李艷青

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

0 引言

微表處是采用專用機(jī)械設(shè)備將聚合物改性乳化瀝青、粗細(xì)集料、填料、水和添加劑等按照設(shè)計(jì)配比拌和成稀漿混合料鋪設(shè)在原路面上的快凝型薄層罩面。其具有開放交通快、施工效率高、施工季節(jié)長、經(jīng)濟(jì)效益好、低能耗、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢，目前我國已進(jìn)入道路養(yǎng)護(hù)時(shí)代，大量已有的道路面臨巨大的養(yǎng)護(hù)壓力，微表處經(jīng)過多年的推廣和應(yīng)用，已得到了道路行業(yè)的廣泛認(rèn)可[1-2]。然而，微表處在攤鋪過程中易出現(xiàn)縱橫向刮痕、跑漿等，在服役期間出現(xiàn)了水穩(wěn)定性、抗裂性能及耐久性不足，產(chǎn)生車轍、蛻皮、掉粒等一系列病害，并且大量工程實(shí)踐和研究數(shù)據(jù)表明[3-9]，由于微表處路面各個(gè)凸起集料的上表面之間存在一定高度差，表面密實(shí)飽滿程度較差，導(dǎo)致行車時(shí)輪胎碾壓在大小不一的集料時(shí)產(chǎn)生高頻低幅的振動(dòng)，因此微表處路面行車噪聲比普通瀝青路面要高出3～4 dB，尤其是隧道和城市道路，噪聲過大會(huì)對道路參與者的心理產(chǎn)生不良影響，影響行車安全，這嚴(yán)重影響微表處的推廣與應(yīng)用。

為了提高微表處的性能和降低行車噪聲，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究，美國學(xué)者在微表處混合料中添加了5%聚乙烯纖維和5%橡膠顆粒，研究了柔性降噪微表處技術(shù)[4]。西班牙和法國學(xué)者研究認(rèn)為采用間斷級配的微表處混合料可以獲得很好的降噪、排水和抗滑功能[5]。國內(nèi)也有學(xué)者開展了有關(guān)改善微表處混合料改善路用性能和降低行車噪音的相關(guān)研究，季節(jié)[6]、張慶[7]等研究了摻加水性環(huán)氧樹脂的微表處混合料路用性能和耐久性。黎侃[8]等研究表明，摻加纖維的微表處的耐磨性能、抗疲勞性能得到了顯著提高。鐘建超[9]、呂權(quán)[10]、王宏臣[11]等研究表明，摻加橡膠顆?；蛲ㄟ^優(yōu)化微表處級配可實(shí)現(xiàn)減小微表處混合料行車噪音，摻加3%橡膠粉可以降低噪聲4～5 dB(A)，通過添加外摻劑來提高微表處混合料的路用性能，降低微表處路面噪聲十分必要[12-15]。為了提高傳統(tǒng)微表處耐久性，從而延長微表處的路用壽命，提高低溫抗裂性能、改善傳統(tǒng)微表處新舊路面粘結(jié)性能、降低噪音等綜合要求考慮[12]，本文將聚酯纖維與橡膠顆粒復(fù)合添加劑摻入微表處混合料中，通過常規(guī)拌合試驗(yàn)、粘聚力試驗(yàn)、負(fù)荷輪車轍試驗(yàn)綜合優(yōu)化聚酯纖維和橡膠顆粒的摻量，進(jìn)而采用低溫SCB試驗(yàn)、剪切疲勞試驗(yàn)研究纖維橡膠微表處混合料的低溫性能與耐久性，選取輪胎振動(dòng)衰減與室內(nèi)軌道下滑試驗(yàn)來研究和評價(jià)纖維橡膠顆粒微表處混合料的減振與降噪特性，結(jié)合實(shí)體工程應(yīng)用情況，未驗(yàn)證纖維橡膠微表處混合料的抗滑、降噪性能。

1 試驗(yàn)原材料及初選配比

試驗(yàn)研究選用的集料為玄武巖，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示，粗細(xì)集料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《指南》要求[16]。采用42.5普通硅酸鹽水泥作為填料，水泥摻量為2%(水泥/集料)。所用的橡膠顆粒為西安華珠體育設(shè)施集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的橡膠顆粒，粒徑為0～3 mm，摻量分別選取0、2%、3%和4%(橡膠顆粒/集料)。SBR改性乳化瀝青采用先乳化后改性的工藝，采用FLUKOFM300高速剪切機(jī)制備實(shí)驗(yàn)室自制而成，乳化劑與改性劑為美德維實(shí)維克公司生產(chǎn)的MQI-1D和PC-1468，采用鹽酸為調(diào)節(jié)劑，SBR改性乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見表2。采用工程實(shí)體工程中選用的聚酯纖維，纖維主要技術(shù)指標(biāo)見表3，試驗(yàn)研究初選的聚酯纖維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%(聚酯纖維/集料)。采用國內(nèi)常用的MS-3型微表處礦料級配，合成級配見表4。拌合用水為西安地區(qū)自來水。

表1 集料技術(shù)性能Table1 Technicalperformanceofaggregate材料名稱試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)范限值試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)方法石料壓碎值/%<2618T0316洛杉磯磨耗損失/%<2822T0317粗集料石料磨光值BPN>4253T0321堅(jiān)固性/%<129.5T0314針片狀含量/%<1515.2T0312細(xì)集料堅(jiān)固性/%<129.5T0340礦料砂當(dāng)量/%>6567T0334

