纤维沥青碎石封层路用性能研究

刘晓聪

（山西路桥第一工程有限公司，山西 太原 030006）

我国公路行业目前已开始从大规模建设逐渐转变为建养并重，正是预防性养护技术发展的黄金时期。目前，我国一般采用稀浆封层作为一种常用的养护措施，然而稀浆封层施工稳定性欠佳，在实际施工中极易出现松散、脱落等现象，抗反射裂缝能力不足，寿命过短，严重影响铺筑效果[1]。纤维沥青碎石封层由于其中纤维相互交接形成的网状结构的增强作用使得路面具有了一定的抗反射裂缝和水损害的能力[2]。也正是因为这种技术优势，使得这一技术有了更广泛的推广和使用价值。公路沥青路面养护的路表磨耗层，必须经受各种外界条件的作用，任何一项养护新技术能否成功使用，养护效果如何，都基于其路用性能的研究。本文对纤维沥青碎石封层的路用性能进行综合评价，从而更好地指导该技术的推广应用。

1 黏结性能

由于纤维沥青碎石封层铺筑于旧沥青路面之上，所以其与旧路表面层间的黏结性能尤为重要，黏结性能较差容易导致脱石、推移等病害的产生，尤其当行车速度较快的时候容易引起交通安全，所以研究此项封层技术与旧路层间的黏结性能对于其大面积推广意义非凡。

1.1 基于高温变化的拉拔试验

由于沥青属于感温性材料，温度对于其黏结性能的影响最大，温度越高，封层越软，黏结性能越低。因此，本文将通过拉拔试验对不同温度条件下封层的黏结性能进行研究分析。

为了能更好地模拟出温度变化下的封层性能，本文采用在沥青混合料车辙板上直接按照实际施工的方法撒布一层纤维沥青碎石封层，经碾压成型后，对封层进行拉拔试验，此时的试验结果相对于直剪试验来说能更加接近实际情况，试验数据更加可靠。

图1 LGZ-1型拉拔强度仪图

图2 拉拔试验工作示意图

该试验车辙板试件采用油石比为4.8%的AC-13沥青混合料，沥青选用SBS改性沥青，集料选择玄武岩，具体级配如表1所示。

表1 AC-13矿料级配

将试验完成的车辙板养生放置48 h以上后，直接制作封层试件。封层采用以下配合比（见表2所示）进行制作[3]。

表2 纤维碎石封层配合比

1.2 温度的不同对封层的影响

封层与旧路面之间的黏结性能是其使用性能中最重要的性能之一，因为只有黏结牢固的封层，才能评价封层的抗裂、抗水损害及抗疲劳等诸多性能。

夏季天气炎热，沥青路面温度经常可达60℃以上，作为纤维沥青碎石封层也应该在各种温度下都保证良好的黏结力。为了对比分析纤维对拉拔强度所起的作用，本文还成型了不掺加纤维的复合试件，不同温度下有、无纤维掺加的封层试件的拉拔强度测试结果见表3、图3所示。

表3 不同温度下有、无纤维掺加的封层试件拉拔强度

由图3可以得出：

图3 不同温度下的拉拔强度

a）随着温度的升高，无论是否含有纤维，封层的拉拔强度均呈现逐渐降低的趋势。沥青在温度较低的时候质地较硬，此时黏结力较大，黏结性能好，但是随着温度的升高，沥青不可避免地会出现变软的情况，从而黏结力逐渐降低，封层拉拔强度逐渐降低。

b）通过对有无纤维掺加的封层拉拔强度分析，可以明显看出，纤维的掺加提升了封层的黏结性能。这是由于掺加了纤维，纤维在沥青混合料中形成了乱向分布纵横交错的纤维空间体系，纤维层吸附沥青后形成一层紧密结构，增大了结构沥青的含量，自由沥青减少，从而提升了黏结性能；同时由于纤维的加筋作用，形成的纤维层可以承担行车荷载应力，从而减少了封层矿料中的相对滑移，也能提高封层的稳定性能。

c）从不同温度的拉拔强度可以看出，5℃时掺加纤维的封层拉拔强度为0.259 MPa，而60℃时拉拔强度为0.081 MPa，随着温度的升高，夏季高温时候的拉拔强度比秋冬季节时候的拉拔强度降低较为明显，可见温度对沥青路面的黏结性能影响显著。

2 防水性能

车辆在快速驶过有雨水的路面时，由于动水压力的作用，导致封层里面的碎石受到较大压力的水压冲刷，极大地降低了沥青与碎石之间的黏附性，出现各种水损害导致的问题，因此，本文采用动水冲刷试验来评价封层的抗水损害能力。

