李華平

(珠海市工程監(jiān)理有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引 言

有軌電車與城市道路的平交口處對城市的道路通行能力及舒適性有較大影響，目前軌道交通與道路平交口處普遍采用水泥混凝土填筑。由于水泥混凝土的脆性與剛度大，通行車輛經(jīng)過平交口時會引起較大的振動和噪音，影響過往車輛的行車舒適性，同時也降低了電車的行駛速度。此外，由于電車軌道導(dǎo)熱較快、溫度較高，即使鋪筑普通瀝青混合料也不能滿足軌道與道路交界面應(yīng)具備的耐高溫性能以及抗沖擊性[1-4]。

伍劍奇等研究認(rèn)為，將聚酯纖維摻入瀝青混凝土中可有效提高其各項路用性能[5]；張增平、李志宏等的研究表明，環(huán)氧瀝青因其強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞性能好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于橋面鋪裝，可顯著提高橋面的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及抗疲勞性[6-7]?；诖耍疚木C合環(huán)氧瀝青良好的高溫穩(wěn)定性與纖維混合料優(yōu)異的柔韌性[8-11]，提出采用摻加纖維的環(huán)氧瀝青混凝土對平交口道面進(jìn)行材料組成設(shè)計，并對平交口道面的抗高溫形變、抗水損害以及抗沖擊性進(jìn)行評價，為道路與軌道平交口鋪裝提供應(yīng)用參考。

1 纖維環(huán)氧瀝青混凝土材料組成設(shè)計

1.1 原材料的技術(shù)性質(zhì)

1.1.1 環(huán)氧瀝青

已有研究及實踐表明，環(huán)氧瀝青混合料具有強(qiáng)度高、韌性好、溫度敏感性小、水穩(wěn)定性好及抗疲勞性能良好等普通瀝青混合料無法比擬的優(yōu)勢[12-13]。本文采用日產(chǎn)環(huán)氧樹脂、固化劑(樹脂和固化劑的質(zhì)量比為6∶4)混合制成環(huán)氧膠黏液后，再將環(huán)氧膠黏液與SBS改性瀝青按照4∶1的質(zhì)量比混合制成環(huán)氧瀝青，環(huán)氧瀝青及SBS改性瀝青的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1、2。

選用玄武巖作為電車軌道與路面平交口環(huán)氧瀝青混凝土的集料，礦粉材質(zhì)為石灰石。集料與礦料的各項技術(shù)指標(biāo)分別見表3、4，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 環(huán)氧瀝青基本技術(shù)性質(zhì)

表2 SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

表3 集料技術(shù)性質(zhì)

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

1.1.3 纖 維

聚酯纖維具有優(yōu)異的抗拉伸強(qiáng)度及耐高溫性能，并且與瀝青有很強(qiáng)的親和性[14]。將聚酯纖維應(yīng)用于瀝青混凝土中，可有效抑制瀝青混凝土的開裂和剝落[15]。本文選取瀝青混合料中的纖維摻量為0.2%，纖維部分技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 聚酯纖維技術(shù)性質(zhì)

1.2 環(huán)氧瀝青混合料的配合比設(shè)計

1.2.1 礦料級配設(shè)計

礦料級配參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)推薦的AC-13C型級配，以級配中值為基準(zhǔn)并結(jié)合平交口道面特殊位置與結(jié)構(gòu)，對其配比進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)氧瀝青混合料礦料級配組成設(shè)計

1.2.2 最佳瀝青用量

環(huán)氧瀝青混合料是一種反應(yīng)型混合料，與普通混合料存在較大差異，其馬歇爾穩(wěn)定度以及礦料間隙率等常不滿足馬歇爾試驗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此環(huán)氧瀝青混合料不宜直接用馬歇爾穩(wěn)定度確定其最佳油石比。在南方濕熱地區(qū)，空隙率對于路面耐久性的影響非常關(guān)鍵，混合料的透水性、抗疲勞、抗永久變形、抗老化、抗水損壞等重要性能與空隙率指標(biāo)密切相關(guān)，因此結(jié)合美國Superpave設(shè)計方法以空隙率指標(biāo)作為環(huán)氧瀝青混合料油石比的設(shè)計依據(jù)。

成型2組馬歇爾試件，一組固化，另一組未固化，選取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%及6.5%五種不同的油石比，測定相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表7、8所示。

