沥青马路石子和沥青配比(纤维沥青碎石封层配合比设计方法研究)

纤维碎石封层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，同时兼有防水、粘结层的作用，既提高了路面使用寿命、降低了养护费用，又节能环保。但是，要想实现纤维碎石封层在抗裂、防水、抗疲劳等方面的作用，核心是配合比设计。美国很多州(如密歇根州、加利福尼亚州等)普遍认为碎石封层是“不可设计”的，要求工程师在施工中根据现场撒布情况在允许的用量范围内确定材料撒(洒)布率，亦即采用“经验配比法”；体积法是将碎石均匀、紧密地撒满平底容器，根据碎石质量、撒布面积和撒布厚度计算得到石料撒布率的理论值，然后向该平底容器内注入适量洁净水，直至刚好完全浸没石料，此时注入水量的2/3与容器底面积之比即为沥青结合料撒布的理论值，工程实践表明利用该方法进行用量设计时，改性乳化沥青的用量偏大，碎石用量偏低；自2007年纤维碎石封层预防性养护技术引入我国以来，辽宁、浙江等省先后进行了实际工程运用研究，并积累了一定的工程经验，同时给出了原材料用量范围推荐值；刘东通过理论分析和室内试验对纤维沥青碎石封层的防水性能、抗裂性能、抗疲劳性能及高温粘结性能开展研究，提出了华南湿热地区的纤维沥青碎石封层路用性能评价指标，建立了路用性能评价指标体系；李海祥通过Vialit板冲击试验，提出以冲击脱石率作为粘结性能评价指标；王帅杰结合刹车状态下层间剪应力理论分析，提出以45℃环境下剪切强度T作为维沥青碎石封层高温稳定性能指标，以动水压力作为防水性能指标。由于纤维沥青碎石封层养护技术引入我国时间较短，还没有形成适合于我国的完整设计理论体系，配合比设计、施工工艺和质量检测等方面还有待研究探讨。

截止目前，纤维和碎石洒布量的确定主要还是依靠工程经验，该法在设计上偏于保守，改性乳化沥青和石料用量偏大，不仅造成了原材料的浪费，而且路面易形成泛油使路面光滑抗滑能力差。而理论计算法，近年来提出的一些理论计算方法需要使用大量的计算指标，这些指标在取值时麻烦且不够准确。经验法和理论法还有一个共同的缺点是没有控制指标，配合比设计不能与纤维碎石应力吸收层的路用性能联系起来。基于此，本文在参考已有工程经验法和理论法的基础上，采用多指标控制的纤维碎石封层配合比设计方法，使配合比设计与施工后的路用性能建立联系。

原材料

碎石。碎石在纤维封层中起到了传递荷载的作用，需要有足够的强度，美国加州应力吸收层碎石规格普遍采用9.5～13.2mm，因此本文选用9.5～13.2mm规格的碎石，对优选的玄武岩碎石进行性能检测。

聚丙烯纤维。纤维在碎石封层中主要起到了加筋阻裂、吸附稳定等作用。聚丙烯纤维作为一种塑料纤维，主要以聚丙烯为原料，通过静电、抗紫外线等特殊工艺加工成的高强度纤维，试验选取实体工程中采用的KQS-A3聚丙烯纤维。

乳化沥青。本研究采用的乳化沥青为SBR改性乳化沥青，由AH-70基质沥青、慢裂快凝型阳离子乳化剂(MK-06型)、SBR胶乳、盐酸调节剂、水和稳定剂(PVA及氯化钙)经胶体磨室内室内制备而成。

设计指标选取

纤维碎石应力吸收层设计指标的选取应该与其使用过程中的破坏类型有一定对应性，或者说选取的指标能够控制其破坏的发生。室内试验研究发现，应力吸收层层间剪应力与材料的抗剪强度大小相当，即应力吸收层在使用过程中，其层间粘结始终是一个薄弱环节，因此，应力吸收层材料配合比设计中可将层间抗剪强度作为主要设计指标之一；纤维碎石的加入使应力吸收层抗拉伸能力增强，阻裂性能明显提高，为确保应力吸收层具有最优的阻裂能力，可将纤维碎石的抗拉强度作为配合比设计指标之一。

