（市政工程专业论文）纤维碎石封层试件成型方法研究.pdf

人连理ji ：人学硕+ 学位论文 摘要 纤维碎石封层是我国新引进的一种沥青路面养护方法。目前，我国规范中还没有纤 维碎石封层试件实验室成型的方法。本文对纤维碎石封层试件的实验室成型方法进行研 究。 根据纤维碎石封层的施工工艺和工作原理，采用层铺法及轮碾法模拟纤维碎石封层 现场施工过程，将碎石粘附量确定为影响试件成型质量的重要指标，提出了胶挚厚度、 初压次数、复压次数、养生温度等四个评价指标。经过正交试验后，确定当采用1 5 r a m 胶垫厚度、5 次初压、6 0 次复压和6 0 养生温度时碎石粘附量最大，此时纤维碎石封层 试件成型质量较好，将该碾压参数确定为本文的试件碾压方法。在试验中发现，试件成 型质量与碎石粘附量呈正比，碎石粘附量的变化幅度能够反映出试件成型质量的差异程 度。当胶垫厚度变化时，碎石粘附量变化幅度最大，此时试件的成型质量出现较大差异； 而当其他三个指标变化时，碎石粘附量变化幅度较小，试件的成型质量则差异较小。 采用湿轮磨耗试验、负荷车轮粘砂试验以及构造深度试验对该成型方法进行了路用 性能的检验。分别设计对比试验后，将本文成型方法的试验结果与对比试验的结果进行 比较分析，从而验证本文成型方法的可行性及其优劣性。 湿轮磨耗试验结果表明，用本文成型方法制备的试件，其磨耗值小于对比试验的磨 耗值，证明该试件在成型后已经具备了较好的粘结强度，本文成型方法具有可行性；负 荷车轮粘砂试验结果表明，负荷车轮粘砂试验的影响因素较多，所测得的粘砂量明显偏 大，试验效果不甚理想，容易造成很大的试验误差，无法正确评价试件成型方法的优劣 性；构造深度试验结果表明，碾压前期试件的表面构造深度偏大，碾压六天后，构造深 度大幅度下降后并趋向稳定，第八天时达到1 6 6 m m 的构造深度。这证明本文成型方法 具有可行性，但是需要延长对试件碾压的天数。 关键词：纤维碎石封层；试件成型方法；评价指标；碎石粘附量；路用性能检验 纤维碎石封层试件成型方法研究 r e s e a r c ho nt h em e t h o df o rm o l d i n go ff i b e r r e i n f o r c e dc h i ps e a l a b s t r a c t f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a li san e wc u r i n gm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n ti no u rc o n t u r y a t p r e s e n t ，t h e r ei s n ta n ym e t h o d so fm o l d i n gf o rf i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a li no u rn a t i o n a l s t a n d a r d s t h i sp a p e rr e s e a r c ht h em e t h o do fm o l d i n gf o rf i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ff i b e r - r e i n f o r c e dc h i p s e a l ，d e t e r m i n i n gt h ed o s a g eo fg r a v e li st h ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so fi n f l u e n c i n g t h eq u a l i t yo f t h ef i b e r r e i n f o r c e dc h i ps e a l f o u re v a l u 撕v ei n d e xa r ea p p l i e d ，w h i c ha r et h i c k n e s so fp a d 、 n u m b e ro ff i r s tp r e s s i n g 、n u m b e ro fr e p e a tp r e s s i n ga n dc u r i n gt e m p e r a t u r e a f t e rt h e o r t h o g o n a lt e s t ，i t so b s e r v e dt h a tt h em o s td o s a g eo fg r a v e l c a nb e o b t a i n e dw i t ht h e a p p l i c a t i o no f15 m m - t h i c k n e s so fp a d ，5 - t i m e - n u m b e ro ff i r s tp r e s s i n g ，6 0 一t i m e - n u m b e ro f r e p e a tp r e s s i n ga n dac u r i n gt e m p e r a t u r eo f 6 0 。