聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料在高速公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：

利勇稷（1991—），工程師，主要從事高速公路施工、運(yùn)營(yíng)管理工作。

摘要：文章依托某高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程，探討了聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料的路用性能，對(duì)聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料作為超薄罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果展開綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料的路用性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青和環(huán)氧瀝青混合料，其具有良好的服役質(zhì)量及壽命；聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料作為超薄薄層罩面施工后瀝青路面的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范使用要求，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果表現(xiàn)良好，可在高速公路瀝青路面預(yù)養(yǎng)工程中推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速公路；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)；聚酯纖維；環(huán)氧瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)：U418.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 13 038 3

0 引言

截至2022年年底，我國(guó)高速公路的通車總里程已達(dá)17.7×104 km，高速公路網(wǎng)規(guī)模穩(wěn)居世界第一［1-2］。近年來，隨著服役時(shí)間和交通流量的增長(zhǎng)，且重載超載現(xiàn)象日漸嚴(yán)重，使大部分高速公路瀝青路面都出現(xiàn)了裂縫、車轍等病害問題，如若不及時(shí)采用合理的技術(shù)手段進(jìn)行處治將無法保障高速公路的使用安全及壽命［3-4］。

超薄罩面是一種改善路表功能性能的瀝青混凝土磨耗層材料，一般應(yīng)用于高等級(jí)瀝青路面新建或養(yǎng)護(hù)工程，具有節(jié)能、環(huán)保、減排、低碳、降噪等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的瀝青超薄罩面在服役過程中容易出現(xiàn)削落、脫層、滑移以及裂縫等病害，給瀝青路面的服役質(zhì)量和使用壽命造成嚴(yán)重影響［5-6］。為了改善傳統(tǒng)瀝青混合料超薄罩面的使用性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了采用環(huán)氧瀝青混合料作為超薄罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，并取得了良好的應(yīng)用效果。但通過跟蹤近年來的實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期高溫重載環(huán)境下環(huán)氧瀝青超薄罩面的抗裂及抗變形能力仍有所欠缺［7-8］。聚酯纖維屬于一種穩(wěn)定劑型合成材料，其具有較高的強(qiáng)度與彈性恢復(fù)能力，有利于提升瀝青混合料的抗開裂、抗變形性能［9-10］。基于上述研究背景，本文嘗試在普通環(huán)氧瀝青超薄罩面中添加一定量的聚酯纖維用來解決抗開裂、抗變形能力不足的問題，并對(duì)其路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用工程，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了聚酯纖維環(huán)氧超薄罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果。研究結(jié)果旨在為聚酯纖維環(huán)氧瀝青超薄罩面的推廣與應(yīng)用提供指導(dǎo)與借鑒。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用70#基質(zhì)瀝青和國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青，其中環(huán)氧瀝青由環(huán)氧樹脂、瀝青、固化劑及其他添加劑組成，經(jīng)檢測(cè)兩種瀝青的基本性能指標(biāo)分別如表1、表2所示。

1.2 集料

粗、細(xì)集料均采用堅(jiān)固潔凈的玄武巖碎石。其中，粗集料粒徑選用3～13.2 mm 3檔，針片狀含量＜9%，磨光值＞45，壓碎值＜18%，吸水率＜1.2%，軟石含量＜1.5%；細(xì)集料粒徑選用0～3 mm，表觀密度＞2.55 g·cm-3，砂當(dāng)量＞65%，堅(jiān)固性＜3%。集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2017）要求。

1.3 填料

選用磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，其表觀密度為2.69 g·cm-3，親水系數(shù)為0.68，塑性指數(shù)為3，含水量為0.41%。

1.4 纖維

選用聚酯纖維（PF），其技術(shù)性質(zhì)如表3所示。

2 試驗(yàn)方案

采用SMA-13級(jí)配類型進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，其級(jí)配曲線如圖1所示。聚酯纖維通過采用外摻的方式添加至環(huán)氧瀝青混合料中，纖維摻量參考文獻(xiàn)［8-9］設(shè)計(jì)為0.3%。為了便于表述，試驗(yàn)將不同瀝青混合料分為PT（基質(zhì)瀝青）、ER（環(huán)氧瀝青）、ER+PF（聚酯纖維環(huán)氧瀝青）3組，并根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）（以下簡(jiǎn)稱《試驗(yàn)規(guī)程》）的相關(guān)規(guī)定，采用高溫車轍、低溫小梁彎曲、浸水馬歇爾及凍融劈裂等室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同瀝青混合料的路用性能展開綜合評(píng)價(jià)。

3 瀝青混合料的路用性能評(píng)價(jià)

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用標(biāo)準(zhǔn)試件（300 mm×300 mm×50 mm）分別在60 ℃和70 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行車轍試驗(yàn)。不同瀝青混合料的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，當(dāng)試驗(yàn)溫度為60 ℃時(shí)，PT、ER、ER+PF瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為6 345次·mm-1、15 061次·mm-1、17 858次·mm-1，其中ER+PF混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較于PT與ER分別提高了181.4%、18.5%、5%，說明聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫抗車轍能力。當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)，3種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度則分別為3 210次·mm-1、8 876次·mm-1、10 886次·mm-1，表明混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均滿足《試驗(yàn)規(guī)程》≥3 000的技術(shù)要求，相較于PT和ER瀝青混合料而言，ER+PF的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了239.1%、22.6%，說明摻入一定量的聚酯纖維可以有效改善環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，同時(shí)還有利于降低高溫對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度影響的敏感性。

