤、防水及抗裂等性能。
1 原材料1.1改性乳化沥青纤维碎石封层黏结料采用中裂型阳离子SBS改性乳化沥青，试验结果见表1。
表1 改性乳化沥青试验结果 导出到EXCEL
|
试验项目 |
技术要求 |
试验结果 | |
|
1.18 mm筛上剩余量/% |
≤0.1 |
0 | |
|
蒸发残留物 |
固含量/% |
≥60 |
65 |
|
针入度(25℃)/0.1 mm |
40～120 |
50 | |
|
软化点(TR& B)/℃ |
≥50 |
58.5 | |
|
延度(5℃)/cm |
≥20 |
>100 | |
|
溶解度(三氯乙烯)/% |
≥97.5 |
99.68 | |
|
储存稳定性 |
1 d/% |
≤1 |
0.3 |
|
5 d/% |
≤5 |
1.2 | |
集料选用3～5 mm凝灰岩碎石，试验结果见表2。
表2 凝灰岩碎石性能试验 导出到EXCEL
|
试验项目 |
技术要求 |
试验结果 |
|
表观相对密度 |
≥2.6 |
2.704 |
|
吸水率/% |
≤2 |
1.19 |
|
压碎值/% |
≤26 |
13.5 |
|
磨耗值(C级)/% |
≤28 |
10.8 |
|
含泥量/% |
≤1 |
0.3 |
纤维采用密度为2.39 g/cm3的4 cm长玻璃纤维，单丝强度3.45 GPa, 弹性模量73.2 GPa, 熔点>220℃。
2 试验方法2.1拉伸试验参照《塑料 拉伸性能的测定 第1部分：总则》(GB/T 1040.1-2006)规范中拉伸性能测试试验成型标准哑铃型试件，控制改性乳化沥青涂布量为2.0 kg/m2,选择玻璃纤维用量为70 g/m2、80 g/m2、90 g/m2。每组试验制作3个试件开展平行试验，试件成型并静置24 h后，进行室温(23℃)拉伸试验，见图1。
图1 纤维沥青拉伸试验过程图示 下载原图
2.2组合结构拉拔试验通过MTS材料试验机分别对不同乳化沥青用量(1.5 kg/m2、2.0 kg/m2、2.5 kg/m2)和不同凝灰岩碎石(3～5 mm)撒布量(4 kg/m2、5 kg/m2、6 kg/m2)的玻璃纤维沥青碎石封层进行23℃和40℃拉拔试验，其中试件直径为100 mm。试验方案设计见表3。
2.3组合结构剪切试验采用“斜剪模具”和压力试验机进行斜剪试验，材料用量与拉拔试验相同，试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm, 对纤维改性沥青碎石封层进行常温(23℃)及高温(40℃)斜剪试验，以对比评价不同乳化沥青用量(1.5 kg/m2、2.0 kg/m2、2.5 kg/m2)和不同凝灰岩碎石撒布量(4 kg/m2、5 kg/m2、6 kg/m2)的玻璃纤维沥青碎石封层的抗剪切性能。见图2。
表3 组合结构试验方案 导出到EXCEL
|
方案 |
方案内容 |
|
组合结构 |
5 cmAC-25沥青混合料 |
|
3～5 mm凝灰岩碎石，5 kg/m2 | |
|
4 cm玻璃纤维80 g/m2 | |
|
改性乳化沥青2 kg/m2 | |
|
10 cm水泥稳定碎石 |
图2 组合结构斜剪试验 下载原图
2.4湿轮磨耗试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0752-2011稀浆混合料湿轮磨耗试验，通过1 d和7 d的湿轮磨耗试验，对比普通沥青碎石和纤维碎石封层试验抗水损害和施工损害的能力。纤维碎石封层湿轮磨耗试验过程见图3。
图3 湿轮磨耗试验过程图示 下载原图
2.5渗水试验参照(JTG E20-2011)T 0730-2011沥青混合料渗水试验，在水稳车辙板上成型了纤维沥青碎石封层并开展渗水试验，见图4。
2.6OT试验(Overlay Test)
图4 纤维碎石封层渗水试验 下载原图