從表2可以看出，實驗組學(xué)生在出科考核中的理論知識、操作技能、臨床思維方面均優(yōu)于對照組學(xué)生，由此得出結(jié)論，采用虛擬技術(shù)輔助教學(xué)模式的實驗組教學(xué)效果明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的對照組。從表3 可以看出，在教學(xué)滿意評價調(diào)查問卷中，實驗組的各項滿意度評價均高于對照組。

表7 固化試件的馬歇爾技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

注：VV為空隙率；VMA為礦料間隙率；VFA為有效瀝青飽和度。

參照相關(guān)資料，以2.2%作為設(shè)計空隙率，結(jié)合內(nèi)插法得出2組試件對應(yīng)的瀝青用量分別為5.09%、5.23%，取平均值5.2%為最佳瀝青用量。

表8 未固化試件的馬歇爾技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

2 纖維環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗對纖維環(huán)氧瀝青混凝土的高溫性能予以評價，并與普通瀝青混凝土、未摻纖維的環(huán)氧瀝青混凝土的高溫性能進(jìn)行對比，結(jié)果如表9及圖1所示。

表9 不同瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

圖1 不同瀝青混合料車轍深度隨時間的變化規(guī)律

由試驗結(jié)果可知，3種不同瀝青混合料的動穩(wěn)定度差異較大。環(huán)氧瀝青混凝土的動穩(wěn)定度顯著高于普通瀝青混凝土，提高了約12倍，原因在于環(huán)氧瀝青本身固化后形成一種熱固性物質(zhì)，高溫下抗軟化，因此能夠提高普通瀝青混凝土的高溫性能。環(huán)氧瀝青摻加纖維后，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，纖維環(huán)氧瀝青混凝土動穩(wěn)定度較環(huán)氧瀝青混凝土提高約27%，較普通瀝青混凝土提高約110%；究其緣由是因為聚酯纖維本身的熔點(diǎn)較高，且纖維吸附多余的自由瀝青，提高混凝土的整體穩(wěn)定性，起到“橋接加筋”作用。結(jié)合環(huán)氧瀝青高溫固化的優(yōu)勢，兩者綜合作用使纖維環(huán)氧瀝青混凝土的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于其他瀝青混凝土。另外，由圖1可知：在60 min期間，普通瀝青混凝土的車轍深度整體較高，其次為環(huán)氧瀝青混凝土；隨著時間的增加，普通瀝青混凝土的車轍深度增加速率遠(yuǎn)高于其他兩類瀝青混凝土，纖維環(huán)氧瀝青混凝土車轍深度的增加速率最小，表明摻加纖維后瀝青混凝土的抗高溫變形性能大幅提高。

2.2 水穩(wěn)定性能

纖維環(huán)氧瀝青混凝土的抗水損害能力對于道路平交口處的耐久性也至關(guān)重要，采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗來評價纖維環(huán)氧瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，并與另外兩類混凝土進(jìn)行對比，結(jié)果如表10所示。

試驗結(jié)果表明，3種類型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均符合規(guī)范要求。與普通瀝青混合料相比，環(huán)氧瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度顯著提高，且摻入纖維后的環(huán)氧瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度較未摻纖維的提高了約6%，較普通瀝青提高了20%，表明纖維環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最為優(yōu)越。這一方面是因為環(huán)氧瀝青發(fā)生固化反應(yīng)后使得混合料的空隙率減小，并且60 ℃下環(huán)氧瀝青可能進(jìn)一步固化；另一方面纖維的加筋作用促進(jìn)混合料集料的整體性加強(qiáng)，從而最終提高了浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度。從凍融劈裂強(qiáng)度比試驗結(jié)果可知，纖維環(huán)氧瀝青的劈裂強(qiáng)度比達(dá)到了92.7%，遠(yuǎn)高于其他兩類瀝青混合料，較普通瀝青和環(huán)氧瀝青分別增加22%、9%，表明在聚酯纖維和環(huán)氧瀝青的共同作用下，瀝青混合料的抗水損害性能得到明顯的改善。對比凍融劈裂強(qiáng)度比不難發(fā)現(xiàn)，纖維環(huán)氧瀝青的凍融劈裂強(qiáng)度比衰減程度僅為4%，而普通瀝青的2次凍融強(qiáng)度比衰減程度達(dá)到了13%，證明在凍融循環(huán)次數(shù)增加的情況下，摻加纖維的環(huán)氧瀝青的抗水損害性能明顯優(yōu)于其他混合料。