3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料的低溫抗裂性能采用小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，加載方式采用單點(diǎn)加載，加載速率為50 mm/min。低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，3種瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變從大到小依次表現(xiàn)為：ER+PF＞ER＞PT，而彎曲勁度模量從大到小則表現(xiàn)為：PT＞ER＞ER+PF，相較于PT和ER瀝青混合料而言，ER+PF混合料的彎拉強(qiáng)度分別提高了232.4%、10.1%，最大彎拉應(yīng)變分別提高了20.8%、6.7%，而彎曲勁度模量則分別減小了17.6%、4.2%。3種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足規(guī)范值（＞2 000 με）的要求，其中ER+PF瀝青混合料的低溫抗開裂性能最佳，原因如下：（1）環(huán)氧瀝青中含有一定的樹脂成分，具有良好的彈性變形能力，在低溫車載作用下，環(huán)氧樹脂能很好地發(fā)揮出增韌、阻裂的功效；（2）聚酯纖維的摻入可以緩解瀝青混合料內(nèi)部受力集中問題，增強(qiáng)材料的彈性恢復(fù)和抗開裂破壞能力，因此ER+PF瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫穩(wěn)定性能。

3.3 水穩(wěn)定性

研究采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖4所示。

從圖4可以看出，3種瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比從大到小依次均表現(xiàn)為：ER+PF＞ER＞PT，其中ER+PF混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比較于PT分別提高了5.6%、8.6%，而與ER混合料相比，ER+PF的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比仍分別提高了1.3%、1.4%。這說明ER+PF瀝青混合料的抗水損性能最佳，原因是聚酯纖維耐酸堿且穩(wěn)定性良好，能與瀝青材料充分交織融合，從而有利于增強(qiáng)材料的粘結(jié)特性，因此在長(zhǎng)期的浸水環(huán)境下不易出現(xiàn)界面剝落現(xiàn)象。

綜合瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)可知，環(huán)氧瀝青中的環(huán)氧樹脂和固化劑成分可以很好地提供黏度及穩(wěn)定性，使得瀝青混合料的強(qiáng)度和彈韌性增強(qiáng)，而聚酯纖維均勻加筋于混合料內(nèi)部形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀支撐體系，有利于限制集料滑移，避免應(yīng)力集中，抑制破壞裂紋產(chǎn)生及發(fā)展。因此，3種瀝青混合料中，ER+PF瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)，具有良好的服役質(zhì)量與使用壽命。

4 工程應(yīng)用

某高速公路原瀝青路面的整體情況表現(xiàn)良好，但根據(jù)其路況調(diào)查報(bào)告顯示，該高速公路K26+280～K28+530段瀝青路面存在不少裂縫、車轍等損害。為了保障路面的行駛安全及質(zhì)量，避免路面結(jié)構(gòu)加劇損壞，管養(yǎng)單位決定采用聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料作為超薄罩面對(duì)損害路段進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)施工。相關(guān)工后檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可知，經(jīng)施工后ER+PF瀝青路面的滲水系數(shù)與平整度均低于ER和PT瀝青路面，說明聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料的防水滲透性能最佳，其作為罩面處治后瀝青路面的密水性及平整度都有明顯的提升；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)后ER+PF瀝青路面的構(gòu)造深度和擺值（BPN）均優(yōu)于ER和PT瀝青路面，說明聚酯纖維環(huán)氧瀝青路面的抗滑性能優(yōu)良。另外，在ER+PF瀝青混合料罩面施工半年及一年半后，管養(yǎng)單位分別對(duì)其施工路段進(jìn)行了復(fù)檢，檢測(cè)結(jié)果表明ER+PF瀝青路段的平整度、抗滑性、密水性等指標(biāo)均滿足規(guī)范使用要求，且車轍深度均lt;3 mm，即工程預(yù)防性養(yǎng)護(hù)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)語

本文研究了聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料的路用性能，并結(jié)合某高速公路瀝青路面實(shí)際預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程，針對(duì)聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料作為罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）相較于基質(zhì)瀝青和環(huán)氧瀝青混合料，聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能更優(yōu)。

（2）由于環(huán)氧瀝青中的環(huán)氧樹脂和固化劑成分能夠有效增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度和彈韌性，而聚酯纖維在瀝青混合料中充分發(fā)揮了加筋、阻裂、分散、增韌等作用，故聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料具有良好的服役質(zhì)量及壽命。

（3）根據(jù)實(shí)際養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用結(jié)果表明，聚酯纖維環(huán)氧瀝青混合料作為罩面施工后瀝青路面的平整度、抗滑性、密水性等指標(biāo)均滿足規(guī)范使用要求，其預(yù)防性養(yǎng)護(hù)效果良好，可在高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中推廣與應(yīng)用。

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