加纤沥青碎石封层养护技术研究与应用

吕玉蓉 袁盛杰 廖亚雄 魏 威

(湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430050)

近年来，随着交通量和交通荷载不断增加，早期建设的沥青路面开始出现裂缝、车辙等一系列病害，导致路面平整度降低、抗滑性能下降，其行车舒适度随之下降。这些早期病害若不及时进行处置，将进一步发展甚至威胁到行车安全[1]。因此需在路面出现早期病害时，及时对原路面进行预防性养护，恢复其路用性能，延长路面的使用寿命。目前常用的预防性养护技术包括有超薄磨耗层、微表处、雾封层、同步碎石封层等，各种养护技术在其各自的使用范围、材料组成、施工工艺、养护效果等方面存在较大差别，以上几种常用的养护维修手段，均存在某些方面的缺陷，如超薄磨耗层的造价较高且对碾压工艺有较高要求，微表处对原材料要求高、造价高，同步碎石封层的黏结性不足[2]。针对目前各种预防性养护技术的不足，亟须开发性价比更优的养护措施，2007年我国引进了法国全新的养护新技术(纤维沥青碎石封层)，其采用专用设备同步洒布乳化沥青、纤维，再洒布碎石，经碾压养生后即可开放交通，作为原路面的表面磨耗层恢复其使用性能。

纤维沥青碎石封层能够快速有效地恢复路面表面功能，提高使用性能，延长道路使用寿命，这种预防性养护技术逐渐被广泛应用，但是由于引入国内时间较短，相关配合比研究和实际应用效果评价很少。本文将结合室内配比试验及实际工程应用情况对加纤沥青碎石封层养护技术展开研究。

1 原材料及试验方法

1.1 试验材料

1) 乳化沥青。乳化沥青作为纤维沥青碎石封层中重要的结合剂，其性能直接决定了碎石封层后续的抗滑、防水等能力，本文选取某SBS改性乳化沥青，其相关性能参数满足JTG F40-2004《公路沥青施工技术规范》的要求，相关技术指标见表1。

表1 乳化沥青检测结果

2) 纤维。选用的玻璃纤维是玻璃经高温后拉丝形成，性能指标符合GB/T 18369《玻璃纤维无捻粗纱》规范要求，其相关参数见表2。

表2 纤维性能指标

3) 碎石。选用4.75～9.5 mm的石灰岩集料，其相关性能满足JTG F40-2004《公路沥青施工技术规范》的要求，其相关技术指标见表3。

表3 集料检测结果

1.2 试验方法

成型30 cm×30 cm×5 cm沥青混合料车辙板试件，在其上层成型加纤沥青碎石封层，进行拉拔试验、渗水试验及构造深度试验。

1) 拉拔试验。成型试件待其完全固化后放置于试验台，在拉拔头上均匀涂抹环氧树脂胶黏剂，与碎石封层黏结，待完全牢固后，采用万能试验机的应变控制模式以1 mm/min拉拔速率进行拉拔试验。

2) 渗水试验。依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《试验规程》)中T0730-2011对试件进行渗水试验，计算3 min渗水时间的渗水速率或者500 mL渗水量的渗水速率，以对加纤沥青碎石封层渗水性能进行评价。

3) 构造深度试验。依据试验规程中T0731-2000沥青混合料表面构造深度人工铺砂试验对加纤沥青碎石封层试件的抗滑性能进行测定，测量以砂摊成圆的2个方向直径，以计算构造深度TD表征抗滑性能。

2 加纤沥青碎石封层室内性能评价

2.1 正交试验设计

影响加纤沥青碎石封层性能的因素众多，但纤维沥青碎石封层各原材料用量对封层路用性能的影响至关重要。参考国内工程应用经验及相关文献，确定各原材料用量范围[3]，选取各影响因素的试验水平。如表4所示进行正交试验设计。

表4 原材料用量范围及试验水平

2.2 性能评价

按正交试验设计的不同影响因素开展各水平成型试件后`，依照前述试验方法进行拉拔试验、渗水试验、构造深度试验。试验结果见表5。由表5试验结果可知，各因素不同水平下渗水系数均接近于0，说明上述掺量下的加纤沥青碎石封层防渗水性能优良，因此着重研究各材料用量对拉拔强度、构造深度的影响。采用极差分析法进行定量分析，见表6。其中：ki为某因素第i水平对应试验指标的平均值，极差为ki(i=1，2，3)中最大值与最小值的差值。

