纤维环氧沥青混凝土在道路与轨道平交口的应用

2018-08-06李华平

筑路机械与施工机械化 2018年7期

李华平

(珠海市工程监理有限公司，广东珠海 519000)

0 引言

有轨电车与城市道路的平交口处对城市的道路通行能力及舒适性有较大影响，目前轨道交通与道路平交口处普遍采用水泥混凝土填筑。由于水泥混凝土的脆性与刚度大，通行车辆经过平交口时会引起较大的振动和噪音，影响过往车辆的行车舒适性，同时也降低了电车的行驶速度。此外，由于电车轨道导热较快、温度较高，即使铺筑普通沥青混合料也不能满足轨道与道路交界面应具备的耐高温性能以及抗冲击性[1-4]。

伍剑奇等研究认为，将聚酯纤维掺入沥青混凝土中可有效提高其各项路用性能[5]；张增平、李志宏等的研究表明，环氧沥青因其强度高、韧性好、抗疲劳性能好等优势被广泛应用于桥面铺装，可显著提高桥面的高温稳定性、水稳定性以及抗疲劳性[6-7]。基于此，本文综合环氧沥青良好的高温稳定性与纤维混合料优异的柔韧性[8-11]，提出采用掺加纤维的环氧沥青混凝土对平交口道面进行材料组成设计，并对平交口道面的抗高温形变、抗水损害以及抗冲击性进行评价，为道路与轨道平交口铺装提供应用参考。

1 纤维环氧沥青混凝土材料组成设计

1.1 原材料的技术性质

1.1.1 环氧沥青

已有研究及实践表明，环氧沥青混合料具有强度高、韧性好、温度敏感性小、水稳定性好及抗疲劳性能良好等普通沥青混合料无法比拟的优势[12-13]。本文采用日产环氧树脂、固化剂(树脂和固化剂的质量比为6∶4)混合制成环氧胶黏液后，再将环氧胶黏液与SBS改性沥青按照4∶1的质量比混合制成环氧沥青，环氧沥青及SBS改性沥青的主要技术标准见表1、2。

选用玄武岩作为电车轨道与路面平交口环氧沥青混凝土的集料，矿粉材质为石灰石。集料与矿料的各项技术指标分别见表3、4，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求。

表1 环氧沥青基本技术性质

表2 SBS改性沥青技术性质

表3 集料技术性质

表4 矿粉技术性质

1.1.3 纤维

聚酯纤维具有优异的抗拉伸强度及耐高温性能，并且与沥青有很强的亲和性[14]。将聚酯纤维应用于沥青混凝土中，可有效抑制沥青混凝土的开裂和剥落[15]。本文选取沥青混合料中的纤维掺量为0.2%，纤维部分技术指标如表5所示。

表5 聚酯纤维技术性质

1.2 环氧沥青混合料的配合比设计

1.2.1 矿料级配设计

矿料级配参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)推荐的AC-13C型级配，以级配中值为基准并结合平交口道面特殊位置与结构，对其配比进行调整，结果如表6所示。

表6 环氧沥青混合料矿料级配组成设计

1.2.2 最佳沥青用量

环氧沥青混合料是一种反应型混合料，与普通混合料存在较大差异，其马歇尔稳定度以及矿料间隙率等常不满足马歇尔试验规范标准，因此环氧沥青混合料不宜直接用马歇尔稳定度确定其最佳油石比。在南方湿热地区，空隙率对于路面耐久性的影响非常关键，混合料的透水性、抗疲劳、抗永久变形、抗老化、抗水损坏等重要性能与空隙率指标密切相关，因此结合美国Superpave设计方法以空隙率指标作为环氧沥青混合料油石比的设计依据。

成型2组马歇尔试件，一组固化，另一组未固化，选取4.5%、5.0%、5.5%、6.0%及6.5%五种不同的油石比，测定相关技术指标，结果如表7、8所示。

从表2可以看出，实验组学生在出科考核中的理论知识、操作技能、临床思维方面均优于对照组学生，由此得出结论，采用虚拟技术辅助教学模式的实验组教学效果明显优于采用传统教学方法的对照组。从表3 可以看出，在教学满意评价调查问卷中，实验组的各项满意度评价均高于对照组。

