聚酯纤维改性沥青在公路路面施工中的应用
时间：2022-12-03 22:05:01 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
饶世洪，仇利剑
（江西省现代路桥工程集团有限公司，江西 上饶 334000）
某国道改建工程起讫桩号为K23+400—K45+850，线路长22.45km，路幅宽45.5m，考虑到所在路段交通量大，重载超限车辆多，工程区夏季炎热，冬季寒冷。为提升沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性，抑制基层发生反射裂缝，主车道面层采用8cm厚的粗粒式沥青混合料、6cm厚的中粒式沥青混合料、4cm厚的聚酯纤维改性沥青细粒式沥青混合料。通过掺加具有抗极端温度、高吸油性、强吸附性等特征的聚酯纤维，充分发挥吸附沥青、加筋、分散沥青混合料、增强黏结性等性能，能够增大结构沥青占比，降低自由沥青量，通过改性增强混合料整体性能；
能提升沥青饱和度，使矿料结构上所黏附的沥青膜厚度变大，增强沥青混合料抗水损性能，有效应对交通渠化，促使沥青路面使用寿命的延长。
2.1 聚酯纤维材料试验
根据《沥青路面用纤维》（JT/T 533—2020）的规定，沥青路面掺加的聚酯纤维材料直径20μm±5μm，长度6mm±1.5mm，结构密度（1.35±0.04）g/cm³，210℃环境下体积应无变化且断裂延伸率不小于15%，抗拉强度不小于500MPa，倍长纤维含量不超过2mg/100g，回潮率不大于0.4%，含水量在2%以下。为确保聚酯纤维均匀分散在沥青混合料中，必须在拌和时将集料和纤维材料一同投放，集料拌和温度一般为180～200℃。这也对聚酯纤维材料的耐热性提出较高要求，要求纤维材料熔点至少达到250℃，如果抗热性较差，混合料经高温搅拌后会出现明显的发黄、纤维卷曲、纤维丝过短等现象。根据规范中推荐的判断方式，将聚合物纤维在177℃和210℃的试验环境下放置60min，并进行体积变化观察；
同时，在210℃下测试聚酯纤维材料的断裂延伸率和抗拉强度，以进行材料抗热性能的定量评价[1]。聚酯纤维材料力学性能主要体现在断裂伸长率和抗拉强度等参数上，为提升沥青路面在外力冲击和环境温度变化下的抗变形能力，纤维材料必须具备较好的强度和韧性，根据现行规范，聚酯纤维抗拉强度应达到500MPa及以上，断裂延伸率应不低于15%，同时还应加强纤维材料回潮率控制。
根据相关规范及工程实际，对市场上可供选择的16种聚酯纤维材料进行性能试验，纤维材料编号为X1～X16，试验结果汇总见表1。由试验结果看出，不同型号纤维材料的力学指标相差较大。X7和X16两种纤维材料断裂伸长率、抗热性能明显达不到规范值，且两种纤维材料加热后明显发黄，熔点不显现。
表1 16种聚酯纤维材料性能试验结果
表1 （续）
2.2 沥青混合料性能试验
聚酯纤维材料性能的判断除可以从材料本身着手外，还可以通过比较沥青混合料性能，间接体现纤维性能的好坏。根据《沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），通过车辙试验、四点梁试验、低温小梁试验、浸水马歇尔试验[2]等进行该公路路面沥青混合料高温稳定性、疲劳性、抗水损性、低温抗裂性、疲劳性能检测，并根据检测结果选择最为适宜的聚酯纤维类型。根据试验结果，掺加0.225%聚酯纤维后的沥青混合料性能比相同级配普通AC-20Ⅰ混合料性能显著提高，冻融劈裂抗拉强度比、动稳定度、低温抗裂性等指标最大提升幅度分别为4.6%,138.7%和57.4%。
根据掺加聚酯纤维后沥青混合料性能与相同级配普通AC-20Ⅰ混合料性能对比可知，聚酯纤维材料自身品质对混合料性能有较大影响，在所有纤维材料中，掺加X6和X11纤维后沥青混合料全部性能指标均有所提高，而其余种类的纤维掺加后沥青混合料只有部分性能提升，并且低温抗裂性和动稳定度两个指标的提升幅度最大；