表5 L9(34)试验设计及室内试验结果

表6 正交试验极差分析

2.2.1拉拔强度

乳化沥青、碎石、纤维用量对拉拔强度影响图见图1。

图1 不同材料用量对拉拔强度的影响

由图1a)可知，加纤沥青碎石封层拉拔强度随乳化沥青用量增加而增大，乳化沥青用量从1.2 kg/m2增至1.6 kg/m2时，拉拔强度由0.13 MPa提升至0.21 MPa，当乳化沥青用量达到1.6 kg/m2，拉拔强度提升0.05～0.26 MPa。故提高乳化沥青掺量可提升碎石封层的拉拔强度，这是由于随着沥青用量的增加，渗入原路面沥青增多，原路面与封层黏结性能增强，同时碎石能被足够沥青裹附，结构沥青含量增多，提供足够的黏结强度；乳化沥青用量达到一定程度后，结构沥青含量达到极值，故对拉拔强度提升幅度降低[4-5]。

由图1b)可知，拉拔强度随碎石用量的增加先增大后减小，乳化沥青用量从1.2～1.6 kg/m2，拉拔强度提升0.2 MPa，乳化沥青用量增加至1.8 kg/m2，拉拔强度从0.22 MPa下降至0.18 MPa。故以拉拔强度为设计指标，碎石最佳用量为8 kg/m2，这是由于碎石用量小于8 kg/m2时，封层混合料中自由沥青较多，随着碎石的加入，裹附自由沥青转化为结构沥青，增强其黏结能力；碎石用量逐渐增大，导致部分碎石未被沥青有效黏结，易脱落而降低了整体的黏结性能。

由图1c)可知，拉拔强度随纤维用量的增加不断减小，一定程度上，纤维用量的增加降低了碎石封层的黏结性能，这可能是纤维出现结团现象，在封层整体结构中某一处形成了薄弱层，从而降低了加纤沥青碎石封层的黏结性能。

由此可见，所选3因素中对加纤沥青碎石封层拉拔强度影响最大的是乳化沥青的用量，其次是碎石用量，纤维用量影响最小，三者对应极差大小排序为：0.14 MPa>0.03 MPa>0.01 MPa。

2.2.2构造深度

乳化沥青、碎石、纤维用量对构造深度影响图见图2。

图2 不同材料对构造深度的影响

由图2a)可见，构造深度随乳化沥青用量增加而减小，乳化沥青用量从1.2 kg/m2增加至1.8 kg/m2时，构造深度从1.83 mm降低至1.20 mm，降幅达34%。故可认为，乳化沥青用量过多会严重影响加纤沥青碎石封层的抗滑性能，这是由于乳化沥青用量增多，对碎石空隙进行了填充，沥青层厚度增大，碎石未被沥青覆盖的露出部分减少，即构造深度减小。

由图2b)可见，加纤沥青碎石封层构造深度随碎石用量的增加先增大后减小，在碎石用量达到8 kg/m2时，构造深度达到极值1.63 mm。当碎石用量小于8 kg/m2时，碎石用量增加，更多乳化沥青对其进行了裹附，致使沥青液面高度下降，构造深度得到提升；但碎石用量超过8 kg/m2后，碎石挤占沥青空间，使其平面上升，减小封层构造深度。故以构造深度为设计指标，碎石最佳用量仍为8 kg/m2。

由图2c)可见，对加纤沥青碎石封层构造深度影响程度由大到小排序为乳化沥青用量>碎石用量>纤维用量，三者极差依次为0.63，0.20，0.03 mm。纤维用量在80～120 g/m2范围内，几乎不影响加纤沥青碎石封层的构造深度。

综合考虑3种因素对加纤沥青碎石封层黏结性能、抗滑性能、渗水性能的影响，3种原材料最佳配比为：乳化沥青1.6 kg/m2，碎石8 kg/m2，纤维80 g/m2。

3 工程应用

基于上文研究成果，在某一双向四车道沥青路面出现轻微泛油及松散剥落病害后，采用预防性养护技术进行维修，以前述最佳配比进行加纤沥青碎石封层养护技术施工作业，对其养护前后构造深度、渗水系数进行检测，并跟踪调查养护1年后的构造深度、渗水系数，所得数据见表7。

表7 养护前后路面性能测试结果

施工完成后的沥青路面外观良好，由表7可知，经加纤沥青碎石封层养护技术养护后，路面构造深度在1.4～2.1 mm范围内，渗水系数均满足相应规范的要求；养护1年后，路面构造深度在1.1～1.6 mm范围内，渗水系数均小于0.3 mL/min，仍满足规范要求，说明沥青路面经该技术养护后具有良好的抗滑、抗渗水性能。

4 结语

针对加纤沥青碎石封层养护技术进行室内试验及实际工程应用研究，得出以下结论。

1) 对加纤沥青碎石封层拉拔强度、构造深度影响程度排序均为：乳化沥青用量>碎石用量>纤维用量。其中，纤维用量在80～120 g/m2范围内，几乎不影响加纤沥青碎石封层的黏结性能与抗滑性能。

2) 基于拉拔强度及构造深度，3种原材料最佳配比为：乳化沥青1.6 kg/m2，碎石8 kg/m2，纤维80 g/m2。

3) 加纤沥青碎石封层养护技术能有效改善原路面的抗滑、抗渗水性能，具有一定的应用及推广价值。