（道路与铁道工程专业论文）纤维增强封层技术在公路沥青路面养护中的应用研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李伟 日期： 加j f 年争月f 1 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者躲李伟 指导教师签名：氓纠c 日期：加| 1 年 年月 协日 日期：踟1 1 年4 月1 1 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：李伟指导教师签名：少惫纠艺 日期：如1 1 年 午月 j l 日 日期：如f f 年钏刎 摘要 沥青路面由于其表面平整、无接缝、行车舒适、振动小、噪声低等优点，在 越来越多的国家得到广泛应用，但沥青路面对气温、降水和日照等自然条件十分 敏感，经过自然气候长期作用，沥青材料不断老化，加之交通量逐年增长和行车 荷载的积累、车辆大型化、超载严重、车辆渠化行驶等问题，使路面出现了早期 破坏现象。为了不使沥青路面状况继续恶化，延长路面的服务周期，保持路面的 使用性能，应采取积极有效地养护措施。针对我国沥青路面出现的开裂、渗水等 破坏现象，本项目在研究国外纤维封层技术的基础上，提出了一种新型预防性养 护技术一一纤维增强封层技术，它主要由一层纤维沥青应力吸收中间层 ( f r - s a m i ) 和其上部磨耗层( 薄层罩面或微表处) 所组成。这种技术兼具应力 吸收层和薄层罩面的特点，不仅增强了新旧路面间的粘结性能、减缓反射裂缝的 形成，而且有效的改善了路面的服务功能，适用于提高原有沥青路面、桥面铺装 以及水泥混凝土路面的防水性能、抗滑性能以及车辙、平整度的修复工作。本文 主要研究纤维增强封层组成材料性质和其路用性能，主要包括以下几个研究内容： 首先，对纤维增强封层组成材料性质进行研究，f r - s a m i 主要由改性乳化沥 青和玻璃纤维组成，上覆薄层罩面选用s m a 沥青混合料，在规范基础上对s m a - 1 0 级配进行调整，获得较好的路用性能。 其次，研究了f r - s a m i 主要性能：粘结性能、抗渗性能和抗反射裂缝性能， 并通过粘结性能来确定f r - s a m i 组成材料的最佳用量。采用正交试验法进行试验 的设计，通过剪切强度和粘结强度两个性能指标来评价新旧路面界面间的粘结强 度性能，并确定出f r - s a m i 各材料最佳用量；利用常用夹层材料橡胶应力吸收膜、 聚酯玻纤布和s b s 粘层油与f r - s a m i 作粘结性能对比，说明f r - s a m i 夹层具有 良好的粘结性能。通过暴露轮碾渗水试验和热碾压后抗渗性试验，来说明f r - s a m i 夹层具有良好的防水性能。采用往复轮碾试验来讨论f r - s a m i 的抗反射裂缝能力， 分析了f r - s a m i 的阻裂机理，讨论了纤维长度是否对抗裂性能起到影响，并与常 用夹层聚酯玻纤布、玻纤格栅、只有s b s 粘层油做了抗裂性能比较。 最后结合楚大高速上的试验路进行分析，介绍了纤维增强封层的施工工艺， 及试验路运行一年多后进行的检测，说明了该技术具有良好的广泛应用前景。 关键词：预防性养护；纤维增强封层；f r s a m i ；薄层罩面；粘结性能；抗裂性 能；剪切试验；拉拔试验 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t ss m o o t h n e s s ，n 0c o n n e c t i o nj o i n t s ，d r i v i n gc o m f o r t , s m a l lv i b r a t i o n , l o w e rn o i s ea n do t h e ra d v a n t a g e s ，a s p h a l tp a v e m e n tw a sw i d e l yu s e di nm o r ea n dm o r e c o u n t r i e s b u tt h ea s p h a l tp a v e m e n tw a sv e r ys e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e ，p r e c i p i t a t i o n , s u n s h i n ea n do t h e rn a t u r a lc o n d i t i o n s t h r o g hl o n gt e r me f f e c t so fn a r u a lw e a t h e r , a s p h a l tm a t e r i a lw a sc o n t i n u o u sa g i n g ，i na d d i t i o nt oi n c r e a s i n gt r a f f i