公路工程聚酯纤维改性沥青路面施工技术研究

1 引言

沥青路面具有噪声小、行车舒适、路用性能强等优点而被广泛应用于高速公路修建之中。 随着国家经济发展，人民生活水平逐渐提高，车辆总数也在逐渐增加，导致早期所修建的沥青路面出现高温车辙、低温开裂等不同程度的路面病害。 这就要求我们所修建的道路， 必须有更强的承受能力和路用使用能力[1-2]。 为了解决此类问题，诸多道路学者从新材料、新工艺等方面进行研究，改性沥青是最常见的改性材料，如SBS 改性沥青、聚酯纤维改性沥青等[3]。 其中聚酯纤维改性沥青在国外已得到大量工程应用， 而国内发展较慢， 故本文对其进行研究，为道路建设事业提供建议性技术指导。

2 工程概况

某高速公路为双向4 车道，路宽26m，设计车速为120 km/h，最大填高为5.3 m、最低挖深为2.5 m，平均填挖为3.6 m。 该路段通车运营超过10 年之久， 该路段已出现不同程度的裂缝、坑槽等路面病害严重影响路面使用。 考虑到后期养护难度大、成本高， 经有关部门讨论决定采用聚酯纤维改性沥青进行路面施工。

3 原材料性能研究

3.1 基质沥青

本文选取90#号沥青作为基质沥青，对其软针入度、软化点等各项物理指标进行检测， 检测结果符合JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》。

3.2 集料

3.2.1 粗集料

沥青混合料中主要起骨架支撑作用的为粗集料， 一般粗集料采用碱性岩石、大粒径、表面粗糙等颗粒，本文对所采取粗集料压碎值、 吸水率等物理指标进行检测， 检测结果符合JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》。

3.2.2 细集料

细集料在沥青混合料中起到填充剂， 可保证沥青混合料强度。 本文对所采取细集料进行检测， 检测结果符合JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》。

3.3 聚酯纤维

聚酯纤维是指一种通过脂基链接大分子链中的各链接的一种合成高聚物， 本文所采用的聚酯纤维为Bonifibers 聚酯纤维。

4 聚酯纤维改性沥青混合料研究

4.1 配合比设计

改性沥青混合料路用性能的好坏和混合料组成设计是密不可分，本文按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行级配设计，筛分结果见图1。

图1 筛分曲线图

由上述结果及上、下限级配可确定，设计级配为1#料占比35%，2#料占比未23%，3#料占比为37%， 矿粉占比为6%，根据该设计级配进行混合料配置。

4.2 最佳沥青用量确定

本文采用3 组不同油石比， 以0.5%为间隔， 设计5 组3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%沥青用量，采用AC-20 级配。 在试验室内制备马歇尔试件， 并对试件进行空隙率、 矿料间隙率、沥青饱和度以及稳定度等试验，以沥青用量为横坐标，分别以密度、空隙率、稳定度、流值、矿料间隙率、沥青饱和率为纵坐标，绘制关系曲线图。 根据力学指标和体积指标确定最佳沥青用量，沥青用量与6 组指标关系见图2。

图2 沥青用量与六大指标关系图

由图2 可知，毛体积密度与沥青用量呈线性上升关系，稳定度随着沥青用量的增加先小幅度上升再小幅度下降， 流值与沥青用量之间为线性上升，VV（沥青混合料试件的空隙率）随着沥青用量增加而先降低后增高，VMA（沥青混合料试件的矿料间隙率）随着沥青用量增加而线下降，VFA（沥青混合料试件的有效沥青饱和度）随沥青用量的增加缓慢上升。 根据试验结果，结合规范要求及工程经验，最终确定最佳沥青用量为4.51%。

5 聚酯纤维改性沥青混合料路用性能研究

5.1 高温稳定性

高温稳定性是评价沥青混合料在高温天气下抵抗车辙的能力，良好的高温稳定性，可以有效抵抗路面车辙，保证路面行车舒适。 目前， 我国常用车辙试验检测沥青混合料高温性能，以动稳定度评价，其计算式如式（1）所示[4]。

式中，DS 为动稳定度， 次/mm；d1为对应时间t1的变形量，mm；d2为对应时间t2的变形量，mm；C1为修正系数， 取1.0；C2为试件系数，取1.0；N 为试件轮碾速度，取42 次/min。

本文制定50 mm×300 mm×300 mm 车辙试件，在60 ℃条件下，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 对聚酯纤维改性沥青混合料车辙试件和基质沥青混合料车辙试件进行车辙试验，试验结果见表1。

表1 车辙试验数据表

由表1 数据可知， 在基质沥青混合料中掺加0%的聚酯纤维时，沥青混合料动稳定度为1 135 次/mm；在基质沥青混合料中掺加0.3%的聚酯纤维时， 沥青混合料动稳定度为1 656 次/mm； 在SBS 改性沥青混合料中掺加0%的聚酯纤维时，沥青混合料动稳定度为3 012 次/mm；在SBS 改性沥青混合料中掺加0.3%的聚酯纤维时，沥青混合料动稳定度为4 595次/mm；可得出无论在基质沥青混合料中添加聚酯纤维还是SBS 改性沥青混合料中添加聚酯纤维， 聚酯纤维掺量为0.3%时均可提高沥青混合料动稳定度， 且改性沥青混合料动稳定度次数增加幅度大于基质沥青混合料。

5.2 低温性能

为研究不同聚酯纤维掺量对沥青混合料低温性能影响，本文在基质沥青混合料中分别加入0.2%、0.3%、0.4%的聚酯纤维，并制备长250 mm，宽30 mm，高35 mm 的棱柱体试件，在UTM-30 试验机上进行小梁弯曲试验， 试验结果如表2 及图3 所示。 根据式（2）计算试件的最大弯曲应变[5]。

表2 小梁弯曲试验数据表

图3 小梁弯曲试验数据图

式中，ε（t）为试件梁底的弯拉应变，με；h 跨中高度，mm；d（t）为试件加载过程中随试件t 变化的跨中挠度；L 为试件跨径，mm。

由上述试验结果可知，当聚酯纤维掺量为0.2%，沥青混合料最大弯拉应变为2 322με；当聚酯纤维掺量为0.3%，沥青混合料最大弯拉应变为2 554 με；当聚酯纤维掺量为0.4%，沥青混合料最大弯拉应变为2 103 με。

由图3 可知，随之聚酯纤维掺量增加，沥青混合料最大弯拉应变先增加后减小，在聚酯纤维掺量为0.3%时，沥青混合料最大弯拉应变最大。 因此，在实际寒冷地区施工时，可掺量0.3%的聚酯纤维，增大沥青混合低温性能。

6 结语

通过以上分析，得出以下结论。

1）通过聚酯纤维改性沥青混合料研究，确定最佳沥青用量为4.51%。

2）通过高温车辙试验研究得出：在沥青混合料中掺加聚酯纤维为0.2%时，可提高沥青混合料高温性能。