纤维碎石胶浆小梁弯曲试验。纤维碎石应力吸收层与其他预防性措施相比，最大的优点在于纤维碎石的加入极大地增强了其阻裂性能，有效阻止路面原有裂缝地继续开展。为保证应力吸收层的阻裂能力，以纤维碎石胶浆的抗弯拉强度为设计指标。

层间抗剪强度。纤维碎石应力吸收层是在原有沥青路面上铺筑的一层较薄的表面应力吸收层，改性乳化沥青与原有路面的粘结力是抵抗行车荷载产生的水平剪切作用的唯一作用力，若粘结力过小，在行车荷载的作用下纤维碎石应力吸收层在受水平剪切力作用则会发生推移，与原沥青路面脱离丧失养护效果。为证应力吸收层与原路面间有足够的粘结力，以应力吸收层与原沥青路面间的抗剪强度为主要设计控制指标。

纤维碎石封层配合比设计

确定最佳纤维、乳化沥青撒(洒)布量。沥青混合料作为一种粘弹性材料，温度变化对其路用性能影响很大。当温度降低时，沥青混合料将会由原来的弹性状态变化到脆性状态。在这个过程中，沥青混合料在荷载作用和边界约束作用下会发生开裂病害。纤维在纤维沥青碎石封层中起加筋作用，纤维的加入可提高封层的抗拉强度，正好提高其阻裂能力。因此纤维用量的大小与封层抗拉强度的大小密切相关，纤维用量应由抗拉强度确定。经大量室内试验研究，最终选用以弯曲试验为试验平台，测定纤维掺撒布量和乳化沥青洒布率。试验时首先将四周涂有隔离剂金属试模(试模尺寸：长×宽×高=250mm×35mm×15mm)放在隔离板上，按照纤维封层的施工工艺：撒布一层改性乳化沥青+一层聚酯纤维+一层改性乳化沥青，小梁试件成型完成后，连同试模一起置于25℃鼓风烘箱中加速养生不少于12h，待乳化沥青完全破乳稳定后，取出试件，-10℃恒温环境箱中保温6h后。采用控制加载速率的方式进行加载，加载速率为50mm/min，试验有效跨径为20cm。按照上述试验方法，制作不同改性乳化沥青和纤维用量的试件，进行小梁弯曲试验。

试验结果表明：纤维撒布量由70g/m²增加到90g/m²，1.7、1.9、2.1、2.3kg/m²共4种乳化沥青洒布量下，弯拉强度均随着纤维掺量的增大呈先增加后减小的抛物线变化趋势，随着乳化沥青洒布量增大，封层的最大弯拉强度虽差别不大，但又有明显的变化规律，峰值弯拉强度(y)与乳化沥青洒布量(x)之间的回归关系式为：y=-10.24975+13.32x-3.625×x2(R2=0.963)。故可采用峰值弯拉强度对应的乳化沥青沥青洒布量作为纤维碎石封层的最佳乳化沥青用量，待确定出最佳乳化沥青洒布量后，可根据抗弯拉强度与纤维掺量的回归关系式确定出最佳纤维撒布量。本文确定的最佳乳化沥青洒布量为1.85kg/m²，最佳纤维撒布量为81g/m²。

确定碎石撒布量。纤维沥青碎石封层与旧沥青路面间的层间黏结是封层养护运营过程中的薄弱环节，为保证封层在使用过程中不发生推移病害，配合比设计阶段需要考虑层间抗剪切性能。基于此，本设计了剪切试验，以层间剪切强度为配合比控制指标，通过剪切试验研究碎石撒布量对层间剪切强度的影响，进而优化出纤维碎石封层的最佳碎石撒布量。

试验时以预估的最佳碎石撒布率10kg/m²为中值，间隔0.5kg/m²从9.0kg/m²到12kg/m²递增5～10mm碎石撒布量，按照2.1确定的最佳乳化沥青洒布量在300mm×300mm×10mm车辙板模具中成型沥青混合料+纤维碎石封层+沥青混合料车辙板试件，经轮碾仪碾压成型后冷却脱模，使用钻芯机钻取直径为10cm的圆柱体试件，一组5个平行试件，所有试件60℃鼓风烘箱中保温6h后进行直剪试验。