c a tt h i st i m e ，t h eb e s tq u a l i t yo fm o l d i n gc a l l b eo b t a i n e d i ti sf o u n dt h a t ，t h ed o s a g eo fg r a v e la n dt h eq u a l i t yo fm o l d i n ga r ei nd i r e c t p r o p o r t i o n t h ev a r i a t i o n sr a n g eo f t h ed o s a g eo fg r a v e lc a nr e f l e c tt h ed e g r e e sd i s c r e p a n c y o ft h eq u a l i t yo fm o l d i n g t h em o s tv a r i a t i o n sr a n g eo ft h ed o s a g eo fg r a v e lh a p p e n sw h e n t h et h i c k n e s so fp a dc h a n g e s a tt h i st i m e ，t h eq u a l i t yo fm o l d i n gg e t st h em o s td e g r e e s d i s c r e p a n c y ；t h el e s sv a r i a t i o n sr a n g eo ft h ed o s a g eo fg r a v e lh a p p e n sw h e nt h r e eo t h e r sg e t c h a n g e s r o a dp e r f o r m a n c ei se x a m i n e db yw e tw h e e la b r a t i o nt e s t 、b u r t h e n i n gw h e e lg r i n d i n g t e s ta n ds a n dc i r c l et e s t a tl a s t ，t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yc a nb ev e r t i f i e db y c o m p a r a t i v e l ya n a l y z ee x p e r i m e n t a ld a t a i ti ss h o w e dt h a tb yt h ed a t ao fw e tw h e e la b r a t i o nt e s t ，t h es p e c i m e n sa b r a t i o nv a l u e w h i c hi sm o l d e db yt h em e t h o do ft h i sp a p e ri sl e s st h a nt h eo n eo fc o m p a r a t i v em e t h o d i ti s p r o v e dt h a tt h es p e c i m e nh a sf o r m e dg o o dc o h e s i o n a ls t r e n g t h ，t h em e t h o d o ft h i sp a p e rh a s t h ef e a s i b i l i t y i ti ss h o w e dt h a tt h eb u r t h e n i n gw h e e lg r i n d i n gt e s tc a n t e v a l u a t et h e f e a s i b i l i t yw e l l ，b e c a u s et h ei n f l u e n c ef a c t o r si st o om a n y f o rt h et e s t ，t h es a n da d h e r i n gv a l u e s h o u l db er a i s e d i ti ss h o w e dt h a tb yt h ed a t ao fs a n dc i r c l et e s t ，t h es t r u c t u r ed e p t hi st o o l a r g ea t t h ee a r l yp e r i o do fr o l l i n g a f t e r6d a y s r o l l i n g ，t h es t r u c t u r ed e p t hh a sl a r g e d e c r e a s e da n dt r e n d e ds t a b l e t h es t r u c t u r ed e p t hg e t s1 6 6 m ma tt h e8 t hd a y