曹 炜，王世昌，商德望，彭 庚，张硕周，徐立廷

（1.北京首发公路养护工程有限公司，北京 102613；2.北京建筑大学 未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；3. 濮阳市公路管理局，河南 濮阳 457000；4.壳牌（中国）有限公司，北京 100004）

引言

目前，微表处作为常用预防性养护措施在高速上大规模使用，但在路面使用后发现微表处使用寿命相对较短，且微表处易出现抗裂性、抗变形性能不足等问题，尤其在一些低温高寒地区，由于气候问题和冬天气温低的影响，普通微表处路面经常会产生裂缝和开裂等病害。因此，需要微表处具有优良的抗裂性、水稳性和抗变形等路用性能。纤维微表处具有优良的抗裂性能，且与普通微表处相比，纤维微表处的不同之处在于其掺加了纤维，纤维具有改变沥青胶体结构的能力。因为纤维的吸附、稳定和多向加筋作用，能够提高微表处混合料的高温、低温抗裂性能和减少反射裂缝，延长微表处的使用寿命。因此，选取聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维进行试验。通过对比分析4种纤维微表处的抗磨耗性能、抗水损害性能、抗车辙变形性能和低温抗裂性能，优选出最佳纤维微表处，并结合港珠澳高速工程的实际应用验证其使用效果。

1 试验材料

1.1 基质沥青

试验选用70#基质沥青，技术指标见表1。

表1 基质沥青指标

1.2 乳化剂及其他添加剂

改性乳化沥青中的乳化剂采用MQ3，改性剂采用SBR 胶乳改性剂，其他添加剂为盐酸调节剂、水等。根据生产设备、原材料特性及施工条件，专门配制适用于纤维微表处的乳化沥青，技术指标见表2。由表2 可看出，配制的乳化沥青贮存稳定性优异，达到0.03%/d，5 d 为2.3%，远高于规范《公路沥青路面微表处设计与施工技术规范》（DB62T 3129—2017）要求及同类产品。

表2 SBR 改性乳化沥青指标

1.3 石料及其他材料

石料采用玄武岩粗集料、石灰岩粉料，选用C45普通硅酸盐水泥，石料指标见表3。

表3 石料指标

1.4 纤维种类及选择

目前国内路面一般所用纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，性能指标见表4。

表4 纤维分类及指标

2 配合比设计

2.1 级配设计

级配设计选用MS-3 型，见图1。其中 5 ～10 mm、3 ～5 mm、0 ～3 mm 石料和矿粉按照比例（17.5 ∶30 ∶51 ∶1.5）配制成微表处混合料，因此，矿料的合成级配设计值选取MS-3 型的级配中值。

图1 级配设计

2.2 油石比确定

研究选取6.0%、6.5%、7.0%、7.5%和8.0%的油石比进行试验，测试结果见表5、表6。可知，当微表处混合料的油石比在6.5%、7.0%、7.5%和8.0%时，其湿轮磨耗值、负荷黏砂值、宽度变化率和黏聚力值均满足技术要求。

表5 湿轮磨耗试验与负荷黏砂试验结果

表6 轮辙变形试验和黏聚力试验结果

为了避免常规配合比设计确定的最佳油石比范围太宽等问题，在常规试验方法确定的最佳油石比范围内，通过引入小梁弯曲试验精确计算微表处混合料最佳油石比，小梁试验初选乳化沥青用量为6.5%、7%、7.5%、8%。

成型步骤：（1）拌和好纤维、水泥和矿粉；（2）加入定量的水，搅拌后添加乳化沥青，搅拌均匀后即可得到纤维微表处混合料；（3）将拌和均匀的纤维微表处混合料摊铺在车辙试模内，常温条件下放置 30 min 后，碾压成型得到车辙板；（4）将车辙板置于60℃烘箱中养生1 d，取出车辙板并冷却16 h后切割小梁试件，尺寸为 250 mm × 30 mm × 35 mm。根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中低温弯曲试验要求，测试不同油石比下小梁试件的弯拉应变，结果见表7。考虑到施工和易性以及经济效益，纤维微表处混合料最佳油石比为7.5%。