表10 混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

2.3 抗沖擊性能

過往車輛從城市道路過渡至道路平交口時，平叉口道面受輪胎不斷的沖擊作用，內(nèi)部微細(xì)裂縫會經(jīng)歷誘發(fā)、擴(kuò)展、恢復(fù)及再誘發(fā)、再擴(kuò)展等不斷循環(huán)，最終使路面發(fā)生破壞，而破壞荷載強(qiáng)度、材料使用壽命與路面材料或鋪裝結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。本文在借鑒水泥混凝土路面抗沖擊試驗的基礎(chǔ)上，采用美國ACI544委員會提出的“落錘法”抗沖擊試驗，評價纖維環(huán)氧瀝青混凝土的抗沖擊性能。瀝青混合料的抗沖擊試件為高64 mm、直徑150 mm的圓柱體試件，采用初裂沖擊次數(shù)N1、破壞沖擊次數(shù)N2、初裂和破壞沖擊次數(shù)差值ΔN以及沖擊功W來表征瀝青混合料的抗沖擊性能，結(jié)果見表11及圖2。

表11 不同瀝青混合料的抗沖擊性能結(jié)果

圖2 不同類型瀝青混合料的抗沖擊次數(shù)

從結(jié)果可以看出，與普通瀝青混凝土相比，環(huán)氧瀝青混凝土的初裂沖擊次數(shù)與終裂破壞次數(shù)均有所增加，環(huán)氧瀝青混凝土的ΔN達(dá)到了128，比普通瀝青混凝土提高了約70%，這表明環(huán)氧瀝青混凝土不僅能夠延緩裂縫的出現(xiàn)，而且可以推遲裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，即提高混合料抵抗沖擊動載的能力。摻加纖維后，纖維環(huán)氧瀝青混凝土的初裂與終裂沖擊次數(shù)分別為3 583和3 764，與環(huán)氧瀝青混凝土相比提高了76%、74%，與普通瀝青混凝土相比提高了103%、104%。另一方面，環(huán)氧瀝青混凝土的沖擊功達(dá)到71.83 J，較環(huán)氧瀝青混凝土和普通瀝青混凝土分別提高了65%、94%。這充分說明摻加纖維能進(jìn)一步改善瀝青混合料的抗沖擊能，其原因在于，纖維在混合料的集料間起“橋接”作用，當(dāng)試樣受到?jīng)_擊動載時，纖維的韌性以及纖維被拉斷拔出抵消了一部分沖擊功，另外聚酯纖維超高的模量值及延伸變形能力會進(jìn)一步防止裂紋的產(chǎn)生與延伸，從而提高混合料整體的抗沖擊性能。

3 電車軌道與城市道路平交口鋪裝

依據(jù)本文的設(shè)計配合比，取熱料倉中的集料進(jìn)行篩分，適當(dāng)調(diào)整礦料配比，并據(jù)此進(jìn)行性能驗證試驗，得到最終的生產(chǎn)配合比，即：1#倉(12～16 mm)、2#倉(6～11 mm)、3#倉(3～6 mm)、4#倉(0～3 mm)、礦粉的質(zhì)量比為29∶28∶10∶30∶3，最佳油石比為4.7%。

電車軌道與城市道路平交口鋪裝層分3層，其類型和鋪設(shè)厚度由下至上依次為：25 cm水泥混凝土基層、8 cm AC-20型高模量改性瀝青混凝土、4 cm AC-13型纖維環(huán)氧瀝青混凝土。在水泥混凝土基層與高模量改性瀝青混凝土層間、高模量改性瀝青混凝土與纖維環(huán)氧瀝青混凝土層間均灑布乳化瀝青黏層油，灑布量為0.8 L·m-2。

4 結(jié) 語

(1)由于南方具有濕熱的氣候特點(diǎn)，不宜采用馬歇爾設(shè)計方法對環(huán)氧瀝青混合料組成進(jìn)行設(shè)計，推薦以設(shè)計空隙率指標(biāo)作為最佳油石比確定的依據(jù)。

(2)環(huán)氧瀝青能改善普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，在一定纖維摻量下，聚酯纖維與環(huán)氧瀝青的共同作用可進(jìn)一步提高普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，尤其可使普通瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力提高110%。

(3)有軌電車平交口道面的抗沖擊性能對其使用質(zhì)量及壽命十分重要，環(huán)氧瀝青與普通瀝青相比抗沖擊性能提高至60%左右，摻加纖維后抗沖擊性能進(jìn)一步顯著提升，彰顯出纖維優(yōu)良的阻裂效果。

(4)經(jīng)實際工程路段鋪裝驗證，纖維環(huán)氧瀝青混凝土可應(yīng)用于城市道路與電車軌道平交口處，并提高了該路段的路用性能。