t h i sh a sp r o v e d t h a t ，t h em e t h o do ft h i sp a p e r i sf e a s i b l e ，b u tt h ed a yf o rr o l l i n gs h o u l db ei n c r e a s e d k e yw o r d s ：f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l ；m e t h o df o rm o l d i n g o fs p e c i m e n ；i n d e xo fe v a l u a t i o n ； d o s a g eo fg r a v e l ；r o a dp e r f o r m a n c ee x a m i n a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：红维叠歪量屋达往盛型虚法盈壅 作者签名：日l 日期：q 年上月日 人迮理l ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：_ 年上l 月羔日 日期：丑夸年明日 人连理j ：人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 本文研究的目的和意义 目前沥青路面常用的养护措施有：雾封层( f o g - s e a l ) 、罩面封层( o v e r l a ys e a l ) 、 稀浆封层( s l u r r ys e a l ) 、还原剂封层、同步碎石封层、纤维碎石封层、丌普封层( c a p e s e a l ) 、微表处( m i c r o s u r f a c i n g ) 、薄层罩面、超薄罩面、裂缝灌缝等【1 1 。 从延长道路的使用寿命、节约道路的周期成本出发，引进和研究开发新的路面养护 技术是必要的，纤维碎石封层技术就是我国引进的一种新的沥青路面养护方法。纤维碎 石封层是传统碎石封层及沥青表面处治的革新技术。该技术是指采用纤维碎石封层核心 设备同时洒布沥青粘结料和玻璃纤维，然后在上面洒布碎石经碾压后形成新的磨耗层或 者应力吸收中间层的一种新型道路建设施工和养护技术。具有良好的防水、防裂、防老 化、抗滑及耐磨等路用性能和先进的施工工艺，并且具有快捷的施工速度，常用于普通 公路沥青路面的表面磨耗层及新建公路沥青路面的应力吸收层 2 - 3 。 对国内诸多人而言，该技术可能是一个陌生的概念，但在国际上却已经推广了多年。 与发达国家相比，我国在纤维碎石封层技术上的应用发展和研究比较落后，缺乏专门的 设计方法和施工技术，更加没有质量检测和室内试验的规程或方法，纤维碎石封层技术 在国内的应用还处于初步阶段。目前，我国规范中还没有纤维碎石封层试件实验室成型 的方法，而试件的实验室成型技术是开展室内试验研究的基本前提。根据国外文献【4 5 】记 载，可以对试验路进行现场切割，将试件运回实验室后进行室内试验。但是，这种试验 不宜大量进行，以免试验路破坏严重。因此，本文将研究重点放在了纤维碎石封层试件 的实验室成型技术上，希望能对纤维碎石封层性能的室内试验研究起到抛砖引玉的作 用。 1 2国内外研究概况 纤维碎石封层技术起源于英国，在英国、美国、澳大利亚、法国等国家已得到普遍 应用。自2 0 世纪9 0 年代开始，美国德克萨斯州a & m 大学进行了一项长达1 5 年的研究， 分别将试验路铺筑在4 个不同的国家，并连续进行实验室评估。一致的实验结果数据以 及现场评估观察均表明纤维碎石封层可有效地提高封层的抗拉、抗剪、抗压、耐磨、防 水等综合力学性能，进而大大提高路面的服务质量，延长道路使用寿命，具有良好的经 济效益。纤维碎石封层适用于中、小交通量或速度不大的道路，由于碎石集料剥落后可 能会打碎汽车挡风玻璃，因而不推荐使用于大交通量道路中【6 】。该项技术可以用于新建 路基和面层之间作为应力吸收层，防止路面的反射裂缝；也可用用于旧沥青路面上铺设 纤维碎彳诖 层试件成型方法研究 磨耗层，进行预防性养护。该项技术采用专用设备，纤维及沥青同步洒布封层车可同步 完成主要施工工序，施工快捷，可以加快养护施工的速度，而且施工后可以迅速恢复交 通1 7 8 1 。 国内外尚未具备纤维碎石封层试件的成型方法规程，但是，国外针对普通碎石封层 试件的成型技术已经进行了初步探索。文献【5 】提出了普通碎石封层试件的成型方法，可 供本文进行参考。该成型方法使用中空的矩形模板作为试模，试模下面挚放油毡纸。将 乳化沥青加热至7 0 ，并用手持喷雾器来洒御乳化沥青。使用专门设计的碎石撒布机立 即撒布碎石，该机器最大限度地模仿了施工现场的撒布设备。然后，用铁制的手持半圆 滚轮碾压三次。最后放入3 0 的烘箱养护2 4 小时。 与发达国家相比，我国在纤维碎石封层技术上的研究和应用发展还比较落后。我国 引进该技术的时间还比较短，2 0 0 7 年6 月底，在辽宁省成功地进行了设备调试和施工试 验后，开始进行大规模的施工，在省内多处地区应用于二级以下公路的养护和新建公路 的下封层及应力吸收层，同时开展了“纤维封层技术推广应用”，这是法国纤维碎石封 层创新技术在中国的初步实践和应用。