cv o l u m ey e a rb y y e a ra n da c c u m u l a t i o no ft r a f f i cl o a d ，l a r g e - s c a l ev e h i c l e ，s e v e r eo v e r l o a d ，c h e m o t a c t i c d r i v i n ga n do t h e rd a m a g e s ，e a r l yd e s t r u c t i o np h e n o m e n o na p p e a r e di nr o a dp a v e m e n t i no r d e rn o tt om a k et h ea s p h a l tp a v e m e n ts a t u sc o n t i n u et od e t e r i o r a t e ，t oe x t e n d s e r v i c ep e r i o da n dm a i n t a i np e r f o r m a n c eo fr o a dp a v e m e n li ts h o u l db et a k e np o s i t i v e a n de f f e c t i v ec o n s e r v a t i o nm e a s u r e s i nv i e wo fs u r f a c ec r a c k i n g , s e e p a g ea n do t h e r d a m a g ep h e n o m e n ao fa s p h a l tp a v e m e n ti nc h i n a , t h ep a p e rp r o p o s e dan e wt y p eo f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c et e c h n o l o g ya sf i b r er e i n f o r c i n gs e a lt e c h n o l o g yo nt h eb a s e o ff o r e i g nf i b r es e a lc o u r s e ，w h i c hw a sm a i n l yc o m p o s e do ff i b r er e i n f o r c i n gs t r e s s a b s o r d i n gm e m b e r a n ei n t e r l a y e r ( f r - s a m i ) a n dt h eu p p e rw e a r i n gc o u r s e ( t h i no v e r l a y o r m i c r o - s u r f a c i n g ) t h et e c h n o l o g yc o m b i n e dt h e f e a t u r e s o fs t r e s s a b s o r b i n g m e m b e r a n ea n dt h i no v e r l a y , w h i c hc o u l dn o to n l ye n h a n c et h eb o n db e h a v i o rb e t w e e n o l da n dn e wp a v e m e n t ，p u to f f t h ef o r m a t i o no fr e f l e c t i o nc r a c k ，b u ta l s oc o u l di m p r o v e r o a ds e r v i c ee f f e c t i v e l y f i b r er e i n f o r c i n gs e a lw a su s e df o ri m p r o v i n gt h ew a t e r p r o o f p r o p e r t ya n ds k i dr e s i s t a n c ep r o p e r t yo fe x i s t i n ga s p h a l tp a v e m e n t ，b r i d g ed e c k p a v e m e n t ，c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n dt h er e s t o a t i o no fr u t t i n ga n ds m o o t h n e s s t h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e dt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dr