表7 纤维微表处混合料低温弯曲试验结果

3 不同纤维微表处的性能对比

通过对原材料性能和级配设计，纤维微表处混合料所用油石比为 7.5%，用水量为 4.5%，水泥掺量为1.5%。

为了研究纤维掺量对微表处混合料的性能影响，在确定级配及最佳油石比情况下，以SBR 改性乳化沥青、4种纤维（聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维）等原材料成型试件并测定其抗磨耗性能、抗水损害性能、抗车辙变形性能和低温抗开裂性能。其中纤维掺量选用0.10%、0.20%和0.30%，并与无纤维普通微表处进行性能对比。

3.1 抗磨耗性能对比

表8 和图2 为纤维微表处1 h 湿轮磨耗试验结果。

表8 1 h 湿轮磨耗试验结果

图2 1 h 湿轮磨耗值对比

从表8 和图2 中看出：相比无纤维的微表处，0.10%纤维掺量下微表处的1 h 湿轮磨耗值减小了，且随着纤维掺量的提高，纤维微表处的1 h 湿轮磨耗值也随之提高。可以看出，不同纤维对微表处的抗磨耗性能提升程度从大到小依次为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维。

3.2 抗水损性能对比

表9 和图3 为纤维微表处6 d 的湿轮磨耗试验结果。

表9 6 d 湿轮磨耗试验结果

图3 6 d 湿轮磨耗值对比

分析表9 和图3 可知：（1）纤维微表处的6 d湿轮磨耗值随着纤维掺量的提高而增加。（2）当纤维掺量在0.10%时，4 种纤维微表处的6 d 湿轮磨耗值均比无纤维的微表处的低。（3）当纤维掺量在0.20%时，除玄武岩纤维外，其他3 种纤维微表处的6 d 湿轮磨耗值均超过无纤维的微表处。（4）当纤维掺量在0.30%时，4 种纤维微表处的6 d 湿轮磨耗值均大于无纤维的微表处。4 种纤维对微表处抗水损害性能的提高从大到小依次为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维。

3.3 抗车辙变形性能对比

表10 和图4 为纤维微表处的轮辙宽度变形试验结果。

表10 车辙试验结果

图4 抗车辙试验值对比

分析表10 和图4 可知：（1）4 种纤维微表处的动稳定度值随着纤维掺量的增加呈现先上升后减小趋势，当纤维掺量为0.20%时，其动稳定度最大。（2）相同纤维掺量下，4 种纤维微表处的抗车辙变形能力的提升效果从大到小依次为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维。

3.4 低温抗裂性能对比

表11 和图5 为纤维微表处低温弯曲试验结果。

表11 低温小梁试验结果

图5 低温开裂试验值对比

从表11 和图5 中可以看出：（1）相比无纤维微表处，4 种纤维微表处混合料的最大弯拉应变均得到提高，且其值随纤维掺量的提高而增大，说明纤维微表处的低温抗裂性能更好。（2）当掺加的纤维种类不同，纤维微表处的最大弯拉应变值也不同，即其低温抗裂性能也不同，4 种纤维对微表处的低温抗裂性能提升程度由大到小依次为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维。

综合上述各项指标的室内试验结果，当纤维掺量在0.20%，纤维微表处混合料的各项性能相比普通微表处均表现优异，且玄武岩纤维微表处的各项性能相比其它3 种纤维微表处更为优越。因此，在实际工程铺筑玄武岩纤维微表处。

4 工程应用

4.1 项目概况

京港澳高速公路（G4）是北京通往石家庄直至广州、深圳的国家级干道，北京段高速公路全长45.307 km，大部分路段为双向六车道，设计时速为80 ～120 km。作为北京西南部重要的通道，每日车流量巨大，在长期车辆作用下，路面出现微裂缝等病害。因此，对京港澳高速K0+300—K9+900 路段进行全段综合治理，结合道路技术状况指标，坚持精品理念，按照最新建设标准，优选创新应用技术成果，计划选取K9+000—K9+300 试验段实施优选的玄武岩纤维微表处，原材料包括基质沥青、乳化剂、SBR 胶乳、石料和玄武岩纤维。