2 0 0 8 年，浙江省3 2 0 国道嘉善段采用改性乳化沥 青纤维碎石封层技术进行路面中修，该工程起于沪浙交接处，重点为嘉兴境内塘汇互通 处，路线全长2 2 3 3 公里。至2 0 0 8 年底，试验路及实际工程的总施工面积将近2 0 0 万 平方米，为纤维碎石封层技术在国内的应用积累了丰富的经验【9 l 。另外值得一提的是， 河南省高远公路养护设备有限公司推出了国内首台加纤同步碎石封层车，将一层沥青洒 布、一层纤维撒布、一层沥青洒布、一层碎石撒布同步进行和完成，这对促进纤维碎石 封层技术在国内的应用和发展将起到重要的推动作用。目前，我国只在辽宁和江浙等少 量地区进行了纤维碎石封层施工，如果大规模地采用这种路面养护方法，必将对我国的 道路维修养护技术的发展起到推波助澜的作用。 纤维碎石封层在国内外均属于新工艺、新技术，目前还没有针对纤维碎石封层的专 门的技术规程或指南。值得庆幸的是，与纤维碎石封层技术相类似的、同属于道路表面 处治类型的普通碎石封层技术在新西兰、澳大利亚、英国、南非、法国、美国、加拿大 等国家和地区已广泛应用于公路的预防性养护，其设计方法、施工工艺、质量管理等均 得到高度重视和发展，已经进行了系统的研究并建立了专门的技术规程。目前，国内已 对纤维碎石封层进行了探索性的研究，如下： ( 1 ) 文献【l o l 对纤维碎石封层的层间粘结及力学性能进行了研究。该文探索了纤维封 层层问粘结强度形成的机理，并对试验路进行了现场拉拔试验，检测了纤维碎石封层试 验路的层间拉拔强度。用现场观测的交通量确定纤维碎石封层试件实验室成型的碾压次 人连理厂人学硕+ 学位论文 数，并探索了试件成型方法，对纤维碎石封层试件的层间拉拔强度、抗拉强度等进行室 内研究，最后提出了乳化沥青、纤维及碎石粘附量的建议值。 ( 2 ) 文献【1 1 1 使用上述文献中的成型方法制备试件，通过大量的室内试验，主要对纤 维碎石封层的配合比设计方法进行了研究。试验主要包括构造深度试验、湿轮磨耗试验， 负荷轮粘砂试验、车辙变形试验和力学性能试验。最后对纤维碎石封层在实际工程应用 中的施工工艺、质量检测等方面进行了论述。 这些国外普通碎石封层的规程及国内的纤维碎石封层室内试验研究都是本文重要 的参考资料。 1 3 本文研究内容及研究方法 纤维碎石封层技术目前在国内还处于初步阶段，根据对已有文献的研究调查，我国 只对纤维碎石封层的施工工艺进行了初步的研究与阐述，而且该施工工艺还不够成熟， 没有相应的技术规程，施工经验也比较缺乏。特别是纤维碎石封层原材料选用和评价指 标、配合比设计的理论方法及试验检验方法等问题的研究还基本停留于探索阶段。这些 理论研究的匮乏，直接导致试验路路面容易出现集料散失和泛油等病害现象。那么，在 养护工程新材料、新工艺、新技术日趋发展的今天，这些问题将成为纤维碎石封层在国 内研究和应用的瓶颈。纤维碎石封层试件成型方法是开展实验室室内研究的基本前提， 在实验室内成型试件，可以用于纤维碎石封层表面构造深度、表面摩擦系数、湿轮磨耗 及粘聚力等室内试验，用于评价纤维碎石封层的路用性能与检验配合比设计。本文将对 纤维碎石封层试件的实验室成型方法进行研究。 纤维碎石封层和普通碎石封层同属于一种表面处治方法，两者之间的施工方法类 似，不同之处在于纤维碎石封层在施工时添加了纤维，而普通碎石封层在施工时没有添 加纤维。在国内外均没有涉及纤维碎石封层成型方法资料的情况下，本文以普通碎石封 层技术为基础，参考国外各类碎石封层及沥青表面处治的技术标准、规范和我国公路 沥青路面设计规范( j t gd 5 0 - 2 0 0 6 ) 、公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 、 公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 、公路改性沥青路面施工 技术规范( j t j 0 5 2 - 2 0 0 0 ) 、公路工程集料试验规程( j t 6e 4 2 - 2 0 0 5 ) 和微表处和 稀浆封层技术指南以及国内外其他文献资料，在此基础上对纤维碎石封层试件的成型 方法展开研究。 根据纤维碎石封层的施工工艺及其工作原理，本文将碎石粘附量确定为影响试件成 型质量的重要指标，提出了胶挚厚度、初压次数、复压次数、养生温度等四个评价指标。 首先，根据纤维碎石封层的施工工艺拟定封层试件的浇筑方法，包括原材料的选择、试 纤维碎彳i 封层试仆成裂方法研究 件尺寸及试模的确定、材料用量的确定、碾压方式及养护方式的确定等。然后，采用正 交试验的方式，分别研究四个评价指标对碎石粘附量和试件成型质量的影响，确定出最 佳的指标参数，这四个指标参数即为试件的养生碾压参数。将上述浇筑方法和养生碾压 参数综合后便是本文的试件成型方法。最后，用该成型方法制备试件后，对这些试件进 行路用性能检验，包括：湿轮磨耗试验、负荷轮粘附沙试验和构造深度试验，从而验证 本文成型方法的可行性并分析其优劣性。本文的成型方法与文献【i 肛1 1 】的成型方法的区别 在于：文献 1 0 - 1 1 1 的成型方法中，碾压参数是通过现场观测交通量确定的；而本文的成型 方法中碾压参数是以碎石粘附量为指标，进行大量正交试验后所确定的。 