o a dp e r f o r m a n c eo ff i b r er e i n f o r c i n g s e a l ，a n dm a i n l yi n c l u d e dt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so fr e s e a r c hw o r k f i r s t l y , m a t e r i a lp r o p e r t i e so ff i b r er e i n f o r c i n gs e a lt e c h n o l o g yw e r er e s e a r c h e d f r s a m iw a sc o m p o s e do fm o d i f i e de m u l s i f i e da s p h a l ta n de - g l a s sf i b r e s ，s m aw a s s e l e c t e da st h i no v e r l a y , w h i c hh a db e e na d j u s t e ds l i g h t l yo nt h eb a s i so fn o r m s i tw a s o b t a i n e db e t t e rr o a dp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e dt h em a i np r o p e r t i e so ff r - s a m i ，i n c l u d i n gb o n d p r o p e r t i e s ，w a t e r p r o o fp r o p e r t y ，c r a c k i n gr e s i s t a n c e ，a n dd e t e r m i n e dt h eo p t i m u m a m o u n to fv a r i o u sm a t e r i a l so ff r - s a m i u s i n go r t h o g o n a lm e t h o df o rt e s td e s i g na n d a p p l y i n gt w op e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa ss h e a rs t r e n g t ha n db o l l ds t r e n g t ht oe v a l u a t e b o n db e h a v i o ro ft h ei n t e r f a c eb e t w e e no l da n dn e wp a v e m e n t ，t h eo p t i m u ma m o u n to f v a r i o u sm a t e r i a l so ff r - s a m lw a sd e t e r m i n e d a s p h a l tr u b b e rs t r e s s a b s o r b i n g m e n b e r a n e ，f i b e r g l a s s - p l o y e s t e ra n ds b sb o n d i n go i lw e r es e l e c t e dt oc o m p a r ew i 廿l f r - s a m ii nb o n db e h a v i o r , w h i c hw a ss h o w nt h a tf r - s a m ih a dg o o db o n d p r o p e r t y i tw i l l ss h o w nt h a tf r - s a m ih a d9 0 0 dw a t e r p r o o fp r o p e r t yt h r o u g he x p o s u r et r a c i n g s e e p a g e t e s ta n di m p e r m e a b i l i t yt e s ta f t e rh o tr o l l i n g c r a c k i n gr e s i s t a n c eo ff r - s a m l w a sd i s c u s s e db yr e c i p r o c a t i n gr o l l e rw h e e lt e s t t h e p a p e ra n a l y s i s e dc r a c k i n g r e s i s t a n c em e c h a n i s mo ff r - s a m i ，d i s c