纤维微表处技术性能研究

主要研究了纤维掺量对微表处混合料施工性能和路用性能的影响，研究结果表明，聚丙烯纤维的掺加可显著提高微表处混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及抗松散性能和抗滑耐久性，基于以上研究推荐聚丙烯改性微表处混合料的最佳聚丙烯掺量为0.1%～0.2%。...



前言

自2000年我国首次使用微表处技术以来，短短十几年时间，在全国20多个省份的高速公路养护中得到了广泛应用。然而，近年来随着微表处铺筑工程的增多和研究的不断深入发现，微表处并没有达到预期的效果，铺筑微表处的路面也出现了以下问题:抗裂性较差，不能满足重交通量的要求，导致微表处路面使用寿命缩短;用于填补较厚的车辙时，不能有效地抵抗车辙变形等，从而大大限制了该技术在我国预防性养护中的推广和应用。一般提高微表处混合料性能指标有3种途径:①改善沥青结合料粘结特性来提高混合料的粘结力，如采用SBS改性沥青;②通过提升集料品质或改善骨料级配来提升微表处混合料的路用性能，如对集料的压碎值、磨光值、棱角性以及混合料级配提出要求;③通过在微表处混合料中加入纤维等加筋材料来改善混合料的整体强度。本文主要研究了聚丙烯纤维对微表处混合料技术性能的影响。

主要原材料性能

改性乳化沥青

微表处主要用于新建或改建路面的磨耗层、罩面和抗滑表层等。由于其使用条件的特殊性，要求改性乳化沥青应具有良好的粘结性、感温性与弹性等，以提高与集料的粘结力、改善路用性能。微表处必须选用阳离子型聚合物改性乳化沥青，其性能应满足相应规范中关于乳化沥青的技术要求。

集料

微表处混合料中集料占主要部分，其质量高达90%以上，因此集料质量的好坏直接影响着微表处路用性能。微表处常用做高等级公路的路面表层，直接与车辆荷载相接处，要求具有良好的抗滑、耐磨耗性能、耐久性，这就要求集料选择时其质量必须满足相应规范中各项指标，选用强度高、硬度大、棱角多、耐磨耗性好的集料。本文粗集料采用玄武岩，细集料选用石灰岩。经检测各项技术指标均满足规范要求。

纤维

沥青混合料掺加纤维后，其力学性能可以明显得到改善。由于聚丙烯纤维耐温比较低、价格低廉、应用广泛，故本章微表处所用纤维均采用KWS—A3聚丙烯纤维。

纤维对微表处混合料性能施工性能的影响研究

拌合试验

拌合试验主要用于确定微表处混合料的可拌合时间和成浆状态，从而为最佳油石比的选择提供依据。为了评定掺加纤维对混合料外加水量的影响，选择油石比7.5%和不同纤维掺加量进行拌合试验。试验时纤维、外加水和水泥均通过外掺法进行添加。

纤维掺量在0～0.10%范围内时，混合料外加水量随着纤维用量的增加而增加;超过0.10%后外加水量不再增加，趋于稳定。其中纤维掺量为0.10%时，拌合时间最为适宜。

粘聚力试验

微表处混合料最大的优势之一就是能够快速开放交通，规范规定微表处混合料摊铺完成1h后开放交通，这对其早期强度提出了较高要求。微表处混合料的初凝时间和开放交通时间主要通过粘聚力试验来评价，其值大小对微表处是否能够满足快速开放交通的要求具有重要影响。其中纤维微表处混合料的矿料级配采用MS—3型级配中值、纤维掺量为0.10%。

可以看出，普通微表处混合料中掺加纤维后，粘聚力有所增强，但强度差异性不大，30、60min粘聚力值分别提高8.87%和4.89%，则说明纤维微表处同样可以满足微表处快速开放交通的要求。

纤维微表处混合料路用性能研究

纤维掺量对微表处混合料湿轮磨耗试验的影响

规范微表处混合料配合比设计时需进行湿轮磨耗试验，以检测其抗磨耗性和抗水损坏能力。规范规定微表处混合料浸水1h，湿轮磨耗值不大于540g/m2、浸水6d，湿轮磨耗值不大于800g/m2。变化水泥掺量分别做1h、6d湿轮磨耗试验。变化乳化沥青用量为7.0%和7.5%，每个乳化沥青用量下从0%～0.25%间隔0.05%变化纤维掺量。

可以看出:

①纤维的添加可减小磨耗质量损失，提高微表处混合料的抗磨耗能力。②随着纤维用量的增加湿轮磨耗值先减小后增加，表明在一定纤维用量范围内纤维可有效提高微表处混合料的抗磨耗能力，纤维掺量较小时纵横交错的纤维可以对微表处混合料起到加筋作用，当纤维用量达到最佳掺量时，进一步增加纤维用量，纤维在微表处混合料内部的分散均匀性开始下降，导致没有分散开的纤维在混合料内部出现接团现象，在混合料内部形成薄弱面。因此可以通过磨耗试验初选最佳纤维掺量。③比较两种乳化沥青用量下的最佳纤维掺量可以发现，随着乳化沥青用量的增加，最佳纤维掺量也呈增大趋势。

纤维掺量对微表处混合料抗松散性能的影响

参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0733－2011)关于SMA、OGFC抗松散能力的评价方法，本文采用肯塔堡分散试验对泡沫沥青冷再生混合料的抗松散性能进行了研究。

试验时固定乳化沥青用量为7.5%，水泥掺量为2%，变化纤维掺量为0%、0.05%、0.1%、

0.15%、0.2%、0.25%，一个纤维掺量共成型8个马歇尔试件，60℃养生2d后将试件随机分为两组，一组用于常温飞散试验，另一组试件首先在25℃水浴中放置了6d，然后进行飞散试验，试验结果见图。