人连理i ：火学硕十学位论文 1 4 本文技术路线 纤维碎石封层实验室成型方法研究 施工工艺工作原理 材料洗择 ( 材料用量j 试件尺寸碾乐方式养护方式 碎石粘附量的评价指： 【胶挚厚席： 初压次数 复乐次数 养牛温席 纤维碎石封层试件成型 试件的路用性能检验 湿轮磨耗试验负荷车轮粘砂试验 构造深席试验 【 结论 ! 纤维碎十l 封层试什成型方法研究 2 纤维碎石封层施工工艺研究 21 纤维碎石封层结构组成 纤维碎石封层的工作原理是利用专门的纤维碎石封层设备，将乳化沥青和玻璃纤维 几乎同时喷洒在路而上，然后在上面撒布碎石，保证沥青与集料在最短的时间内完成结 合，经碾压后形成磨耗层或者应力吸收中阃层，并在自然行车荷载的长期作用下不断形 成强度。 经过胶轮压路机的碾压，由于流体如花沥青的表面张力，使乳化沥青能沿着集料表 面向上爬升，爬升高度约为集料高度的2 3 ，并在集料表面形成一个半月面，使集料被 沥青裹附的面积达约7 0 i ”】，如图2 1 所示。在这种情况下，乳化沥青与碎石集料可以 更加充分地接触，由于沥青乳液中的沥青微粒表面带有正电荷，而湿集料表面带有负电 荷，根据异性电荷相吸的原理，乳化沥青微粒可以透过集料的水膜，牢牢地吸附在集料 表面“”。随着乳化沥青中的水分慢慢蒸发或被吸收。乳化沥青逐步完成破乳、凝结和固 化的过程，与此同时，乳化沥青与纤维和集料之间的强度也逐渐形成。开放交通后，碎 石在车辆荷载的作用下，嵌挤程度逐渐完善嵌入深度逐渐增加，沥青、原路面、纤维 和碎石之间的粘结强度也得到进一步的提高，形成密实、坚固、耐磨的道路表面封层畔l 。 图2l 乳化沥青爬升高度 f i g21c l i m b i n g h i g h n 螂o f e m u l s i f i c da s p h a l t 22 纤维碎石封层原材料性能 纤维碎石封层所用原材料主要包括集料、纤维与沥青结合料三类。原材料的性能、 指标好坏在很大程度上决定了纤维碎石封层质量的好坏，它是实现纤维碎石封层优良性 能的关键和重要保证。因而，原材料的检测和选择工作非常重要 1 “。 2 21 碎石 ( 1 ) 纤维碎石封层碎石的特点 人连理：- 人学硕士学位论文 集料是纤维碎石封层的重要组成部分之一，而且不同于其他沥青混合料的集料。作 为表面磨耗层时，它的作用主要是承受车辆的荷载作用。抵抗车辆荷载的磨损，并提供 具有抗滑功能的表面纹理构造为行车提供抗滑作用。因而应选用材质优良的石料，具有 良好的抗磨耗性能、抗滑性能及足够的抗压强度以保证纤维碎石封层的使用效果和耐 久性叫。 ( 2 1 纤维碎石封层碎石的要求 由于我国到目前为止还没有制定相关的材料标准，因此本文参考国外对普通碎石封 层集料的相关要求以及国内相关文献资料，明确纤维碎石封层集料应满足以下几点要 求： 1 ) 级配要求 纤维碎石封层理想的碎石集料应使用单一级配的等粒径集料，如图22 所示。这种 类型的碎石粒径基本相等，当车轮与路面接触时，绝大部分的碎石表面都能提供摩擦力： 而且碎石颗粒之间有较大的空隙，这将有利于乳化沥青在空隙内填充与爬升使碎石与 乳化沥青粘结牢固。相反，如果集料为连续密实级配，如图2 3 所示。此时纤维碎石封 层厚度不均匀，当车轮与封层表面接触的瞬间，只有那些粒径大于封层平均厚度的碎石 提供摩擦力，不利于荷载的传递，在车轮重复作用下会加速剥落；另外，碎石之间过于 密实，没有充足的空隙容纳乳化沥青，容易导致局部少油现象，造成垒料的敞失 1 7 j 。 图22 单一粒径封层横断面 f 睦2 2 c r o s ss e c t i o n o f a o n e - s i z es e s lc o a la g g r e g a l e 图23 级配封层横断面 f i g2 3 c r o s ss e c t i o n o f a 口a d e ds c a lc o a ta g g r e g a t e 但是，现实中单一级配的等粒径集料很难实现，因此需要提出一种合理的级配范围 并可视为单一粒径。现有法国的级配范围”如表2 1 所示。 纤维碎彳i 封层试件成耍4 方法研究 由于我国没有相应的筛孔，只能参考这种碎石级配的趋势。国内工程中常用的碎石 粒径范围为3 m m - - 一5 m m 、5 m m - 一l o m m 和l o m m 一- 1 5 m m 三种类型：用于应力吸收中间层时， 碎石粒径采用3 m r n 5 m m ；用于磨耗层时，碎石粒径采用5 咖l o 姗【l9 1 。本文针对磨耗层 进行研究，采用5 m m 一- - 1 0 m m 的玄武岩，对试验中使用的集料进行筛分，级配结果如表2 2 所示。比较后发现，国内筛孔的连续孔径相差较大，不利于判断集料是否满足单一粒径 条件。数据表明，这批集料的质量集中在公称最大粒径范围之中，通过4 7 5 r a m 筛孔的 质量百分率仅为7 6 。因此，可以视作单一级配，满足纤维碎石封层所需集料的要求。 