聚酯玄武岩纤维无纺布路用性能与施工工艺研究

2012-09-05张庆宇翟晓静丁永盛

铁道建筑 2012年8期

张庆宇，翟晓静，丁永盛

(1.河北交通职业技术学院，河北石家庄 050035;2.河北蔚县交通运输局，河北蔚县 075700)

半刚性基层具有板体性好、强度高、经济性好等优点，已广泛应用于我国高速公路路面结构，但由于材料易干缩和温缩导致半刚性基层不可避免地出现裂缝，从而导致荷载和环境作用下面层出现反射裂缝，以致沥青路面的最终破坏。因此通过路面结构设计采取措施减缓或消除反射裂缝是保证半刚性路面长期使用性能的关键。

选择适宜的土工合成材料是防止反射裂缝的有效措施之一。课题组对聚酯玄武岩纤维无纺布路用性能进行了试验研究，并在河北省张家口蔚县环城公路工程中修建了试验路段，对施工工艺进行了总结。

1 聚酯玄武岩纤维布简介

聚酯玄武岩纤维无纺布由玄武岩纤维和聚酯纤维混纺后织成无纺布并经喷胶定型而成，其特征是充分利用了玄武岩纤维的高弹性模量、高抗拉强度、较高的吸油能力以及聚酯纤维的韧性。

生产聚酯玄武岩纤维无纺布的工艺流程是:①比例为1∶1～1∶1.5的玄武岩纤维和聚酯纤维投入吸收塔Ⅰ，进行第一次混纺30min，再进入吸收塔Ⅱ进行二次混纺30min;②混纺均匀的纤维依次经过梳理机、针织机和辊压机，织成1.0～1.5mm厚度的无纺布;③调制增强剂，按0.4～0.8 L/m2胶浆量对无纺布上浆，晾干，即形成聚酯玄武岩纤维无纺布。

按照试验规程，对聚酯玄武岩纤维布和聚酯玻纤布的物理力学性能进行了试验，每项指标均按1组6个平行试件试验，其主要试验技术参数的均值见表1。

表1 聚酯玄武岩纤维布与聚酯玻纤维布的主要技术参数

2 聚酯玄武岩纤维布路用性能

2.1 粘结性能试验

采用40°斜剪试验测试粘结层抵抗在行车荷载水平力作用下产生的剪切应力的能力，同时采用拉拔试验测试铺设土工布后层间的粘结力，以评价其粘结性能。按施工过程在室内成型试件，成型的双层车辙板冷却24 h后脱模。再用双面锯在湿态下把试件加工成50mm×50mm×30mm(2层)，再用水洗除其尘埃，晾干。试验前在试验温度下保温不少于4 h。试验设备装置见图1，试验结果见表2。

图1 粘结性能试验装置

表2 粘结试验结果

试验结果表明:

1)加铺纤维布后，改变了层间的接触条件，削弱了层间的粘结力，聚酯玄武岩纤维布较同类土工布对层间粘结力影响较小。

2)根据层状弹性体系理论，由Bisar 3计算和相关资料知，粘结层的剪切应力范围为0.18～0.40mPa。加铺纤维布后，层间的粘结力仍满足路面的使用要求。

2.2 低温抗裂性能

本研究采用低温小梁弯曲试验评价纤维布复合沥青混合料的低温抗裂性能。试验采用最佳油石比成型AC-13C的标准车辙板试件切割成长(250±2)mm，宽(30±2)mm，高(35±2)mm的棱柱体小梁。在相应试件的底部用AH-70#沥青粘结聚酯玻纤布或聚酯玄武岩纤维无纺布。试验在UTM-25设备上进行，试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min。试验结果见图2。

图2 低温弯曲试验比较

由试验结果可知:

1)底部粘贴纤维布的小梁低温抗裂性能普遍较不贴布的小梁试件好，表现为贴纤维布的小梁低温弯曲的抗弯拉强度、弯拉应变和应变能密度均有显著增加，表明纤维布可以大幅提高沥青混凝土的低温抗裂性能。

2)与粘贴聚酯玻纤布的小梁试件相比，聚酯玄武岩纤维无纺布小梁试件的低温抗裂性能有所提高。试验中聚酯玻纤布小梁试件低温弯曲试验结束后，试件断裂，纤维布被撕裂;聚酯玄武岩纤维无纺布小梁试件低温弯曲试验结束后，试件开裂，裂缝未贯通，纤维布没有变化。

2.3 纤维布加筋强度试验

本研究通过极限弯曲试验测定有无纤维布、聚酯玻纤布和聚酯玄武岩纤维无纺布沥青混合料的抗弯拉强度、抗弯拉应变，对比分析聚酯玄武岩纤维无纺布对沥青混凝土的加筋作用。

极限弯曲试验是在UTM-25设备、温度为15℃、加载速度为50mm/min下，测定沥青混合料小梁试件弯曲破坏的力学性能。试验状况及结果如图3和图4所示。

图3 极限弯曲试验

图4 极限弯曲试验结果

由图4可知，贴布的小梁试件具有较高的抗弯拉强度、弯拉应变，较小的劲度模量。与聚酯玻纤布相比，粘贴聚酯玄武岩纤维无纺布的小梁试件的最大弯拉应变和抗弯拉强度有所增加。从试验中可以看出，粘贴聚酯玄武岩纤维无纺布后，小梁试件破坏时间明显滞后，在达到设置的最大变形后，试件裂缝很小，纤维布没有变化。由此可以判断，聚酯玄武岩纤维无纺布具有较好的加筋作用，可以减缓裂缝的产生，增强沥青混凝土的韧性。

