贵州多雨地区沥青路面防水抗裂层配合比研究

孙勇超

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 津南，300350）

1 引言

防水施工是市政道路工程的重点内容之一。一些市政道路未达到设计寿命之前，因沥青路面防水措施不到位出现严重开裂、铺装层严重松散剥落现象，必须改造翻修，由此造成极大的浪费，并降低了运营成效。

防水抗裂层是存在于市政道路（高速公路、普通公路）基层和沥青面层中间的结构层，具备油石比大、厚度不大（1～1.5 cm）、空隙率不大（一般不大于2%）等优势，将一些特殊纤维加入沥青料中，可以有效提高市政道路（高速公路、普通公路）的综合性能。然而，纤维材料具有两面性，对市政道路（高速公路、普通公路）防水抗裂层的性能来说，并非掺量愈多或愈少愈佳，所以有必要对纤维的不同掺量下沥青路面高低温、渗水系数、水稳性等路用性能以及抗裂层矿料最佳级配比等开展试验研究。[1]

2 工程简介

“多彩贵州城”北地块工程包括市政道路、仿古建筑、民用建筑、河道治理等，其中“多彩贵州城”市政道路四、五号路全长820 m，道路宽15 m，人行道宽5 m。“多彩贵州城”市政道路路面防水抗裂层设置于沥青面层和基层之间，由玄武岩纤维和SBS改性沥青混合而成，具有较大的油石比、不大的空隙率（一般不大于2%）、较薄的厚度（仅为1～1.5 cm）等优点，可以规避雨水侵入基层和底基层路面结构。

3 防水抗裂层原材料

3.1 矿粉和集料

沥青路面防水抗裂层掺加的矿粉（2～10μm，无杂质、保持松散且干燥）和不同粒径范围（0～2.36 mm，2.36～4.75 mm，4.75～9.5 mm）集料相关参数如表1所示。

表1 防水抗裂层矿料的性能指标

3.2 玄武岩纤维

平均半径为7.5μm、熔点为150℃，吸湿率不大于10%。[2]防水抗裂层添入纤维后，玄武岩纤维能够有效防止（或减缓）沥青路面出现开裂现象，能明显提高防水抗裂层的高温稳定性，并有效提高抗剪强度，防止路基产生过大的形变，有效增强低温状态下的韧性，降低路面被雨水、积水及渗水损坏的风险。[3]

3.3 SBS改性沥青

SBS改性沥青优点颇多，比如具有提升路基抗高低温和抗疲劳性能，有很强的黏结力，当路面出现渗水、积水时，能够增强市政道路面层和基层的抗拉强度和抗水性能。[4]通过试验得到的溶解度、针入度、软化点、延度等相关参数如表2所示。

表2 SBS改性沥青的性能参数

4 防水抗裂层沥青混合料配比设计及路用性能试验

4.1 确定最佳级配

为实现沥青路面防水抗裂层更好的防水抗裂效果，集料粒径不能太大，还要具有较小的空隙率和较大的油石比。由于矿料的均匀性不强，造成矿料级配存在一些浮动，所以在开展试验之前，因此需要对原材料进行试配，空隙率保持在2%上中下水平。本集料粒径没有超过4．75 mm，该沥青混合料没有相应的实验参照和施工规范，依据AC-5密级配防水抗裂层要求配置了三组级配，见图1。

4.2 马歇尔试验与分析

实验分析及结论：由表3可知，级配1的空隙率最小，仅为0.799%；级配2的空隙率偏大且渗水，级配3的配比相对最好。将级配3开展细微调整，矿料最佳级配比为：矿粉、集料（2.36～4.75 mm）、集料（0～2.36 mm）的质量比为1.01∶67.49∶31.49。

表3 防水抗裂层不同级配下的性能指标

4.3 防水抗裂层综合性能分析

矿料最佳级配比得出以后，设计纤维掺量分别为0.45%、0.40%、0.35%和0%的试验组，通过分门别类开展油石比、抗剪强度、高温车辙、渗水、水稳定性等试验，进行防水抗裂层综合性能分析。[5]

4.3.1 最佳油石比

试验方法：在相对应的纤维掺量下，开展马歇尔试验。[6]防水抗裂层中添加玄武岩纤维以后，纤维和纤维、纤维和沥青之间进行有效调节，油石比见表4。

表4 不同纤维掺量下防水抗裂层的油石比

试验分析及结论：添入玄武岩纤维以后，沥青把玄武岩纤维完全包裹，当纤维掺量开始增加，沥青消耗量加大。当玄武岩纤维出现过量时，不容易进行均匀分散，严重时会造成聚集成束现象，导致纤维的整体表面积停止增加甚至缩小，从而导致沥青用量相应减少。当掺量为0.4%的时候，沥青用量最大，突破此峰值后，最佳油石比明显下降，试验分析，0.4%是纤维的最佳掺入量。

4.3.2 抗剪强度试验

试验方法：采取室内模拟试验方式，借助斜面剪切仪，将剪切速率设定为50 mm/min，分别对不同纤维掺量的防水抗裂层试件开展斜面剪切试验[7]，防水抗裂层的抗剪强度在不同纤维掺量下的结果见表5。