表2 2 通过各个筛孔的质量百分率 t a b 2 2 p e r c e n t a g eo f p a s s i n gt h r o u g hs i e v e s 2 ) 洁净程度 纤维碎石封层对集料清的干净程度要求比较高，必须十分洁净，经过严格的水洗烘 干，决不可粘有粉尘、污泥、沙土或杂物，否则无法保证质量。这是因为纤维碎石封层 中碎石与乳化沥青的粘结与热拌混合料不同，并不是通过拌和形成，而是通过碎石与乳 化沥青的瞬问结合后，乳化沥青在表面张力的作用下沿着碎石表面爬升至碎石2 3 处， 形成乳化沥青对碎石的裹附，所以如果碎石表面有大量的粉尘、泥土必然影响碎石与乳 化沥青的粘结m 】。本文试验中所用到的集料均来自施工现场，集料表面有大量的粉尘、 泥土等杂物，因此在试验准备阶段应按照规范【2 l 】中t 0 31 0 2 0 0 5 粗集料含泥量及泥块含 量试验规定的集料水洗步骤将集料水洗、筛分、烘干，保证试验用料的洁净度。根据碎 石与乳化沥青的粘结机理可知，碎石集料的表面应该保持一定的潮湿状态以提供阴离 子，因此，不能将集料完全烘干，应控制好烘箱的温度和时问。本次试验中，将集料烘 干至一定程度后，放置于实验室巾冷却，采用风干的方式使集料保持一定的潮湿状态。 人琏理【人学硕十学位论文 3 ) 形状要求 碎石集料应尽量选用立方体形状、具有一定破碎面的粗集料，避免针片状结构，以 保证碎石在沥青中达到合适的嵌入深度，并形成稳定的嵌挤结构。至少具有一个破碎面 的集料被称作具有棱角性的集料。棱角性是碎石集料的一个重要的形状参数，将影响纤 维碎石封层抵抗车辆转弯和刹午的能力。棱角性不好的集料容易在车辆荷载作用下发生 翻滚或移动，难以保持良好的嵌挤稳定状态：而棱角性好的碎石集料，因为具有较多的 受力点互相接触，所以容易获得良好的嵌挤作用。 当使h j 针片状集料的时候，在交通荷载的作用下，轮迹区碎石将重新定位并倒向它 们晟扁平尺寸所在的方向，此时非轮迹区封层的厚度太于轮迹区封层厚度，如图31 。不 难发现，这种碎石的嵌挤状况将会造成轮迹区泛油现象或非轮迹区的碎石剥落现象。但 是，如果使用立方体形状的集料不管集料在交通荷载作用下如何重新定位，碎石都将 均匀单层排列并且嵌挤稳定，而且封层厚度也基本保持不变，如图24 所示。可见，交 通荷载对立方体形状集料的影响较小i f 7 。 图24 立方体碎年i 受车轮荷载作用 f i g2 4c u b e g r a v e lu n d e r w h e e l l o a d 可见，纤维碎石封层的碎石要求与沥青混合料面层用粗骨料基本相同，只是对级配、 针片状、含泥量等提出了更高的要求。规范”对沥青混合料用粗集料的质量做出明确 规定，见表23 。 纤维碎彳浩f 层试什成型方法研究 表2 3 沥青混合料川粗集料质量技术要求 t a b2 3 q u a l i t yr e q u i r e m e n t so fc o a r s ea g g r e g a t ef o ra s p h a l tm i x t u r e 指标 高速公路及一级公路 其他等级 表面层其他层次公路 试验方法 纤维碎石封层可以选择玄武岩、石灰岩和花岗岩作为集料，它们除了必须满足表2 3 中表面层集料的要求，还要满足如下指标【2 3 1 ： 具有不小于4 个破碎面的近似立方体的几何形状； 与乳化沥青的粘附性不低于4 级。 本文最后选择性能较好的5 - l o m m 的玄武岩进行试验研究。 2 2 2 改性乳化沥青 ( 1 ) 纤维碎石封层沥青结合料的选择 法国的杰克巴迪特教授在第一届全国公路创新高层论坛中说过“碎石应力吸收层 对沥青没有特别要求 1 2 4 1 。这种说法容易使人误解成为沥青结合料的品种、质量和用 量对碎石封层的质量影响不大。其实，粘结料性能的好坏极其关键。因为，纤维碎石封 层主要依靠粘结料将碎石、纤维粘结在一起而形成整体，共同抵抗行车作用，如果粘结 料的性能不好，则会造成大量的集料剥落，最终导致纤维碎石封层结构破坏。可供纤维 碎石封层选择的沥青结合料有：普通沥青、聚合物改性沥青、乳化沥青、聚合物改性乳 化沥青、稀释沥青等 2 5 1 。每种沥青结合料都有各自的使用条件和性能优劣，比如将普 通沥青使用于大规模封层，洒布到路面以后会因为温度迅速降低而影响与集料的粘结， 对施工设备和工艺要求较高；使用改性沥青作为粘结料时，为保证雾状喷洒而形成均匀、 等厚度的沥青膜，必须保证沥青的温度在1 6 0 一 - 1 7 0 范围内进行喷洒，并且应在混合 料温度降到1 2 0 。c 前结束碾压作业，这对于实验室成型提出了较高的要求 2 6 - 2 7 1 。而聚合 物改性乳化沥青具有撒布均匀、快凝、环保、流动性能好、与集料粘附性能好等优点， 人连理i ：入学硕十学位论文 比较适合在实验室中使用。根据纤维碎石封层的原理可知，纤维碎石封层用结合料必须 具备以下条件【2 8 】： 必须具有足够的粘结性，以保证一定的粘结强度； 要具有足够的爬升高度；以保证一定的裹附面积； 要具有较宽泛的适用性，以保证与集料的配伍性； 沥青必须达到足够的粘度，以保证在撒布集料之前沥青不会流淌，从而保证集 料在沥青膜中的嵌入深度，减少集料的剥落。 