u s s e dw h e t h e rt h ef i b e rl e n g t hc o u l di n f l u e n c e c r a c k i n gr e s i s t a n c e f i b e r g l a s s p l o y e s t e r , f i b e r g l a s sg e o g d da n ds b sb o n d i n go i lw a s s e l e c t e dt oc a r r yo u ti nt h ec o m p a r a t i v et e s t so fc r a c kr e s i s t a n c e 、砘t l lf r - s a m i f i n a l l y ，i tw a sa n a l y s i s e dc o m b i n i n g 、 ，i t l lc h u d ah i g h w a yt e s ts e c t i o n , d e s c r i b e dt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o y go ff i b r er e i n f o r c i n gs e a l ，a n dd e t e c t e dt h et e s tr o a da f t e r r u n n i n gm o r et h a no n ey e a r i tw a si l l u s t r a t e dt h a tt h et e c h n o l o g yh a dw i d ea p p l i c a t i o n a n dg o o dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：p a v e m e n tm a i n t e n a n c e ；f i b r er e i n f o r c i n gs e a l ；f i b r er e i n f o r c i n g s t r e s sa b s o r b i n gm e m b e r a n ei n t e r l a y e r ；t h i no v e r l a y ；b o n dp r o p e r t y ； c r a c k i n gr e s i s t a n c e ；s h e a rt e s t ；p u l l - o u tt e s t 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外研究概况2 1 2 2 国内研究概况5 1 3 研究的主要内容及技术路线7 1 3 1 主要研究内容7 1 3 2 研究的技术路线8 第二章纤维增强封层结构的组成材料性质研究9 2 1 纤维沥青应力吸收中间层( f r s a m i ) 组成材料性质的研究9 2 1 1 改性乳化沥青9 2 1 2 玻璃纤维1 1 2 2 薄层罩面技术组成材料性质的研究1 2 2 2 1 薄层罩面选取1 2 2 2 2 沥青结合料1 4 2 2 3 集料1 5 2 2 4 纤维1 7 2 3 薄层罩面s m a 沥青混合料配合比设计和路用性能研究1 7 2 3 1 薄层罩面s m a 沥青混合料配合比的设计1 8 2 3 2 薄层罩面s m a 沥青混合料路用性能研究2 1 2 4 本章小结2 2 第三章纤维沥青应力吸收中间层粘结防水性能研究2 4 3 1 根据层间粘结性能来确定f r - s a m i 材料用量2 4 3 1 1 正交试验设计2 5 3 1 2 斜剪试验和拉拔试验的设计2 8 3 1 3 正交试验结果及分析3 3 3 1 4 不同夹层材料粘结性能对比分析3 5 3 2f r - s ! i 抗渗性能研究3 8 3 2 1 试验方案简介3 8 3 2 2 试验过程及结果3 9 3 3 本章小结4 0 第四章纤维沥青应力吸收中间层的抗反射裂缝性能评价4 2 4 1 反射裂缝的形成机理及防治措施4 2 4 1 1 反射裂缝形成机理与扩展模式4 2 4 1 2 导致反射裂缝因素及防治反射裂缝措施4 4 4 1 3f r - s a m i 阻裂机理分析4 7 4 2 防反射裂缝试验研究4 8 4 2 1 抗反射裂缝试验的目的和试验方案4 9 4 2 2 抗反射裂缝试验过程及观测方法5 2 4 2 3 试验结果及分析5 4 4 3 本章小结5 7 第五章依托工程的应用分析5 9 5 1 旧沥青路面调查状况和评价分析5 9 5 1 1 路况调查5 9 5 1 2 评价分析6 2 5 2 纤维增强封层的结构设计及施工工艺6 2 5 2 1 纤维增强封层的结构设计6 2 5 2 2 纤维沥青应力吸收中间层施工6 3 5 2 3 微表处施工要求6 4 5 2 4s m a 薄层罩面施工6 5 5 2 5 稀浆封层与f r s a m i 技术经济比较分析6 8 5 3 试验段的检测与分析7 1 5 4 本章小结7 3 第六章结论与展望7 5 6 1 主要结论与创新点7 5 6 2 进一步研究展望7 6 致谢7 8 参考文献7 9 在学期间发表的论著及取得的科研成果8 2 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国沥青混凝土路面的历史很短，在l o 多年前，我国的沥青路面尚以表面处 治、贯入式路面及沥青碎石路面为主要形式。