4.1.1 现况道路技术标准

公路等级：高速公路主线设计速度：120 km/h；道路标准横断面：标准断面为双向6 车道，主路单幅路面宽为0.5 m +3.75 m×3+0.5 m =12.25 m，内侧为超车道，中间和外侧为行车道。

4.1.2 旧路结构调查

旧路自上而下结构组成依次为 SMA-16（5 cm）、中粒式沥青混合料 AC-20（6 cm）、粗粒式混凝土（4.5 cm）、黑色碎石（7 cm）、石灰粉煤灰稳定砂砾（40 cm），石灰砂砾（20 cm）。

4.1.3 年平均日交通量

根据京港澳高速岳各庄桥西站点交通量观测数据，京港澳高速K0+300—K9+900 年平均日交通量绝对值为53 856 辆/日，属于特重交通量等级。

4.2 施工条件

北京市属中纬度地区，受西风带影响，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。工程施工位置处于北京市京港澳高速，计划于3 至7 月进行，天气影响较小，有大小河流200余条，主要有永定河、潮白河、北运河、拒马河、泃错河五大河流，多属海河水系。本工程在高速公路上施工，车辆行驶通畅，交通较方便。地上有部分上跨桥梁及高压线，经调查限高及安全施工高度均符合要求；地下管线及其他构筑物等经调查均不影响施工。

4.3 路面养护设计方案

根据检测数据，京港澳高速公路K0+300—K9+900 病害主要是纵横向裂缝及轻微车辙，路面抗滑性有所下降。为了防止路面出现新的病害或者轻微裂缝进一步扩展、延缓路面使用性能的衰减，保持和改善路面使用性能，结合沥青路面预防性养护技术指南中的适用条件要求，综合路面病害特征、交通量、资金和费用效益等因素，对京港澳高速K0+300—K9+900 双向路面实施微表处预防性养护，且选用玄武岩纤维微表处。

4.4 施工效果评价

为了验证设计的玄武岩纤维微表处各项路用性能，在京港澳高速部分路段对其各项性能指标进行了检测，且评价了纤维微表处实体工程的表观质量、路面抗滑性能、渗水系数、厚度等。结果显示，微表处各项施工性能指标均满足规范《公路沥青路面微表处设计与施工技术规范》（DB62T 3129—2017）要求；微表处竣工后其全线外观表面平整、密实、均匀，无松散，无花白，横向接缝对接平顺，纵向接缝宽度均不大于80 mm，无不平整现象。

于施工后第一年冬季对比观测纤维微表处和普通微表处的表观开裂状况和统计裂缝数量，对路面长时间观测中未发现纤维微表处路段出现开裂现象及开裂趋势，普通微表处已出现少量裂缝。表明普通微表处在添加玄武岩纤维后能显著提高微表处的抗松散性，以三维立体方式对混合料进行加强，提高了沥青混凝土内聚力、抑制微表处的开裂，其它工程检测结果见表12。可知，纤维微表处在实体工程应用中表现良好。

表12 纤维微表处的性能检测结果

5 结语

本项目对纤维微表处进行了研究，给出了纤维微表处的原材料和配合比设计，并对4 种纤维（聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维）微表处及3 种纤维掺量（0.10%、0.20%和0.30%）下进行了性能评价和优选。与普通微表处进行性能对比，将优选的纤维微表处应用于京港澳高速公路，得到结论：（1）不同纤维对微表处的抗磨耗性能、抗水损害性能、抗车辙性能和抗低温开裂性能提升程度从大到小依次为玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维。（2）相比无纤维微表处，4 种纤维微表处混合料的最大弯拉应变均得到提高，且其值随纤维掺量的提高而增大，说明纤维微表处的低温抗裂性能更好。（3）通过室内试验和性能对比，并考虑工程经济，玄武岩纤维掺量选用0.20%。（4）评价了玄武岩纤维在京港澳高速公路应用后的效果，得到了综合路用性能良好的玄武岩纤维微表处。