由试验结果可知道:加入纤维可以改善微表处混合料的抗松散性能，尤其是对浸水后微表处混合料抗松散性能有较显著的改善作用。此外随着纤维掺量增加微表处混合料的飞散质量损失率减小，当纤维掺量超过0.15%后纤维掺量其对微表处混合料抗松散性能的改善作用趋于平稳。

纤维掺量对微表处混合料长期使用性能的影响

为了研究纤维掺量对微表处混合料长期使用性能的影响，本文采用了MMLS3小型加速加载设备对模拟的路面结构进行了加速加载试验，从而间接评价出不同纤维掺量下微表处混合料长期使用性能的优劣。本文加速加载试验时，采用标准轴载(0.7MPa)。试验温度为60℃，加载速率采用6000次·h－1。变化纤维掺量0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%，固定水泥掺量为2%。成型直径152.4，高95.3标准大马歇尔试件，60℃烘箱中养生2d后取试件中间5cm部分用于加速加载试验，每个纤维掺量的试件各3个。MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各加载试件的车辙深度，进而得到试件车辙深度随加载次数的变化规律。

 

试件车辙深度随加载次数的变化规律

北美研究结果表明，车辙的形成可分为3个阶段，即初始压密阶段、蠕变稳定阶段、剪切失稳阶段。为了直观对比不同纤维掺量下微表处混合料的车辙发展深度随加载次数的变化规律，对不同加载次数作用下的混合料试件车辙深度进行研究。

由试验结果可知:前5万次荷载作用下，车辙的发展速度较快，加载5万次时的变形量几乎占总车辙深度的60%，从车辙的成因分析，这部分车辙主要来源于微表处混合料的压密变形。随后随着加载次数增加混合料变形趋于稳定，混合料进入固结蠕变阶段。比较蠕变阶段的车辙变化率可以发现，纤维掺量0.2%和0.25%两者的车辙变形量随加载次数的变化规律几乎一样，变形曲线甚至出现了重叠。因此，从微表处混合料的抗车辙能力以及工程的经济性考虑，本文建议微表处混合料中聚丙烯纤维的掺量不宜超过0.2%。

试件隆起变形

试验中发现，随着加载次数的增加，混合料试件在试验轮作用下因抗剪能力不足而产生剪切失稳破坏，与此同时，试件两端随加载次数的增加逐渐隆起。对不同纤维掺量的微表处混合料试件隆起高度进行了测量，以反映试件的隆起高度随加载次数的变化。

可以发现:随着先问掺量的增加试件两端的隆起高度有减小趋势，这主要与纤维的加筋、稳定、粘结作用有直接关系。当纤维掺量超过0.25%时可能由于纤维在混合料内部分散不均匀，而造成其在混合料内部结团等现象，进而出现随着纤维掺量的进一步增加微表处混合料的高温抗剪切性能并不能得到显著改善，考虑到工程的经济性和微表处混合料高温性能抗变形能力，建议微表处混合料最佳纤维掺量范围为0.15%～0.2%。

纤维掺量对微表处抗滑性能的影响

微表处混合料通常作为路面结构的抗滑表层，其抗滑耐久性对行车安全起到至关重要的作用。采用不同纤维掺量的微表处混合料试件进行试验，记录不同加载次数下经过MMLS3试验轮磨耗作用后轮痕处微表处混合料试件抗滑性能随加载次数的衰变规律。

由试验结果可知:可知随着纤维掺量的增加微表处混合料的构造深度和摆值衰减幅度减小，MMLS3试验轮作用5万次后，不掺纤维微表处混合料BPN仅为0.2%纤维掺量下的50%，同样加载5万次后不掺纤维微表处混合料造深度不足0.2%纤维掺量下的3/5。因此掺加纤维可提高微表处混合料的抗滑耐久性，提高行车安全性。此外，比较不同纤维掺量下的抗滑性能衰变规律可以发现，0.2%纤维掺量可获得较好的抗滑性能和经济效益。

纤维掺量对微表处混合料低温抗裂性能的影响

在我国寒冷地区，沥青路面的开裂现象十分普遍，微表处混合料在我国北方地区的推广应用过程中也同样面临着低温抗裂性的考验。因此有必要研究微表处混合料的低温抗裂性能，从而提高微表处混合料的区域适用性。本文采用低温小梁弯曲试验来研究纤维掺量对微表处混合料低温抗裂性的影响。

乳化沥青用量7.5%，水泥掺量2%，变化纤维掺量为0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%，成型双层车辙板。60℃养生2d，待车辙板冷却后切割40×40×250mm小梁试件。试验前将试件放在－10℃恒温环境箱中保温不少于4h，试验时采用单点加载方式，支点间距200mm，加载速率为50mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

试验结果表明，掺加纤维后微表处混合料具有较好的低温抗裂性能，不掺加纤维，最大弯拉应变2187.05με，不能满足规范2800με要求，仅0.1%纤维掺量可使其最大弯拉应变提高到2826.32με，此外在0.05%到0.25%范围内随着纤维掺量的增加最大弯拉应变呈增大趋势，表明随着纤维的添加确实增加了微表处混合料的低温抗裂性能。

结论

纤维的掺加不会对微表处混合料的施工和易性造成影响。加入纤维可显著改善微表处混合料的高温稳定性、抗滑耐久性、抗松散能力和低温抗裂性，结合本文纤维对微表处混合料施工性能和路用性能的研究，本文推荐微表处混合料中聚丙烯纤维的最佳掺量为0.1%～0.2%。

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