随着我国社会经济的发展和国家综 合实力的提高，公路建设事业得到了快速的发展，沥青混凝土路面一跃而成为公 路的主要路面结构形式。沥青路面作为路面结构的表层结构，不但应具有抵抗和 传递汽车荷载的能力，还需具有良好的路面使用性能，包括：高温抗车辙、低温 抗裂、水稳定性、耐疲劳抗老化、表面服务功能等，从而为汽车提供安全、舒适、 快速的行驶通道。 ， 与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、 振动小、噪声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点，因而获得 越来越广泛的应用【l 】，如美国公路路面到1 9 8 9 年为止，沥青路面占全国公路路面 的9 4 ，近年来我国新建的高速公路几乎也全是沥青路面。但沥青路面对气温、 降水和日照等自然条件十分敏感，在自然气候长期的作用下，沥青材料不断老化， 加之交通量逐年增长、行车荷载的积累、车辆大型化、超载严重和车辆趋化行驶 等问题，使沥青路面面临严峻考验，许多路面出现了早期破坏现象，如泛油、车 辙、拥包、松散、坑洞等病害，沥青路面使用性能和表面抗滑性能迅速下降。美 国2 0 世纪8 0 年代对沥青路面的实际使用寿命调查时指出，按照a a s h t o 路面设 计方法，沥青路面的设计使用寿命为2 0 年，但实际使用寿命只有8 1 2 年【l 】，远低 于设计标准。在我国，大部分高速公路沥青路面在通车2 3 年内就出现不同程度 的损坏，使用性能和服务水平不尽人意，远远低于沥青路面设计使用寿命为1 5 年 的设计标准。因此，如何应用科学有效的沥青路面养护修补技术来改善道路使用 功能，延长路面使用寿命，提高社会经济效益，将是我国公路建设和管理工作所 面临的重要任务之一。 我国高等级公路的路面结构形式一般采用半刚性基层沥青路面，这种半刚性 路面具有结构承载力强、传荷能力强、造价低等优点，但由于超载、恶劣天气及 质量控制等原因，出现了一些早期破坏，如裂缝、坑槽、翻浆、剥落等。半刚性 基层材料具有明显的干缩和温缩性，易产生裂缝，基层裂缝在车辆荷载和降温作 用下会反射到沥青面层上来，产生反射裂缝，反射裂缝是引起我国沥青路面早期 破坏的主要原因；另一方面，沥青路面在长期自然环境因素和交通荷载的双重作 用下，其表面功能很快衰减( 抗滑、噪音、平整度等性能下降) ，从而直接影响到 2 第一章绪论 汽车的行驶安全和舒适性。 基于上述沥青路面的特点，原始的养护维修方式已经不能满足现在交通的发 展要求，应该应用新技术和开发新材料来满足高等级沥青路面养护维修要求。为 了不使路面状况继续恶化，延长路面的服务周期，保持路面的使用性能，应在不 同阶段采用不同的养护手段【2 】。公路养护是保持路况完好，延长公路使用寿命，逐 渐恢复其服务功能，为交通运输提供良好服务的根本条件。公路越发展，越需要 养护，随着高等级公路通车里程的增加和使用要求的提高，养护工作量愈来愈大， 技术含量愈来愈高，对高等级公路养护技术需求也越来越迫切。 本论文以云南省交通厅科技项目高速公路新型养护封层技术研究为依托，主 要介绍了新型养护封层技术纤维增强封层结构构成特点及路用性能，这种新 的养护封层技术集合了薄层罩面和应力吸收层的优点，不仅可以提高路面的抗滑 性能、改善平整度、恢复路面的使用性能和被磨耗的厚度，而且能够增强新旧路 面的层间粘结性能，延缓反射裂缝的产生，从而延长道路使用寿命，提高路面的 综合效益，保证路面功能得到充分发挥。纤维增强封层结构模型见图1 1 。 图1 1 纤维增强封层结构模型 f i g 1 1s t m 姗m o d e lo ff i b e rr e i n f o r c i n gs e a l 1 2 国内外研究概况 纤维增强封层 路面 1 2 1 国外研究概况 美国等西方国家将沥青路面的养护维修作业分为：预防性养护( p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e ) 、修复性养护( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 、路面翻修( p a v e m e n t r e h a b i l i t a t i o n ) 、路面重建( p a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n ) 等四类。