曹 煒，王世昌，商德望，彭 庚，張碩周，徐立廷

（1.北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102613；2.北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3. 濮陽市公路管理局，河南 濮陽 457000；4.殼牌（中國）有限公司，北京 100004）

引言

目前，微表處作為常用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施在高速上大規(guī)模使用，但在路面使用后發(fā)現(xiàn)微表處使用壽命相對(duì)較短，且微表處易出現(xiàn)抗裂性、抗變形性能不足等問題，尤其在一些低溫高寒地區(qū)，由于氣候問題和冬天氣溫低的影響，普通微表處路面經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生裂縫和開裂等病害。因此，需要微表處具有優(yōu)良的抗裂性、水穩(wěn)性和抗變形等路用性能。纖維微表處具有優(yōu)良的抗裂性能，且與普通微表處相比，纖維微表處的不同之處在于其摻加了纖維，纖維具有改變?yōu)r青膠體結(jié)構(gòu)的能力。因?yàn)槔w維的吸附、穩(wěn)定和多向加筋作用，能夠提高微表處混合料的高溫、低溫抗裂性能和減少反射裂縫，延長微表處的使用壽命。因此，選取聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維進(jìn)行試驗(yàn)。通過對(duì)比分析4種纖維微表處的抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍變形性能和低溫抗裂性能，優(yōu)選出最佳纖維微表處，并結(jié)合港珠澳高速工程的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證其使用效果。

1 試驗(yàn)材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)選用70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青指標(biāo)

1.2 乳化劑及其他添加劑

改性乳化瀝青中的乳化劑采用MQ3，改性劑采用SBR 膠乳改性劑，其他添加劑為鹽酸調(diào)節(jié)劑、水等。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、原材料特性及施工條件，專門配制適用于纖維微表處的乳化瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表2。由表2 可看出，配制的乳化瀝青貯存穩(wěn)定性優(yōu)異，達(dá)到0.03%/d，5 d 為2.3%，遠(yuǎn)高于規(guī)范《公路瀝青路面微表處設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB62T 3129—2017）要求及同類產(chǎn)品。

表2 SBR 改性乳化瀝青指標(biāo)

1.3 石料及其他材料

石料采用玄武巖粗集料、石灰?guī)r粉料，選用C45普通硅酸鹽水泥，石料指標(biāo)見表3。

表3 石料指標(biāo)

1.4 纖維種類及選擇

目前國內(nèi)路面一般所用纖維為聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，性能指標(biāo)見表4。

表4 纖維分類及指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

級(jí)配設(shè)計(jì)選用MS-3 型，見圖1。其中 5 ～10 mm、3 ～5 mm、0 ～3 mm 石料和礦粉按照比例（17.5 ∶30 ∶51 ∶1.5）配制成微表處混合料，因此，礦料的合成級(jí)配設(shè)計(jì)值選取MS-3 型的級(jí)配中值。

圖1 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.2 油石比確定

研究選取6.0%、6.5%、7.0%、7.5%和8.0%的油石比進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果見表5、表6。可知，當(dāng)微表處混合料的油石比在6.5%、7.0%、7.5%和8.0%時(shí)，其濕輪磨耗值、負(fù)荷黏砂值、寬度變化率和黏聚力值均滿足技術(shù)要求。

表5 濕輪磨耗試驗(yàn)與負(fù)荷黏砂試驗(yàn)結(jié)果

表6 輪轍變形試驗(yàn)和黏聚力試驗(yàn)結(jié)果

為了避免常規(guī)配合比設(shè)計(jì)確定的最佳油石比范圍太寬等問題，在常規(guī)試驗(yàn)方法確定的最佳油石比范圍內(nèi)，通過引入小梁彎曲試驗(yàn)精確計(jì)算微表處混合料最佳油石比，小梁試驗(yàn)初選乳化瀝青用量為6.5%、7%、7.5%、8%。

成型步驟：（1）拌和好纖維、水泥和礦粉；（2）加入定量的水，攪拌后添加乳化瀝青，攪拌均勻后即可得到纖維微表處混合料；（3）將拌和均勻的纖維微表處混合料攤鋪在車轍試模內(nèi)，常溫條件下放置 30 min 后，碾壓成型得到車轍板；（4）將車轍板置于60℃烘箱中養(yǎng)生1 d，取出車轍板并冷卻16 h后切割小梁試件，尺寸為 250 mm × 30 mm × 35 mm。根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中低溫彎曲試驗(yàn)要求，測試不同油石比下小梁試件的彎拉應(yīng)變，結(jié)果見表7。考慮到施工和易性以及經(jīng)濟(jì)效益，纖維微表處混合料最佳油石比為7.5%。