OT试验试件参照《TxDOT Designation》Tex-248-F制作，将切割好的试件用胶黏结在两块拉伸盘上，见图5。模具中间设置一条2 mm的间隙，试验加载采用DTS试验机，加载过程要求模具上部固定而下部施加循环荷载，以模拟下部裂缝对封层的作用。目标位移0.62 mm, 试验温度25℃,以三角波作为荷载的加载波形，荷载循环周期为10 s。当试件在循环过程中，最大荷载与初始循环最大荷载相比减少93%以上，试件破坏。
图5 OT试验过程 下载原图
2.7三点弯曲试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0715-2011沥青混合料弯曲试验，成型AC-25沥青混凝土 纤维碎石封层小梁组合试件，在MTS材料试验机上开展三点小梁低温弯曲试验(-10℃),见图6。
3 结果分析3.1不同玻璃纤维掺量下沥青拉伸强度不同玻璃纤维掺量下沥青的拉伸强度试验结果见图7。
图6 低温弯曲后封层未断 下载原图
图7 纤维沥青拉伸试验结果 下载原图
由图7可知：23°C条件下，70 g/m2的平均拉伸强度约为0.23 MPa, 平均断裂伸长率为37.55%;80 g/m2的平均拉伸强度为0.35 MPa, 平均断裂伸长率为40.98%;90 g/m2的平均拉伸强度为0.34 MPa, 平均断裂伸长率为40.94%。结果表明，纤维沥青的拉伸强度和断裂伸长率均随着纤维用量的增加先增后减，分析原因可知，随着纤维用量的增加，纤维吸附和稳定的沥青量增加，使沥青的黏稠度和黏聚力增大；若纤维用量继续增加，由于过量纤维的存在，会形成薄弱层，进而导致纤维沥青的拉伸强度降低。
3.2层间黏结性能3.2.1不同改性乳化沥青用量的层间黏结强度不同改性乳化沥青用量下的纤维沥青碎石封层的拉拔强度、剪切强度试验结果见图8和图9。
图8 不同改性乳化沥青撒布量下的 拉拔强度和剪切强度 下载原图
图9 纤维碎石封层拉拔试验断裂面 下载原图
由图8和图9可知：23℃和40℃条件下，改性乳化沥青用量1.5～2.5 kg/m2时，随着沥青用量增加，拉拔强度、剪切强度均先增大后减小，且拉拔断裂面均为纤维碎石层；分析其原因可知，当沥青用量较小时，碎石黏结的沥青过少进而降低层间黏结力，当沥青用量逐渐增大，与碎石黏结的沥青也会增加，进而增加其层间黏结力，当沥青用量增大到一定值后，由于自由沥青过多或残留水分影响，导致层间黏结力降低。考虑到碎石的黏结效果，推荐封层中改性乳化沥青用量为2.0 kg/m2。
3.2.2不同凝灰岩碎石撒布量的层间黏结强度不同碎石撒布量的玻璃纤维沥青碎石封层拉拔强度、剪切强度试验结果见图10。
图10 不同碎石撒布量下的拉拔强度和剪切强度 下载原图
由图10可知：23℃时，凝灰岩撒布量5 kg/m2拉拔强度、剪切强度最大，分别为0.46 MPa、0.86 MPa, 与撒布量4 kg/m2相近，但明显大于撒布量6 kg/m2的黏结强度，40℃时，3种碎石撒布量的拉拔强度较23℃时均有所减小；从碎石撒布后的表观来看，撒布量6 kg/m2碎石出现明显堆叠现象，表明碎石用量过高；从拉拔试件断裂面来看，碎石表面浸润部分较少，上面层的AC-13未能与碎石纤维层紧密结合，导致拉拔强度较低。
3.3抗施工损伤及防水能力纤维碎石封层湿轮磨耗试验结果见图11。
图11 湿轮磨耗试验结果 下载原图
图11试验结果，分别对比1 d和7 d热喷沥青碎石和纤维碎石封层磨耗值，可以发现，加入玻璃纤维可以有效地改善碎石封层的磨耗，1 d和7 d的磨耗分别降低了30%和34%。
试验渗水系数为0,说明了纤维沥青碎石封层具有良好的防水性能。
3.4抗裂性能3.4.1OT试验(Overlay Test)本次试验加载1 000次时荷载损失89%,未达到试件破坏条件，试验结果见图12。
图12 最大荷载～试验周期变化曲线 下载原图