这种分类方法的核心是 作业的功能和目的，因而不仅在概念上十分清晰，而且有着很强的目的性和针对 性。美国联邦公路管理局对预防性养护措施的定义为：为了防止路面早期破坏和 延迟路面破坏的进程而采取的措施，其目的是延缓路面的破坏，增加路面的使用 第一章绪论 3 寿命。目前广泛应用的预防性养护技术主要有表面封层、裂缝填封和薄层罩面三 种类型，纤维封层属于预防性养护中的一种。 纤维封层的应用在国外已有2 0 多年的历史，凭借其优越的性能及广泛的适用 性，该技术在英国、美国、澳大利亚、法国等国家都已得到普遍应用。美国德州 a & m 大学( t e x a sa & mu n i v e r s i t y ) 在宾夕法尼亚州及德克萨斯州一直在进行纤 维封层的相关研究，并在四个不同的国家对纤维封层进行了一项长达1 5 年之久的 持续实验室评估，自2 0 世纪9 0 年代起一直对纤维封层路段进行现场的性能跟踪 观察。一致的实验结果数据以及现场评估观察均表明纤维封层能大大延长路面的 服务寿命，减少病害，并能提供很好的防水性能；而且此工艺可应用于各种路面 结构和各种路面条件，很快便可开放交通。 纤维封层a 型应用于磨耗层施工 纤维封层b 型应用于应力吸收中间层( s a m i ) 施工 图1 2 纤维封层结构组成图 f i g 1 2c o m p o s i t i o nf i g u r eo ff i b r es e a lc o u r s es t r u c t u r e 纤维封层技术是指采用纤维封层核心设备同时洒( 撒) 布沥青粘结料和玻璃 4 第一章绪论 纤维，然后在上面撒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【3 一钉。纤维封层可与碎石封层、石屑封层及表面处治 等共同归属于沥青路面结构中的碎石封层类型，是为封闭表面空隙、防止水分侵 入或下渗，在沥青面层之上、面层之间或基层之上铺筑的有一定厚度的沥青混合 料薄层，按功能特点可分为上封层( 表面磨耗层) 和下封层( 应力吸收层) 睁- 6 ，纤维封 层技术用于沥青面层磨耗层和应力吸收中间层施工分别见图1 2 所示。 国外对纤维封层的研究表明，其技术特点有： 良好的应力吸收和扩散能力 具有网络缠绕独特结构的纤维封层，由于纤维本身高抗拉伸强度和高弹性模 量值的特性，有效地提高了封层的抗拉、抗剪、抗压和抗冲击强度。利用纤维封 层进行应力吸收中间层施工，铺设于旧沥青面层与新沥青面层或新建路基和新建 沥青面层之间的纤维封层粘结层，兼具极高的张力与弹力，加之独特的结构，对 外界的应力具有极其有效的吸收和扩散功能，是一种很好的应力吸收中间层 ( s a m i ) 。一方面它能够吸收摊铺层中的应力或车辆荷载产生的局部集中应力， 重新扩散和分布，通过纤维封层大面积的扩散减少了覆层所承受的张力并有效的 抑制了裂缝的产生；另一方面它能够吸收和扩散旧沥青路面原有裂缝或路基的反 射应力，消除旧沥青路面裂缝尖端产生的应力集中，能够有效地抑制反射裂缝出 现，有效阻止了因车载负荷过重造成的路面破坏，极大地提高了道路的使用寿命。 高耐磨性 纤维封层设备施工后，紧接其后进行碎石集料撒布，撤布后的集料进入由纤 维与沥青结合料形成的网状结构中，压实成型后集料被结合料网状结构紧紧裹缚， 形成了一个复合的力学嵌锁体系，类似微观领域中的分子结构物理模型，纤维、 沥青和骨料紧密相连，有效地限制了骨料的滑移，脱落。因此，采用纤维封层耐 磨层施工，极大地提高了路面的耐磨性，有效地延长了路面的使用寿命。 高防水性 结合纤维封层形成的机理可知，其结构为1 层沥青+ l 层纤维+ l 层沥青连续施 工工艺+ 1 层碎石形成的一层物料相互作用的致密网络缠绕结构，2 层沥青的连续 洒布，更加提高了封层的密闭性，加之结构中起到加筋和桥接作用的纤维，纤维 比表面积大，对于前后两层沥青结合料中起到极强的吸附作用，它能非常容易地 吸附沥青中的油分，增加其粘度和粘附力，能明显阻止沥青的流动，在原有路面 上形成一层致密的保护膜，该封层明显地具有更高的防水性能，对沥青起到高温 稳定，增韧阻裂的作用，从而避免了路面高温泛油造成的路面破坏，更好的保护 了道路路基因水渗透的早期破坏，稳定了道路的寿命。 高稳定性 第一章绪论 5 具有独特的网络结构和综合力学性能纤维封层用作沥青路面耐磨层或养护施 工，北方寒冬季节里，纤维封层因为高弹性模量值，延伸力强，其抗拉强度远远 大于温度变化带来的收缩拉应力或拉应变，降低了面层的低温脆裂性，能够有效 的抑制了沥青道路常规裂缝低温收缩裂缝的产生。 施工快捷性 加快养护施工速度、缩短开放交通时间也是衡量道路养护工艺先进性的体现。 纤维封层这种连续施工工艺极大地缩短了沥青道路养护的时间，缩短了开放交通 的时间。纤维封层耐磨层施工后，乳化沥青破乳后1 5 分钟即可开放交通。纤维封 层用作应力吸收中间层( s a m i ) ，比常规的应力吸收中间层更快付诸应用，完成 初摊铺及磨耗层摊铺之后便可立即开放交通，磨耗层甚至还可以稍后再进行摊铺。 