抗水损性并无明显提升。X8聚酯纤维改性沥青混合料冻融劈裂达不到设计要求，其余纤维混合料冻融劈裂强度均在80%及以上；
X6和X11聚酯纤维沥青混合料劈裂强度比不掺加纤维材料的普通混合料高。
根据以上试验，在沥青混合料中掺加聚酯纤维能有效减少混合料内自由沥青量，使结构沥青显著增多，加筋作用增强，促使沥青混合料低温抗裂性和高温抗车辙性提升。同时，纤维自身性能的优劣对沥青混合料抗水损性能也有较大影响，按照设计比掺加性能优良的纤维材料后，纤维在混合料中的分布更为均匀，即使掺加量较小，也会明显增强混合料抗水损性[3]。
2.3 聚酯纤维的选择
结合以上试验结果及该公路工程实际，决定在此国道改建工程沥青路面中面层掺加聚酯纤维材料，并经过对以上几种纤维材料路用性能、价格等的综合比较后，最终采用工程所在地附近新飞建筑工程有限公司所提供的X6和X11两种聚酯纤维。
3.1 配合比设计
将制备好的试件和聚酯纤维一起加入搅拌锅中，干拌1min后观察纤维分散程度，同时掺加适量沥青后再观察分散情况。在相同级配、油石比情况下，分别进行纤维掺加量为集料用量0.1%,0.2%,0.3%,0.4%时的析漏试验。根据表2试验结果，随着纤维掺量的增大析漏损失呈减小趋势，且远小于相关规范所规定的0.2%的析漏损失量，故聚酯纤维最佳掺入量应为0.4%，而出于施工成本等方面的考虑最终将纤维材料掺加量控制在0.3%。
表2 不同聚酯纤维掺量的析漏损失
在综合考虑聚酯纤维改性性能、施工环境、公路等级等因素的基础上，将该工程聚酯纤维改性沥青混合料最佳油石比调整为6.1%。和普通沥青混凝土材料相比，纤维材料掺加后因其具有吸附沥青的作用，所以混凝土油石比会增大0.2%左右。
3.2 混合料拌和及运输
纤维的掺加会使沥青混合料拌和难度增大，为使混合料中纤维均匀分布，应将干拌时间延长15s左右。同时，湿拌时间也应延长至15s左右，并保证投料顺序的准确性，即同时投加矿料、聚酯纤维、矿粉，最后再加注沥青。聚酯纤维所具有的加筋桥接作用能降低沥青胶浆黏度并提升沥青胶浆的软化点，增大沥青混合料压实难度，为此，该工程应将混合料搅拌及摊铺碾压温度提升5～15℃，具体见表3。
表3 聚酯纤维改性沥青混合料施工温度
3.3 摊铺
摊铺开始前应将摊铺机熨平板预热至少30min，使温度升高至120℃及以上，避免因熨平板温度过低而黏结热混合料，使热料固结在熨平板底部，在移动过程中必将拉裂摊铺层，影响施工质量。此外，还应保证摊铺过程连续进行，并在摊铺机上安装拓普康全自动找平装置，根据施工机械的配套情况及摊铺试验结果，摊铺速度应控制在2.0～3.0m/min范围内。
摊铺过程中如果粒料输送不均匀，则大颗粒料会被挤压至两侧，或因为中粒料滚落等原因而造成下层粒料堆积、上层粒料不足，进而引发离析。为此，必须将分料螺旋调整至机械正中央位置，保证其叶片恰好能埋入混合料内，借助螺旋匀速缓慢分料，有效避免混合料离析。
3.4 碾压
聚酯纤维改性沥青混合料碾压应选择合理的压路机械组合并遵循紧跟、慢压、高频、低幅的施工原则，分初压、复压和终压3个阶段进行。初压的主要目的在于稳定和整平混合料；
复压则在于混合料的进一步密实、稳定和成型，此阶段对于沥青路面密实度至关重要；
终压的目的是消除轮迹，提升路面层平整度。该沥青路面初压阶段通过钢轮压路机静压1～2遍，在结束初压后必须进行路拱度和平整度检查。复压阶段则应通过胶轮压路机碾压2遍，借助轮胎压路机较好的揉搓功能，使集料之间充分嵌挤，取得较好的压实度；
再振动压实2遍，进一步提升路面密实度。终压阶段，关闭钢轮压路机振动装置后碾压2～4遍，以彻底消除路面轮迹。
综上所述，必须在充分考虑聚酯纤维材料性能的基础上选择合适的纤维材料。该工程应用结果表明，按照设计比掺加聚酯纤维材料能使沥青混合料路用性能显著提升；
与常规沥青混合料相比，聚酯纤维改性沥青混合料在施工温度、拌和时间、施工效果等方面均有较大不同，掺加聚酯纤维后混合料拌和温度均相应提高，以保证纤维材料均匀分散至混合料中。总之，聚酯纤维在该沥青路面施工中的应用取得了较好的过程控制效果，沥青路面力学性能也显著提升。