2.1 动水冲刷试验

动水冲刷仪通过调节水压，使动水在不同孔径的细孔内喷射出，不断冲刷沥青包裹的碎石试件，观察沥青的裹附情况，记录碎石在沥青剥落时的动水压力，以对不同动水压力作用下封层的防止水损害的性能进行分析。

图4 动水冲刷试验仪

图5 动水冲刷后的试件

2.2 动水压力变化对封层防水性能的影响

纤维沥青碎石封层采用表2配合比制作试件，对不同冲刷孔径进行分析，温度设定25℃，一组掺加纤维，另一组无纤维掺加来进行对比试验研究。参照沥青黏附性试验制作试件，试件制作完成后放入冲刷容器内，开启进水相关装置，让水从自由流动逐渐以0.1 MPa的级差进行加压，直至碎石上的沥青层开始剥落，并记录下最大冲刷压力，试验结果见表4。

表4 25℃下封层冲刷性能试验结果

根据表4做出不同孔径下冲刷压力差变化图，如图6所示。

图6 不同孔径下沥青碎石试件所能承受的冲刷压力

从图6可以直观地看出：

a）纤维的掺加使得封层的抗冲刷能力明显增强，这表明纤维的加入有利于封层混合料的水稳定性。这是因为纤维的掺加，使得沥青与集料之间形成了骨架连接作用，纤维深入碎石表面的开口空隙中，形成错综复杂的纤维网络，从而提升了封层的水稳定性。

b）无论是否含有纤维，封层的抗冲刷能力均都随着孔径的增大而逐渐降低。特别是孔径大于2 mm时，试件抗冲刷能力呈现出较大的下降趋势。这是因为孔径的增大导致试件的冲刷面积增大，沥青表面膜更容易被刺破，从而导致进入试件内部的水分增多，抗冲刷能力下降。

3 疲劳性能

3.1 纤维沥青碎石封层疲劳试验

3.1.1 复合小梁试验

无论是路面还是封层，疲劳破坏总是会先从局部开始，逐渐发展成路面病害。但是对于封层来说，预养护的路段或多或少都存在部分细微裂缝，或者存在内部不均匀，这些细微裂缝或者不均匀是最容易导致路面封层发生疲劳破坏的地方，由于用带有细微裂缝的试件来进行疲劳破坏试验，效果不甚明显，而内部不均匀结点又不易找出。为了更为直观地进行纤维沥青碎石封层疲劳试验的研究，同时考虑封层是直接加铺在原路面表面层之上，本文决定采用带裂缝的复合小梁进行试验研究，并通过对比分析普通封层试验来进行对比探索，从而反映该技术的疲劳性能优劣。

3.1.2 复合小梁试件的制作

制作复合小梁试件，具体的尺寸如图7标注的大小所示，对试件进行成型，要确保下层混合料的厚度为2.5 cm、封层和上层混合料厚度一共为如图7所示的2.5 cm。

图7 带裂缝的复合小梁试件模型（单位：cm）

图8 疲劳性能试验设备

3.2 疲劳试验结果分析

上下层的沥青混合料都采用AC-13型，配合比如表1所示。封层配合比按表2进行试验。本文将通过循环加载，并与同类型不含纤维的普通封层的试件疲劳试验结果进行对比分析，更好地研究了纤维沥青碎石封层对路面寿命影响，试验结果如图9所示。

图9 不同封层的疲劳寿命

由图9可以看出，纤维沥青碎石封层的疲劳寿命结果优势显著，比不含纤维的普通改性乳化沥青封层的疲劳寿命大约提升了23%，极大地提升了铺筑改性封层路面的使用寿命。这是由于纤维在封层当中的相互搭接，形成的致密网状结果，提升了纤维沥青碎石封层整体的抗剪能力、抗拉能力，从而才能使得疲劳寿命提升较为明显。

4 结语

a）通过对不同温度下的拉拔试验分析，可见无论是否掺有纤维其拉拔强度的变化规律均为随着温度的提升而下降，其中在15℃～30℃时候下降明显。但是掺有纤维的碎石封层比无纤维的普通封层拉拔强度均提升了1.5倍左右。

b）纤维沥青碎石封层由于纤维的掺入，使得抗冲刷能力增强明显。

c）通过复合小梁试验发现，纤维沥青碎石封层的疲劳寿命比不含纤维的普通改性乳化沥青封层的疲劳寿命大约提升了23%，优势显著。