二十世纪9 0 年代，美国德州a & m 大学( t e x a sa & m u n i v e r s i t y ) 的一项长达 1 5 年之久、分布于4 个不同国家的性能跟踪试验进一步表明纤维封层能够明显改 善沥青路面的质量： 1 ) 抗拉强度增大3 0 以上； ； 2 ) 抗疲劳性能增大3 0 以上； 3 ) 抗车辙性能增大3 0 0 以上。 具有优良性能的纤维封层工艺，可广泛应用于以下道路施工及养护： k 1 ) 用作新建路基、面层层间粘结应力吸收层，防止反射裂缝； 2 ) 新1 日沥青路面铺设耐磨层，进行预防性养护； 3 ) 各等级公路下封层施工； 孑 4 ) 旧水泥路面改造； 5 ) 桥梁防水层的施工。 1 2 2 国内研究概况 我国的路面预防性养护指通过定期路况调查，及时发现路面轻微破损与病害 迹象，分析研究其产生原因，对症采取保护性养护措施，防止微小病害进一步扩 大，以减缓路面使用性能恶化速度，使路面始终处于良好的服务状态 2 1 。针对沥青 路面出现早期破坏的特点，提出了公路建设与防治相结合的思想，我国已经出现 了一些沥青路面养护维修新材料、新技术和新工艺，目前我国沥青路面主要的预 防性养护措施【7 9 1 有： 同步碎石封层。 微表处和稀浆封层。 热拌沥青混合料薄层罩面。 雾封层。 6 第一章绪论 超薄磨耗层。 与其他封层相比，同步碎石封层与纤维封层的施工技术较为相似，同步碎石 封层是指用专用设备即同步碎石封层车将单一粒径的石料及沥青胶结料( 改性沥 青或改性乳化沥青) 同时洒布在路面上，在轮胎压路机或自然行车碾压下，使胶 结料与石料之间有最充分的表面接触，以达到它们之间最大限度的粘结性，从而 形成保护原有路面的沥青碎石磨耗层，主要作为路面表面处理层使用，也可用于 低等级公路的面层施工。同步碎石封层施工过程中施工机械的布置以及碎石的撒 布厚度都对施工的经济效益和施工效果产生较大的影响i m l 2 】。 有研究表明【9 - 1 0 1 ，同步碎石封层具有良好防水性能、独特的层间排水功能、高 强的层间粘结力和抗剪力、良好的抗裂性和路面防反射裂缝功能、较低工程成本 和延长路面使用寿命以及施工进度快等优点。同步碎石封层主要用于道路的预防 性养护和修复性养护，无论是高速公路还是普通公路都可以使用此项养护新技术。 2 0 0 7 年6 月底，在法国赛格玛公司相关技术人员的协助下，辽宁营口公路处 顺利完成了法国s e c m a i r 赛格玛纤维封层设备的调试，并在辽宁省成功进行了 试验路的铺设，现已开始大规模施工。这是法国纤维封层创新技术在中国的首次 使用，并取得了良好的效果，这一工艺会在全国的公路建设养护中引起一轮新的 技术革命。目前，纤维封层的材料配合比及施工质量控制主要依靠经验法，与同 步碎石封层的施工方法类似，不同之处在于纤维封层在施工时添加了纤维，而同 步碎石封层施工没有添加纤维。有研究表明，对于层状沥青混合料薄层路面层间 容易产生滑移、拥包等病害【1 3 d 5 1 ，由于纤维封层的厚度较薄，在交通量增加、交 通荷载不断增大的情况下，在汽车启动和急刹车时，要求纤维封层层间具有较好 的层间粘结力，同时待养护的路面存在裂缝、麻面等病害，路面的状况较差，纤 维封层要具有很好的抗拉强度，减缓路面裂缝产生的能力。 纤维封层或碎石封层本身存在较多缺陷，1 ) 适用范围方面：一般适用于低、 中交通量道路，在高交通量道路上其性能会受到影响，不适合于较低或特高交通 量等级，主要表现为集料散失和泛油。2 ) 路面噪音方面：纤维碎石封层路面比较 粗糙( 尤其是当集料尺寸较大时) ，比普通沥青混凝土路面具有更大的轮胎噪音。3 ) 日常养护方面：碎石封层路面构造深度较大，外观比较粗糙，容易沉积泥土、灰 尘和降雪等，给日常养护清扫保洁以及冬季除雪防滑等工作带来不利影响。 针对我国沥青路面出现的开裂、渗水等破坏现象，以及纤维封层本身存在的 缺陷，本项目在研究国外纤维封层技术的基础上，提出了一种新型预防性养护技 术纤维增强封层技术，它主要由一层纤维沥青应力吸收中间层( f r - s a m i ) 和其上部磨耗层( 薄层罩面或微表处) 所组成，其结构见图1 3 。这种技术兼具应 力吸收层和薄层罩面的特点，不仅增强了新旧路面间的粘结性能、减缓反射裂缝 第一章绪论 7 的形成，而且有效的改善了路面的服务功能，适用于提高原有沥青路面、桥面铺 装以及水泥混凝土路面的防水性能、抗滑性能以及车辙、平整度的修复工作，这 种技术在2 0 0 8 年云南楚大高速公路上铺筑试验路，到目前为止效果比较良好，是 一种值得推广的新型预防性养护技术。 蕊薄翼微器彩 厂一n ：二 薄层罩面或微表处 ( 餐 f r s a m i 厂 影 。f f ， 鼙 j ? 