根据已有研究成果[16],引入总断裂能Ga和抗开裂指数评价应力吸收层的抗反射裂缝性能。总断裂能用试件的最大荷载～试验周期曲线下所包围的面积来表示。抗开裂指数是拟合峰值荷载与加载周期数曲线的幂方程进行计算的。由试验结果可知，试验组的第一周期最大荷载为1 kN,对照组的第一周期最大荷载为0.91 kN,荷载提升约9.9%;计算出试验组的总断裂能为448 N/m, 对照组的总断裂能为201 N/m, 可知，加入纤维后的封层的总断裂能增加约1.23倍。
对最大荷载～试验周期曲线按照幂函数形式进行拟合，见式(1),拟合结果见表4。
y=a·xb (1)
表4 OT最大荷载～试验周期曲线拟合结果 导出到EXCEL
|
方案 |
拟合公式 |
R2 |
a |
b |
|
试验组 |
y=1.14x-0.16 |
0.987 8 |
1.14 |
-0.16 |
|
对照组 |
y=1.03x-0.28 |
0.951 8 |
1.03 |
-0.28 |
由表4可知：试验组和对照组的拟合优度均达到了0.95以上，说明两组OT试验的最大荷载～试验周期曲线变化符合幂函数变化规律，对比拟合方程的指数可知，试验组的抗开裂指数为-0.16,大于对照组抗开裂指数-0.28,说明试验组荷载衰减更慢。从OT试验的第一周期最大荷载、总断裂能、抗开裂指数数据对比可知，与未加入玻璃纤维的封层相比，加入玻璃纤维的封层具有更好的抗反射裂缝性能。
3.4.2三点弯曲试验试验结果见图13和表5。
图13 低温弯曲试验结果 下载原图
表5 低温弯曲试验结果 导出到EXCEL
|
方案 |
最大荷载PBN最大荷载ΡBΝ |
抗弯拉强度MPa抗弯拉强度ΜΡa |
最大弯拉应变ε |
弯曲劲度模量MPa弯曲劲度模量ΜΡa |
|
试验组 |
2.66 |
9.78 |
6 799 |
1 438 |
|
对照组 |
1.82 |
6.56 |
3 144 |
2 085 |
由试验观测可知：在-10℃条件下，AC-25沥青混凝土产生完全开裂而纤维碎石封层未开裂；对比试验数据可知，与未加玻璃纤维时相比，加入玻璃纤维试件断裂能提高约131%,即韧性增加1.31倍；抗弯拉强度提高约49%;最大弯拉应变提高约116%。试验结果表明，纤维碎石封层能够有效阻止裂缝的扩展，提升组合结构的抗开裂能力。
4 结语(1)通过纤维沥青拉伸及组合结构拉拔试验发现，在23℃和40℃条件下，随着玻璃纤维、改性乳化沥青及凝灰岩碎石撒布量的增加，纤维沥青的拉伸强度、纤维沥青碎石的拉拔强度均呈现先增大后减小的趋势。
(2)通过多组试验得到了纤维碎石封层的各组分最佳用量，即玻璃纤维、改性乳化沥青和凝灰岩碎石撒布量分别为80 g/m2、2.0 kg/m2和5 kg/m2。
(3)通过组合结构拉拔和斜剪试验，与普通沥青碎石封层相比，加入玻璃纤维后的组合结构的抗拉强度与抗剪强度均得到了一定程度的提升，抗拉强度提高约15%(23℃)和18%(40℃);抗剪强度提高约16%(23℃)和15%(40℃)。
(4)湿轮磨耗试验表明，加入玻璃纤维可以有效地改善乳化沥青碎石封层的抗磨耗性能，1 d和7 d的磨耗分别降低了30%和34%;渗水试验得出渗水系数为0,表明了加入玻璃纤维后的组合结构具有良好的防水性能。
(5)通过OT试验结果可知，加入玻璃纤维后，试件的总断裂能增加约1.23倍；通过三点弯曲试验结果可知，与未加玻璃纤维时相比，加入玻璃纤维的试件的断裂能提高约131%,即韧性增加1.31倍。OT试验和三点弯曲试验均表明，纤维碎石封层能够有效阻止裂缝的扩展，有效提升沥青路面的抗开裂能力。
声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除，另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。
,