表7 固化试件的马歇尔技术指标试验结果

注：VV为空隙率；VMA为矿料间隙率；VFA为有效沥青饱和度。

参照相关资料，以2.2%作为设计空隙率，结合内插法得出2组试件对应的沥青用量分别为5.09%、5.23%，取平均值5.2%为最佳沥青用量。

表8 未固化试件的马歇尔技术指标试验结果

2 纤维环氧沥青混凝土的路用性能

2.1 高温稳定性

采用车辙试验对纤维环氧沥青混凝土的高温性能予以评价，并与普通沥青混凝土、未掺纤维的环氧沥青混凝土的高温性能进行对比，结果如表9及图1所示。

表9 不同沥青混合料车辙试验结果

图1 不同沥青混合料车辙深度随时间的变化规律

由试验结果可知，3种不同沥青混合料的动稳定度差异较大。环氧沥青混凝土的动稳定度显著高于普通沥青混凝土，提高了约12倍，原因在于环氧沥青本身固化后形成一种热固性物质，高温下抗软化，因此能够提高普通沥青混凝土的高温性能。环氧沥青掺加纤维后，表现出更加优异的高温稳定性，纤维环氧沥青混凝土动稳定度较环氧沥青混凝土提高约27%，较普通沥青混凝土提高约110%；究其缘由是因为聚酯纤维本身的熔点较高，且纤维吸附多余的自由沥青，提高混凝土的整体稳定性，起到“桥接加筋”作用。结合环氧沥青高温固化的优势，两者综合作用使纤维环氧沥青混凝土的动稳定度远高于其他沥青混凝土。另外，由图1可知：在60 min期间，普通沥青混凝土的车辙深度整体较高，其次为环氧沥青混凝土；随着时间的增加，普通沥青混凝土的车辙深度增加速率远高于其他两类沥青混凝土，纤维环氧沥青混凝土车辙深度的增加速率最小，表明掺加纤维后沥青混凝土的抗高温变形性能大幅提高。

2.2 水稳定性能

纤维环氧沥青混凝土的抗水损害能力对于道路平交口处的耐久性也至关重要，采用浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验来评价纤维环氧沥青混凝土的水稳定性，并与另外两类混凝土进行对比，结果如表10所示。

试验结果表明，3种类型沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均符合规范要求。与普通沥青混合料相比，环氧沥青混合料的残留稳定度显著提高，且掺入纤维后的环氧沥青混凝土的残留稳定度较未掺纤维的提高了约6%，较普通沥青提高了20%，表明纤维环氧沥青混合料的水稳定性能最为优越。这一方面是因为环氧沥青发生固化反应后使得混合料的空隙率减小，并且60 ℃下环氧沥青可能进一步固化；另一方面纤维的加筋作用促进混合料集料的整体性加强，从而最终提高了浸水马歇尔残留稳定度。从冻融劈裂强度比试验结果可知，纤维环氧沥青的劈裂强度比达到了92.7%，远高于其他两类沥青混合料，较普通沥青和环氧沥青分别增加22%、9%，表明在聚酯纤维和环氧沥青的共同作用下，沥青混合料的抗水损害性能得到明显的改善。对比冻融劈裂强度比不难发现，纤维环氧沥青的冻融劈裂强度比衰减程度仅为4%，而普通沥青的2次冻融强度比衰减程度达到了13%，证明在冻融循环次数增加的情况下，掺加纤维的环氧沥青的抗水损害性能明显优于其他混合料。

表10 混合料水稳定性试验结果

2.3 抗冲击性能

过往车辆从城市道路过渡至道路平交口时，平叉口道面受轮胎不断的冲击作用，内部微细裂缝会经历诱发、扩展、恢复及再诱发、再扩展等不断循环，最终使路面发生破坏，而破坏荷载强度、材料使用寿命与路面材料或铺装结构特性有关。本文在借鉴水泥混凝土路面抗冲击试验的基础上，采用美国ACI544委员会提出的“落锤法”抗冲击试验，评价纤维环氧沥青混凝土的抗冲击性能。沥青混合料的抗冲击试件为高64 mm、直径150 mm的圆柱体试件，采用初裂冲击次数N1、破坏冲击次数N2、初裂和破坏冲击次数差值ΔN以及冲击功W来表征沥青混合料的抗冲击性能，结果见表11及图2。

表11 不同沥青混合料的抗冲击性能结果

图2 不同类型沥青混合料的抗冲击次数

从结果可以看出，与普通沥青混凝土相比，环氧沥青混凝土的初裂冲击次数与终裂破坏次数均有所增加，环氧沥青混凝土的ΔN达到了128，比普通沥青混凝土提高了约70%，这表明环氧沥青混凝土不仅能够延缓裂缝的出现，而且可以推迟裂缝的进一步扩展，即提高混合料抵抗冲击动载的能力。掺加纤维后，纤维环氧沥青混凝土的初裂与终裂冲击次数分别为3 583和3 764，与环氧沥青混凝土相比提高了76%、74%，与普通沥青混凝土相比提高了103%、104%。另一方面，环氧沥青混凝土的冲击功达到71.83 J，较环氧沥青混凝土和普通沥青混凝土分别提高了65%、94%。这充分说明掺加纤维能进一步改善沥青混合料的抗冲击能，其原因在于，纤维在混合料的集料间起“桥接”作用，当试样受到冲击动载时，纤维的韧性以及纤维被拉断拔出抵消了一部分冲击功，另外聚酯纤维超高的模量值及延伸变形能力会进一步防止裂纹的产生与延伸，从而提高混合料整体的抗冲击性能。

3 电车轨道与城市道路平交口铺装

依据本文的设计配合比，取热料仓中的集料进行筛分，适当调整矿料配比，并据此进行性能验证试验，得到最终的生产配合比，即：1#仓(12～16 mm)、2#仓(6～11 mm)、3#仓(3～6 mm)、4#仓(0～3 mm)、矿粉的质量比为29∶28∶10∶30∶3，最佳油石比为4.7%。

电车轨道与城市道路平交口铺装层分3层，其类型和铺设厚度由下至上依次为：25 cm水泥混凝土基层、8 cm AC-20型高模量改性沥青混凝土、4 cm AC-13型纤维环氧沥青混凝土。在水泥混凝土基层与高模量改性沥青混凝土层间、高模量改性沥青混凝土与纤维环氧沥青混凝土层间均洒布乳化沥青黏层油，洒布量为0.8 L·m-2。