一 图1 3 纤维增强封层示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ff i b r er e i n f o r c i n gs e a l 1 3 研究的主要内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 鉴于目前国内外对这种技术的材料组成及其技术要求鲜见文献报道，国内有 相关指刮1 6 】也仅是经验总结，没有具体试验研究，其指导性不强。本文主要对纤 维增强封层技术的材料组成进行研究，使其达到最佳的使用性能，并对依托工程 进行跟踪调查，来说明该技术具有良好的推广应用前景。本文主要研究内容有： 薄层罩面类型确定及路用性能研究 对纤维增强封层组成材料性质进行研究，通过对常用的几种薄层罩面类型进 行分析比较，选定最合适的薄层罩面类型。 纤维沥青应力吸收中间层粘结防水性能研究 通过斜剪试验和拉拔试验得到的剪切强度和粘结强度来评价层间粘结性能， 根据粘结性能的大小来确定f r - s a m i 组成材料的最佳用量，并与常用的夹层材料 进行了粘结性能对比。通过暴露轮碾渗水试验和热碾压后抗渗试验对f r s a m i 的 抗渗性能进行研究。 纤维沥青应力吸收中间层对抗反射裂缝性能影响 介绍了反射裂缝的形成机理和防治措施，并对f r - s a m i 的阻裂机理进行分析， 通过室内往复轮碾试验对f r - s a m i 的抗反射裂缝能力进行分析，与常用夹层材料 的抗反射裂缝能力进行对比分析。 8 第一章绪论 依托工程的跟踪分析 对旧沥青路面进行路况调查和评价分析，简单介绍了纤维增强封层的结构设 计和施工工艺，并对试验路进行了检测和分析。 1 3 2 研究的技术路线 本文采用理论分析和室内试验相结合的方法，对纤维增强封层组成材料进行 确定，并对其路用性能进行研究，通过对依托工程的跟踪调差，来说明该技术具 有良好的推广应用前景，技术路线如下： 查阅国内外有关纤维封层或沥青加铺层的文献，了解、掌握了国内外在该 方面的研究成果并对相关资料进行总结归纳，由导师及课题组成员讨论并决定纤 维增强封层研究方案。 通过斜剪试验和拉拔试验来测定层间的粘结性能，确定出f r - s a m i 组成材 料的最佳用量，并通过抗渗试验对其抗渗性能进行研究。 选取常用的夹层材料与f r - s a m i 在粘结性能、防水性能和抗裂性能上进行 对比分析。 通过室内轮载重复试验，来评价纤维增强封层的抗反射裂缝能力。 进行依托工程跟踪调查，简单介绍了纤维增强封层的施工工艺。 第二章纤维增强封层组成材料性质的研究 9 第二章纤维增强封层结构的组成材料性质研究 纤维增强封层( f i b e rr e i n f o r c i n gs e a l ) 是采用专用设备喷洒沥青黏结料的同 时并同步切割喷洒玻璃纤维而形成纤维沥青应力吸收中间层，然后在其上面铺筑 薄层沥青混合料罩面或者直接在其上作碎石封层所形成的一种路面结构。本章主 要介绍纤维增强封层的主要组成：纤维沥青应力吸收中间层组成材料的选择及性 质研究；薄层罩面类型选取及其组成材料性质的研究，并进行薄层沥青罩面配合 比的设计。 2 1 纤维沥青应力吸收中间层( f r - s d 咖) 组成材料性质的研究 纤维沥青应力吸收中间层( f i b e rr e i n f o r c i n gs t r e s sa b s o r b i n gm e m b e r a n e i n t e d a y e r ，简称f r - s a m i ) i t 6 ，是由改性乳化沥青( 或橡胶沥青) 和玻璃纤维等 材料所组成，铺筑在半刚性基层与沥青路面之间或者水泥混凝土与沥青罩面层之 间，以及新旧沥青结构层之间的，具有高变形能力的结构层。它能够吸收裂缝部 位的集中应力，防止沥青路面形成反射裂缝和雨水渗入下层。 2 1 1 改性乳化沥青 乳化沥青是将粘稠石油沥青加热到流动态，经机械力作用，形成粒径为2 5 m m 微滴分散于乳化剂稳定剂的水中，由于乳化剂稳定剂的作用而形成均匀稳定的乳 状澍1 7 】。乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分所组成。沥青是组成 乳化沥青的主要材料，其质量直接关系至u - y l 化沥青的性能。一般选择易乳化的沥 青。乳化剂( 上海龙孚实业发展有限公司m q k 1 d ) 是乳化沥青形成的关键材料， 它是表面活性剂的一种，从化学结构上看，是一种“两亲性 分子，分子的一部 分具有亲水性质，另一部分具有亲油性质。一般分为阳离子型乳化剂和阴离子型 乳化剂，阳离子乳化沥青对各种沥青都可充分乳化，且与各种湿润石料都有很好 的粘附能力，虽然成本比阴离子乳化沥青略高，但应用阳离子乳化沥青已经成为 趋势。为使乳液具有良好的储存稳定性，及具有施工中喷洒或拌和机械作用次数 的稳定性，必要时可加适量的稳定剂。生产乳化沥青的水应不含其他杂质。 改性乳化沥青有喷洒型( p c r ) 和拌和型( b c r ) 两个品种，分别适用于粘层、透 层和桥面防水粘结料和使用于改性稀浆封层和微表处粘结料。纤维沥青应力吸收 中间