表7 纖維微表處混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 不同纖維微表處的性能對(duì)比

通過對(duì)原材料性能和級(jí)配設(shè)計(jì)，纖維微表處混合料所用油石比為 7.5%，用水量為 4.5%，水泥摻量為1.5%。

為了研究纖維摻量對(duì)微表處混合料的性能影響，在確定級(jí)配及最佳油石比情況下，以SBR 改性乳化瀝青、4種纖維（聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）等原材料成型試件并測定其抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍變形性能和低溫抗開裂性能。其中纖維摻量選用0.10%、0.20%和0.30%，并與無纖維普通微表處進(jìn)行性能對(duì)比。

3.1 抗磨耗性能對(duì)比

表8 和圖2 為纖維微表處1 h 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果。

表8 1 h 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

圖2 1 h 濕輪磨耗值對(duì)比

從表8 和圖2 中看出：相比無纖維的微表處，0.10%纖維摻量下微表處的1 h 濕輪磨耗值減小了，且隨著纖維摻量的提高，纖維微表處的1 h 濕輪磨耗值也隨之提高?？梢钥闯觯煌w維對(duì)微表處的抗磨耗性能提升程度從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

3.2 抗水損性能對(duì)比

表9 和圖3 為纖維微表處6 d 的濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果。

表9 6 d 濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果

圖3 6 d 濕輪磨耗值對(duì)比

分析表9 和圖3 可知：（1）纖維微表處的6 d濕輪磨耗值隨著纖維摻量的提高而增加。（2）當(dāng)纖維摻量在0.10%時(shí)，4 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均比無纖維的微表處的低。（3）當(dāng)纖維摻量在0.20%時(shí)，除玄武巖纖維外，其他3 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均超過無纖維的微表處。（4）當(dāng)纖維摻量在0.30%時(shí)，4 種纖維微表處的6 d 濕輪磨耗值均大于無纖維的微表處。4 種纖維對(duì)微表處抗水損害性能的提高從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

3.3 抗車轍變形性能對(duì)比

表10 和圖4 為纖維微表處的輪轍寬度變形試驗(yàn)結(jié)果。

表10 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖4 抗車轍試驗(yàn)值對(duì)比

分析表10 和圖4 可知：（1）4 種纖維微表處的動(dòng)穩(wěn)定度值隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)先上升后減小趨勢，當(dāng)纖維摻量為0.20%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度最大。（2）相同纖維摻量下，4 種纖維微表處的抗車轍變形能力的提升效果從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維。

3.4 低溫抗裂性能對(duì)比

表11 和圖5 為纖維微表處低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

表11 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果

圖5 低溫開裂試驗(yàn)值對(duì)比

從表11 和圖5 中可以看出：（1）相比無纖維微表處，4 種纖維微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變均得到提高，且其值隨纖維摻量的提高而增大，說明纖維微表處的低溫抗裂性能更好。（2）當(dāng)摻加的纖維種類不同，纖維微表處的最大彎拉應(yīng)變值也不同，即其低溫抗裂性能也不同，4 種纖維對(duì)微表處的低溫抗裂性能提升程度由大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。

綜合上述各項(xiàng)指標(biāo)的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)纖維摻量在0.20%，纖維微表處混合料的各項(xiàng)性能相比普通微表處均表現(xiàn)優(yōu)異，且玄武巖纖維微表處的各項(xiàng)性能相比其它3 種纖維微表處更為優(yōu)越。因此，在實(shí)際工程鋪筑玄武巖纖維微表處。

4 工程應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

京港澳高速公路（G4）是北京通往石家莊直至廣州、深圳的國家級(jí)干道，北京段高速公路全長45.307 km，大部分路段為雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 ～120 km。作為北京西南部重要的通道，每日車流量巨大，在長期車輛作用下，路面出現(xiàn)微裂縫等病害。因此，對(duì)京港澳高速K0+300—K9+900 路段進(jìn)行全段綜合治理，結(jié)合道路技術(shù)狀況指標(biāo)，堅(jiān)持精品理念，按照最新建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)成果，計(jì)劃選取K9+000—K9+300 試驗(yàn)段實(shí)施優(yōu)選的玄武巖纖維微表處，原材料包括基質(zhì)瀝青、乳化劑、SBR 膠乳、石料和玄武巖纖維。