2.4 裂缝反射疲劳试验

目前我国罩面技术通常的维修方法是在原来裂缝路面上加铺沥青罩面层，但是使用一段时间后，原有裂缝会很快反射到新铺的沥青面层上形成反射裂缝，罩面层承载力迅速下降至疲劳破坏。鉴于反射裂缝发生的实际情况，本研究设计了加铺聚酯玄武岩纤维无纺布后复合沥青混合料的裂缝反射疲劳试验(如图5)。对加铺聚酯玄武岩纤维无纺布、聚酯玻纤布及不贴布的三种类型混合料进行试验，选用低、中、高三个应变水平，每个应变水平含3个平行试件，加载方式为三分点加载，试验温度为15℃。

以劲度模量为初始劲度模量一半为破坏标准，试验结果见图6。

由图6可知，铺设土工布后，混合料的抗反射裂缝的疲劳寿命明显延长，寿命增长幅度随应变水平提高越发显著。试验结果表明，纤维布具有高强度、高韧性和较好的延展性，与沥青粘层油形成应力吸收膜，在面层与基层或罩面层与旧路面间构成缓冲层，避免应力集中和上下层间的部分相对位移，从而减小层间内应力，抑制并减缓裂缝发展，延长路面使用寿命。

3 施工工序和施工要点

3.1 施工工序

聚酯玄武岩纤维无纺布施工工序为:旧路表面清扫→测量划线→喷洒粘结料→铺设聚酯玻纤布→保养维护→铺筑新路面。现场铺设如图7所示。

图7 聚酯玄武岩纤维无纺布的铺设

3.2 施工要点

1)旧路表面清扫。在喷洒粘结料前，应将旧路表面清扫干净，并保持工作面无水分。雨后必需待路面干燥后方可施工。

2)测量、划线。在经监理工程师验收合格的旧沥青路面上，对照裂缝标识确定裂缝位置。然后，按拟铺设的聚酯玄武岩纤维无纺布宽度在裂缝两侧定好基准线，并用石灰或粉笔划线作为铺设聚酯玄武岩纤维无纺布的依据。对于横向裂缝，保证裂缝两侧的布宽≥0.75m;对于纵向裂缝，保证布宽为1.8～2.0m，裂缝居中。

3)喷洒粘结料。①在铺设设备就位后，将支架上的聚酯玄武岩纤维无纺布摆正，使聚酯玄武岩纤维无纺布卷轴垂直于拼接缝或裂缝;②在底面划线范围内用沥青喷洒车洒布热粘结料，喷洒粘结料的横向范围要比聚酯玄武岩纤维无纺布宽5～10 cm;③洒布热粘结料时，施工温度应在5℃以上，热粘结料最佳温度应保持在165℃～180℃;④洒布热粘结料时要喷洒均匀，用量为1.0～1.3 kg/m2，具体用量根据现场摊铺效果确定。

4)聚酯玄武岩纤维无纺布的铺设与搭接。①在粘层油仍呈液体状时，立即采用聚酯玄武岩纤维无纺布铺设设备进行聚酯玄武岩纤维无纺布铺设施工，不得使沥青喷洒车与聚酯玄武岩纤维无纺布铺设设备距离过远。②在进行聚酯玄武岩纤维无纺布施工时，现场操作人员应戴好防护手套，并佩戴防护眼罩，以免被高温热沥青烫伤或被聚酯玄武岩纤维无纺布刺伤手指。③使用牵引车或安装在卡车上的框架来铺设聚酯玄武岩纤维无纺布时应保持车速平稳均匀，不得忽快忽慢，并及时进行调整，以达到铺设平滑的目的。④铺设设备配置涂刷和铁碾子，以保证铺设聚酯玄武岩纤维无纺布时能及时将其压实在粘结料上;若铺设时发生褶皱或打折现象，应当及时用工具刀切开褶皱部位，然后在铺设方向上再搭接起来，用粘结料胶结并压实，以保证聚酯玄武岩纤维无纺布与粘结料的良好粘结。⑤聚酯玄武岩纤维无纺布铺设施工时，应尽可能铺设成一条直线;当需要转弯时，将聚酯玄武岩纤维无纺布弯曲处剪开，重叠铺设并喷涂粘结料胶结，应尽量避免聚酯玄武岩纤维无纺布打折起皱。在弯道安装时若有不便，应尽量减少聚酯玄武岩纤维无纺布铺设长度。⑥对铺设后的聚酯玄武岩纤维无纺布两侧喷洒外露的热粘结料应及时采用石屑洒盖，以免将封层粘起。

5)保养维护。聚酯玄武岩纤维无纺布铺设施工完成后，在热粘结料未冷却至常温下应禁止行人或车辆进入，以防止由于车轮粘油将聚酯玄武岩纤维无纺布带起或破坏。车辆放行之初，禁止任何车辆在聚酯玄武岩纤维无纺布上行驶时突然刹车或急转弯，以免对聚酯玄武岩纤维无纺布造成极大破坏。

6)铺筑新路面。上层沥青混合料的摊铺最好在聚酯玄武岩纤维无纺布施工后隔天进行。摊铺过程中，运输车通行时出现聚酯玄武岩纤维无纺布粘轮现象，可以采用聚酯玄武岩纤维无纺布表面撒热料的措施进行处理。沥青混合料摊铺时，运输车辆不得在聚酯玄武岩纤维无纺布上急刹或转弯。

此外，聚酯玄武岩纤维无纺布吸收粘层油后会改变层间接触状况，较同类土工布对层间粘结力影响小。喷洒不同量的热沥青对层间粘结力影响较大，为保证较好的层间粘结力，喷洒沥青用量应不小于纤维布的沥青吸收量。