不同碎石撒布量条件下直剪试验拟合结果表明：随着碎石掺量增加，纤维碎石封层60℃抗剪切强度先增加后减小，在10kg/m²碎石掺量时抗剪强度出现峰值，碎石掺量与抗剪切强度之间具有较好的二次拟合关系式。分析其原因主要是，纤维乳化沥青掺量一定时，碎石掺量太小，集料之间不能形成嵌挤结构，而碎石掺量过大，多余的碎石不但不能与沥青充分粘结，而且会还会产生一定的干涉作用。综上，通过纤维沥青胶浆设计和碎石用量设计，确定纤维沥青碎石封层配合比为改性乳化沥青用量为1.8kg/m²，纤维用量为81g/m²，5～10mm粒径碎石用量为10kg/m²。

最佳配比推荐及性能检测

为验证该纤维碎石封层配合比设计方法的合理性和准确性，确保纤维沥青碎石封层在使用过程中具有良好的路用性能，采用室内模拟实验对最佳配合比下的纤维碎石封层各项性能进行检验。

纤维沥青碎石封层疲劳性能试验。本小节以汉堡车辙系统为试验平台，探讨了不同配比纤维碎石封层在温度-水耦合作用下疲劳性能的优劣。试件具体成型方法如下：①在300×300×10(mm)车辙板模具中成型C30水泥混凝土板(板厚控制为5cm)；②将混凝土板表面拉毛，刻纹深度5mm，间距5mm；③变化纤维掺量和碎石撒布量，在拉毛后的混凝土板上成型按照纤维封层的施工工艺：撒布一层改性乳化沥青+一层聚酯纤维+一层改性乳化沥青，然后撒布一定量碎石，待碎石嵌挤稳定后将成型好的复合板放置1～2d，待其粘结良好后轮碾成型上面层AC-13热拌沥青混合料；④脱模并按照300mm×125mm×75mm尺寸制备试件，为了直观评价纤维碎石的阻裂效果，在复合梁水泥板底部垂直于行车方向切割宽、深各1cm的人工切缝。一切准备就绪，将制备好的试件放入APA试验台上，在某一恒定温度下保温一定时间之后，开始进行试验。试验过程模拟道路实际受力状态，受力模式为简支梁形式，试件下半部分是处于弯拉状态，可以更好的反映纤维沥青碎石封层的抗疲劳性能。

固定碎石掺量为10kg/m²、乳化沥青洒布量为1.85kg/m²，验证纤维掺掺量对应力吸收层的抗开裂效果的影响。10kg/m²、纤维撒布量为80kg/m²，验证乳化沥青洒布量对应力吸收层的抗开裂效果的影响。试验结果表明，在浸水和干燥条件下，不论是变化乳化沥青洒布量还是变化纤维掺量，复合梁疲劳寿命均在固定碎石掺量为10kg/m²、纤维撒布量为80kg/m²，乳化沥青洒布1.9kg/m²配比附近出现峰值，这也说明本文提出的纤维碎石配合比设计方法是合理的。

纤维碎石封层vialit试验。为了检验最佳碎石掺量是否合理性，本文采用vialit试验测定脱石率对其进行了验证。本文试验方法主要参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)并作进一步改进。其试验步骤如下：将待测沥青浇入150mm×150mm的钢板中，按照纤维撒布量80g/m²乳化沥青洒布量1.85kg/m²，按照纤维封层的施工工艺变化碎石撒布量，将钢板连同摆好的碎石一起放入60℃烘箱加热5h，使沥青与碎石黏结完全，再放入-18℃冰箱中冷却12h以上；从冰箱中取出钢板，把试件反向放置，将钢球跌落在钢板反面的中心，观察钢板受钢球冲击振动后碎石被震落的情况。可知：乳化沥青用量一定时，脱石率大小随碎石用量增加呈二次函数形式增大，其中碎石撒布率超过11%后脱石率显著增大。因此，脱石率指标能够检验碎石掺量是否合理，进一步验证了本文提出的配合比设计方法是合理的。

结论

以抗弯拉强度和抗剪切强度作为纤维沥青碎石封层配合比设计指标是合理的，本文提出的基于小梁弯曲试验和直剪试验纤维碎石封层配合比设计方法可精确计算出纤维碎石封层的最佳配比。结合本文研究结果，纤维碎石封层配合比设计可采用小梁弯曲试验确定最佳纤维、沥青撒(洒)布率，进而以直剪试验峰值剪切强度确定最佳碎石撒布率。研究成果可对今后同类型工程设计提供技术参考。

文章来源：中国沥青路面网 http://www.asphaltpavement.cn/site/news_info.aspx?id=193