参考公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中改性乳化沥青的品种和使用 范围，见表2 4 ，选用阳离子、快凝喷洒型s b r 聚合物改性乳化沥青( p c r ) 进行试验。 表2 ：4 改性乳化沥青的品种和适用范围 t a b2 4v a r i e t i e sa n dt h ea p p l i c a b l es c o p eo fm o d i f i e de m u l s i f i c a t i o nb i t u m e n ( 2 ) 纤维碎石封层改性乳化沥青的特性 乳化沥青是将普通道路沥青加热融化，加入乳化剂后，经过机械搅拌和乳化作用， 沥青以细小的微滴状态扩散到水中而形成水包油状的、流动性很好的一种道路建筑材 料。可以在常温状态下使用，也可以与冷、湿集料一起使用。纤维碎石封层施工完成开 放交通大概一个月后，经过交通荷载的进一步压实，乳化沥青中的水分基本散尽( 残留 2 左右) ，此时结构层强度基本形成，达到最终强度的9 5 左右【2 9 1 。 本文使用的是阳离子、喷洒性乳化沥青。用阳离子乳化沥青浇筑纤维碎石封层时， 沥青乳液中的沥青微粒表面带有正电荷，而湿集料表面带有负电荷，根据异性电荷相吸 的原理，乳化沥青微粒可以透过集料的水膜，牢牢地吸附在集料表面，这大大增强了乳 化沥青与集料的粘结性。而且，在摊铺纤维碎石封层的时候，只要原路面清洁、湿润， 乳化沥青微粒就能与原路面上露出的石料很好地粘结，并且能渗透到路面缝隙中去，加 强与原路面的粘结。我国对各种乳化沥青都有“与集料的粘附性、裹附面积不小于2 3 的技术要求，喷洒性乳化沥青具有很好的流动分散性，在碎石颗粒不断嵌挤过程中，乳 化沥青能够爬升至2 3 高度处，形成一定厚度的沥青薄膜。这样，既有足够的结构沥青 粘附集料，又没有过多的自由沥青使结构的热稳定性和强度降低 3 0 1 。 纤维碎彳洼 层试什成型方法研究 目前，还没有关于纤维碎石封层用乳化沥青性能的统一的标准和规范。在选用乳化 沥青材料时首先应满足公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 中改性乳化沥青 技术要求中的p c r 标准，见表2 5 。 表2 5 改性乳化沥青技术要求 t a b2 5t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fm o d i f i e de m u l s i f i c a t i o nb i t u m e n 破乳速度 粒子电荷 快裂或中裂 阳离子( + ) t 0 6 5 8 t 0 6 5 3 筛上剩余量( 1 1 8 r a m ) ( ) o 1t 0 6 5 2 恩格拉粘度e ：51 1 0t 0 6 2 2 粘度 沥青标准粘度c 2 5 3 ( s ) 8 2 5t 0 6 21 含量( ) 5 0t 0 6 5 1 蒸发残 针入度( 1 0 0 9 ，2 5 ，5 s ) ( 0 1 m m ) 4 0 1 2 0 t 0 6 0 4 软化点( ) 5 0t 0 6 0 6 留物 延度( 5 ) ( c m )2 0t 0 6 0 5 溶解度( 三氯乙烯) ( ) 9 7 5t 0 6 0 7 存储稳1 天( ) 1t 0 6 5 5 定性 5 天( ) 5t 0 6 5 5 本文采用的改性乳化沥青来自锦州的一处纤维碎石封层施工现场，其基本性能如表 2 6 所示，该材料符合试验的使用要求。 表2 6 乳化沥青生产参数 t a b 2 6p r o d u c t i o np a r a m e t e ro fe m u l s i f i e da s p h a l t 2 2 3 纤维 纤维在沥青混合料中的研究和应用已有五、六十年的历史，最初的目的是用于预防 路面反射裂缝1 3 。纤维具有较高的强度、模量、比表面积、良好的化学性质、摩阻性和 耐冲击性。纤维分散在沥青中，形成了一种以纤维为基质，沥青为基体的复合材料。在 人连理工大学硕士学位论文 纤维碎石封层的施工中，经过专门的工艺破碎切割后的纤维在上、下2 层均匀洒布的乳 化沥青结合料中呈异向均匀分布，相互搭接，与乳化沥青形成网络缠绕结构，有效地提 高了封层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度等综合力学性能，类似在新建道路基层和面 层之间或在原路面基础上加铺了一层具有高弹性和高强度的防护网垫【1 4 1 。纤维碎石封层 中的纤维材料应具有以下特性【3 2 】： ( 1 ) 纤维对乳化沥青的吸附作用 纤维分散到乳化沥青中，提供了巨大的比表面积让乳化沥青来浸润，这个表面称为 浸润界面。在此界面上，纤维吸附了大量的乳化沥青，乳化沥青和纤维之间会产生各种 物理和化学作用，在这种作用下，乳化沥青成单分子排列在纤维的表面，形成粘结性较 强的沥青界面，称之为结构沥青。纤维碎石封层中由于纤维的加入导致乳化沥青用量增 加，同时也增加了集料表面的沥青膜厚度。 ( 2 ) 纤维的加筋稳定作用 短小的纤维在乳化沥青基体内的分布是三维随机的。由于根数很多，在沥青中形成 了纵横交错的纤维空间网络。