4.1.1 現(xiàn)況道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級(jí)：高速公路主線設(shè)計(jì)速度：120 km/h；道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙向6 車道，主路單幅路面寬為0.5 m +3.75 m×3+0.5 m =12.25 m，內(nèi)側(cè)為超車道，中間和外側(cè)為行車道。

4.1.2 舊路結(jié)構(gòu)調(diào)查

舊路自上而下結(jié)構(gòu)組成依次為 SMA-16（5 cm）、中粒式瀝青混合料 AC-20（6 cm）、粗粒式混凝土（4.5 cm）、黑色碎石（7 cm）、石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫（40 cm），石灰砂礫（20 cm）。

4.1.3 年平均日交通量

根據(jù)京港澳高速岳各莊橋西站點(diǎn)交通量觀測數(shù)據(jù)，京港澳高速K0+300—K9+900 年平均日交通量絕對(duì)值為53 856 輛/日，屬于特重交通量等級(jí)。

4.2 施工條件

北京市屬中緯度地區(qū)，受西風(fēng)帶影響，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。工程施工位置處于北京市京港澳高速，計(jì)劃于3 至7 月進(jìn)行，天氣影響較小，有大小河流200余條，主要有永定河、潮白河、北運(yùn)河、拒馬河、泃錯(cuò)河五大河流，多屬海河水系。本工程在高速公路上施工，車輛行駛通暢，交通較方便。地上有部分上跨橋梁及高壓線，經(jīng)調(diào)查限高及安全施工高度均符合要求；地下管線及其他構(gòu)筑物等經(jīng)調(diào)查均不影響施工。

4.3 路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，京港澳高速公路K0+300—K9+900 病害主要是縱橫向裂縫及輕微車轍，路面抗滑性有所下降。為了防止路面出現(xiàn)新的病害或者輕微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展、延緩路面使用性能的衰減，保持和改善路面使用性能，結(jié)合瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)指南中的適用條件要求，綜合路面病害特征、交通量、資金和費(fèi)用效益等因素，對(duì)京港澳高速K0+300—K9+900 雙向路面實(shí)施微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，且選用玄武巖纖維微表處。

4.4 施工效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的玄武巖纖維微表處各項(xiàng)路用性能，在京港澳高速部分路段對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，且評(píng)價(jià)了纖維微表處實(shí)體工程的表觀質(zhì)量、路面抗滑性能、滲水系數(shù)、厚度等。結(jié)果顯示，微表處各項(xiàng)施工性能指標(biāo)均滿足規(guī)范《公路瀝青路面微表處設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DB62T 3129—2017）要求；微表處竣工后其全線外觀表面平整、密實(shí)、均勻，無松散，無花白，橫向接縫對(duì)接平順，縱向接縫寬度均不大于80 mm，無不平整現(xiàn)象。

于施工后第一年冬季對(duì)比觀測纖維微表處和普通微表處的表觀開裂狀況和統(tǒng)計(jì)裂縫數(shù)量，對(duì)路面長時(shí)間觀測中未發(fā)現(xiàn)纖維微表處路段出現(xiàn)開裂現(xiàn)象及開裂趨勢，普通微表處已出現(xiàn)少量裂縫。表明普通微表處在添加玄武巖纖維后能顯著提高微表處的抗松散性，以三維立體方式對(duì)混合料進(jìn)行加強(qiáng)，提高了瀝青混凝土內(nèi)聚力、抑制微表處的開裂，其它工程檢測結(jié)果見表12?？芍w維微表處在實(shí)體工程應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

表12 纖維微表處的性能檢測結(jié)果

5 結(jié)語

本項(xiàng)目對(duì)纖維微表處進(jìn)行了研究，給出了纖維微表處的原材料和配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)4 種纖維（聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維）微表處及3 種纖維摻量（0.10%、0.20%和0.30%）下進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)和優(yōu)選。與普通微表處進(jìn)行性能對(duì)比，將優(yōu)選的纖維微表處應(yīng)用于京港澳高速公路，得到結(jié)論：（1）不同纖維對(duì)微表處的抗磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍性能和抗低溫開裂性能提升程度從大到小依次為玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。（2）相比無纖維微表處，4 種纖維微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變均得到提高，且其值隨纖維摻量的提高而增大，說明纖維微表處的低溫抗裂性能更好。（3）通過室內(nèi)試驗(yàn)和性能對(duì)比，并考慮工程經(jīng)濟(jì)，玄武巖纖維摻量選用0.20%。（4）評(píng)價(jià)了玄武巖纖維在京港澳高速公路應(yīng)用后的效果，得到了綜合路用性能良好的玄武巖纖維微表處。