表5 防水抗裂层渗水试验结果

试验分析及结论：从表5可知，防水抗裂层的抗剪强度随着纤维掺量的增加出现先高后低的变化。其主要原因是，防水抗裂层和面层、基层被压实后，三者接触更为紧密，增加其黏结效果。另外，纤维可以发挥其加筋功能，抗剪强度随之逐步提升；纤维用量实现最优时，防水抗裂层和面层间的抗剪力最大。纤维掺量超过0.4%后，削弱其与基层的接触面积，同时也削弱层间黏结力，导致抵抗剪切变形的能力逐步下降，纤维掺量为0.4%时抗剪强度达到峰值，为0.482 MPa。

4.3.3 渗水系数试验

试验方法：在牛皮纸规定面积的一面，均匀涂上0.5～0.6 mm的不同夹层材料，最后在室温下晾干，用渗水计检测水分。[8]

试验分析及结论：从表5可知，在四种不同纤维掺量状态下，沥青混合料受到渗水压力的作用，水柱都没有显著下降。另外，在牛皮纸的表面并无明显著的水珠（渗水），这反映四种纤维掺量下的沥青混合料大多能防水，这主要是由于添加玄武岩纤维扩大了空隙率，提高了渗水率，但总的空隙率没有超过2%，所以在保证沥青混合料其他性能最佳时，仍旧可以维持一定的防渗水的功效。

4.3.4 低温性能（小梁弯曲）试验

试验方法：在零下11℃的情况下，通过MTS材料试验机进行试验，试验结果如表6所示。

表6 防水抗裂层小梁弯曲试验结果

试验分析及结论：由表6可知，玄武岩纤维能够提高防水抗裂层抵抗低温能力变形，非常明显地改善防水抗裂层处在低温状态时的抗裂功能。这是因为纤维掺量递增时，最佳沥青用量随之相应递增，可以防止沥青混合料的抗弯拉强度和应力渐渐变小，与此同时，具备高模量、高强度特性的玄武岩纤维和SBS改性沥青混合在一起后，增强了抗拉韧性以及抗拉强度。纤维有效发挥加筋功能，辅助提升高沥青混合料抵抗低温形变的能力；另外，具备的桥接功能，有效提高沥青混合料的防形变能力、极限弯拉强度、劲度模量。

4.3.5 高温性能（高温车辙）试验

试验方法：在59.5℃环境下，依次对掺量为0.45%、0.40%、0.35%、0%的玄武岩纤维防水抗裂层开展高温车辙试验，试验结果见表7所示。

试验分析及结论：由表7可知，纤维掺量递增时，防水抗裂层的动稳定度也跟着递增，当纤维掺量达到0.4%时动稳定度最大，玄武岩纤维对防水抗裂层高温性能产生最佳增强效果，在此情况下，维持沥青的最佳稳定状态和最佳分散作用。这说明，在最佳掺量下纤维可以实现沥青混合料高温性能的最佳增强效果。

表7 防水抗裂层高温车辙试验结果

4.3.6 水稳定性能（浸水马歇尔）试验

试验方法：当雨水较大，出现浸水现象时，为研究雨水（或其他积水）渗入基层后，防水抗裂层沥青和矿料的黏结能力以及路面整体力学性能，进行基于不相同掺量玄武岩纤维情况时的水稳定性能试验。[9-10]防水抗裂层水稳定性试验分析如表8。

表8 防水抗裂层水稳定性试验分析

试验分析及结论：把玄武岩纤维掺加到防水抗裂层后，对沥青起到稳定作用，有效避免了沥青和集料分离。当纤维掺量大于最佳掺量时，其稳定度以及残留强度均开始降低，然而都大于80%，满足相关要求。因为玄武岩纤维材质含碱性，可以防剥落，所以能提高与沥青间的黏附功能。沥青和纤维的有效结合，会极大地提升结构沥青的消耗份额；通过玄武岩纤维与沥青的相互作用，能有效裹覆集料表面，提高集料厚度，对沥青起到稳定效果。

5 结语

市政沥青道路防水工程是市政道路项目的重要施工节点，防水效果的好坏严重影响市政道路的使用寿命和行车的舒适度及安全性。“多彩贵州城”市政道路路面工程施工时，为有效防止路面结构层和路基被雨水严重侵蚀，通过综合试验，得到如下试验结论：

（1）将普通型市政沥青道路和添入玄武岩纤维的市政沥青道路通过试验对比分析，在纤维掺量基本相同的情形下，前者的最佳沥青用量比后者少。

（2）玄武岩纤维与SBS改性沥青混合而成的防水抗裂层效果很好，不仅能够有效发挥防渗水和抗裂的功能，还能提高路面高温状态的稳定性和低温状态的抗裂性，同时还具备很好的黏结性能，可以提高市政道路沥青路面的防水抗裂性。

（3）本项目防水抗裂层矿料的最佳级配比为:矿粉、集料（2.36～4.75 mm）、集料（0～2.36 mm）集料的质量比为1.01∶67.49∶31.49。对各项试验结果进行分析研究，得出最佳纤维掺量是0.4%，与之配备的最佳油石比为10.36%。