这种空间网络结构一方面起了“加筋 的作用，对于纤维 碎石封层在荷载、温度等因素作用下产生的裂纹扩展起到了阻滞的作用，减少了封层裂 缝的出现，从而推迟了结构的老化和破坏，提高了使用寿命；另外，这种网状结构纤维 吸附沥青后，大大增加了结构沥青的比例，减少了自由沥青的含量，从而使集料表面的 沥青处于比较稳定的状态，大幅提高了温度稳定性。 ( 3 ) 纤维的增韧作用 纤维的增韧作用主要体现在纤维延长了封层裂纹扩展、断裂出现的时间，增强了封 层整体的抗疲劳特性。而且，添加纤维的乳化沥青结合料对集料的粘聚力增大，使混合 料整体不容易松散，即使路面开裂后也会由于纤维的存在而不至于破碎，因此不会出现 严重的路面破坏现象，这对行车的安全性、舒适性和路面的修补具有非常重要的意义。 根据上述的作用可知，用于纤维碎石封层的纤维应该具有良好的切割性、较高的断 裂强度和较好的吸油率。目前，已经得到广泛应用的纤维材料主要有聚合物纤维、木质 素纤维和玻璃纤维。本文对各种纤维进行认识、研究以后，决定采用喷射用无捻粗纱型 的玻璃纤维，如图2 5 。这是因为玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性 好、吸水性小、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点，在 复合材料领域中广泛被应用于聚合物基复合材料的增强材料或无机非金属基复合材料 的增强材料，并取得了很好的增强效应1 3 3 。 纤维碎丁i 封层试件成型方法研究 图25 玻璃纤维 f i g2 5 o l a s sf i b e r 23 纤维碎石封层施工过程 纤维碎石封层技术的设各主要是法国赛格玛纤维封层设备1 台，与其配套的设备有 3 0 t 保温沥青罐车1 台、1 0 l n 3 以上碎石撒布车2 台、5 0 型装载机l 台、l o t 胶轮压路机 1 台、小型卡车1 台，以及路面清扫工具等其他小型机具i 。 纤维碎石封层施工过程o 1 如下，见图26 所示： ( 1 ) 施工前将原路面清扫干净，除去裂缝中的粉尘，确保路面无尘土、垃圾，防止 喷洒的沥青被粉尘包裹而形成隔离层。 ( 2 ) 纤维碎石封层设备同时( 洒) 撤布两层改性乳化沥青和一层玻璃纤维。纤维在撒 布时要乱向、均匀撒布，注意不允许出现不均匀或中间断条情况。沥青罐内改性乳化沥 青的温度要控制在6 0 左右，保证乳化沥青具有合适的粘度和流动性。 ( 3 ) 两台碎石撤布车交替连续地进行碎石撒布，应力吸收层的碎石撒布覆盖率要控 制在7 0 以上，磨耗层的碎石覆盖率要控制在1 0 0 。 ( 4 ) 碎石撒布后，立即用胶轮压路机碾压至少3 遍，速度不宜太快。碎石擞布和碾 压均应在乳化沥青破乳、凝结前完成，使碎石集料颗粒基本嵌挤就位。在气温达到1 0 并且持续下降时，不允许施工，阴雨天气禁止施工。在碾压过程中应该及时检查碎石 颗粒的嵌入深度和嵌挤程度，随时调节碾压的遍数。 ( 5 ) 碾压完成后，待乳化沥青完全破乳后1 5 m i n 即可开放交通，但必须进行限速。 为了保证刚施工结束的纤维碎石封层中碎石与乳化沥青具有足够的粘结时间，一般要求 丌放交通之前的初期养护时间应该长一些。 人连理r 人学硕十学行论文 ( 6 ) 在纤维碎石封层施工后，要完成过剩碎石集料的清除。要注意清扫的时间、 技术和方法，不可在碾压后立即进行过剩碎石集料的清扫，防止扰动、拖拽已经嵌挤 就位的碎打颗粒，造成砰石剥落。 a ) 撒布乳化沥青+ 纤维 b ) 撒布后的效果 溉国 c ) 撒布碎石d ) 腔轮碾压 e ) 碾压完效果 附26 纤维碎石封层施工1 二程 f 疃2 6c o n s t r u c t i o n 【p r o c e s s o f f i b e r - 把i n f o r c e dc h i ps e a l 纤维碎“封层试什成型方法研究 3 纤维碎石封层试件成型方法试验研究 31 试验目的 根据纤维碎石封层设备的施工工艺将纤维碎石封层试件的实验室成型方法主体划 分为三个步骤：浇筑、碾压、养护。主要难点在于采用合适的方法模拟层铺法施工过程 柬成型试件，包括浇筑方式和养生碾压参数。 碎石粘附量是影响纤维碎石封层试件成型质量的重要指标，本章【= l 碎石粘附量为主 旨贯穿始未。对于纤维碎石封层试件成型方法而言，胶垫厚度、初压次数、复压次数和 养生温度是四个重要的养生碾压参数，与试件成型质量密切相关。为了研究单一参数对 碎石粘附量的影响，本文采用正交试验的方式，即改变一种指标参数的同时保持其他三 种指标参数不变，这样能保证每个结果之间互不干预。最后，确定出养生碾压的参数。 32 试验方案及原理 根据理论分析，当乳化沥青处于很好的流动性和粘结性时，可以保证乳化沥青与集 料表面最大程度的接触，此时乳化沥青与集料有较大的粘结力，因此不会有集料散失。 但是实际工程中，纤维碎石封层容易出现集料散失和泛油等常见病害，这是因为： ( 1 ) 国内集料的质量水平不高，针片状颗粒含量较大。当集料中古有大量针片状集 料的时候。在交通荷载的作用下，轮迹区集料将重新定位并倒向它们最扁平尺寸的方向， 此时非轮迹区封层的厚度大于轮迹区封层厚度，如图3 1 所示。不难发现，轮迹区的扁 平碎石被乳化沥青覆盖，表象为泛