表2 SBR改性乳化瀝青性能Table2 PerformanceofSBRmodifiedemulsifiedasphalt項(xiàng)目技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)方法粒子電荷陽離子(+)陽離子(+)T0653殘留物含量/%≥6263.1T0651溶解度/%≥97.599.5T0607蒸發(fā)殘留物針入度/(0.1mm)40^9072T0604延度/cm≥2034.8T0605軟化點(diǎn)/℃≥5760.1T0606常溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性1d<10.5T06555d<52.3T0655

表3 聚酯纖維性能指標(biāo)Table3 Polyesterfiberperformanceindicators項(xiàng)目直徑/μm長度/mm比表面積/(m2·g-1)抗拉強(qiáng)度/MPa伸長率/%燒失量/%吸油率/倍試驗(yàn)結(jié)果204^60.14553033.81.43.25

表4 MS-3型礦料級配設(shè)計(jì)Table4 MS-3typegradingdesign不同篩孔尺寸(mm)級配設(shè)計(jì)/%9.51001001004.7584.48070^902.3655.757.545^701.1841.63028^500.629.726.519^340.320.118.512^250.1514.912.5 7^180.0759.710 5^15

2 聚酯纖維-橡膠微表處混合料材料組成優(yōu)化

試驗(yàn)時(shí)變化聚酯纖維摻量為0～0.3%，橡膠顆粒摻量為0～4%，聚酯纖維和橡膠顆粒以外摻工藝添加，先將預(yù)定質(zhì)量的聚酯纖維、橡膠粉與集料一起拌合均勻，再加入水，最后加入SBR改性乳化瀝青。預(yù)估最佳SBR改性乳化瀝青用量為9%，間隔1%,從8%～10%變化3組SBR改性乳化瀝青用量，固定水泥摻量和流體含量(乳化瀝青+拌合用水量)分別為2.0%、20%(根據(jù)乳化瀝青用量變化拌合用水量，如乳化瀝青用量為9%，則拌合用水量為11%)。按照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》要求，采用拌合試驗(yàn)、粘聚力試驗(yàn)、負(fù)荷輪車轍試驗(yàn)綜合優(yōu)化聚酯纖維和橡膠顆粒的摻量，試驗(yàn)結(jié)果見表5～表7。

表5 拌合試驗(yàn)結(jié)果Table5 Mixingtestresults聚酯纖維摻量/%乳化瀝青用量/%以下橡膠粉摻量(%)的可拌合時(shí)間/s02348153165179191091611731861991016717719420681441531621770.191511611721861015716818619081381471551620.291461541651721015216017718481301421481550.3913814715916210147154164171

表6 粘聚力試驗(yàn)結(jié)果Table6 Resultsofcohesiontest聚酯纖維摻量/%乳化瀝青用量/%以下橡膠粉摻量(%)的粘聚力/(N·m)023481.2(2.2)1.1(1.9)0.9(1.6)0.5(1.4)091.4(2.4)1.2(2.2)1.1(1.8)0.7(1.7)101.1(2.0)0.9(1.7)0.7(1.7)0.6(1.3)81.3(2.3)1.2(2.1)1.0(1.9)0.7(1.6)0.191.5(2.5)1.3(2.3)1.1(2.1)0.9(1.8)101.4(2.4)1.2(2.2)1.1(2.0)0.8(1.9)81.5(2.4)1.3(2.1)1.2(1.9)0.9(1.7)0.291.6(2.7)1.5(2.5)1.4(2.3)1.1(2.1)101.5(2.4)1.4(2.2)1.3(2.1)1.2(2.0)81.2(2.1)1.0(1.9)0.8(1.7)0.6(1.4)0.391.4(2.4)1.2(2.1)1.0(1.9)0.9(1.6)101.3(2.2)1.1(2.0)0.9(1.8)0.7(1.5)注:()內(nèi)為浸水6d濕輪磨耗值。

表7 負(fù)荷輪車轍試驗(yàn)結(jié)果Table7 Loadwheelruttingtestresults聚酯纖維摻量/%乳化瀝青用量/%以下橡膠粉摻量(%)的輪轍變形率023483.84.55.26.7093.34.24.75.4104.15.35.75.982.63.34.15.30.192.22.93.84.3102.12.63.24.181.92.53.13.90.291.21.92.33.1101.01.52.22.982.43.14.25.10.392.23.03.84.6102.73.84.44.5

由表5拌合試驗(yàn)結(jié)果可知:①聚酯纖維-橡膠微表處混合料的拌合時(shí)間隨SBR改性乳化瀝青用量增大而增大，乳化瀝青用量越高，微表處成漿時(shí)瀝青在集料表面形成的瀝青膜厚度越大，破乳速度越慢，因此微表處混合料施工和易性提高、施工可操作時(shí)間延長。②拌合時(shí)間隨橡膠顆粒用量增大而減小，在橡膠顆粒摻量達(dá)到3%以后，微表處混合料拌合時(shí)間明顯延長，尤其是橡膠顆粒摻量達(dá)到4%時(shí)，在聚酯纖維摻量0～0.1%條件下，微表處混合料拌合時(shí)間大于180 s，這不利于微表處混合料快速開放交通。③在相同聚酯纖維和SBR改性乳化瀝青用量條件下，拌合時(shí)間隨聚酯纖維摻量增大而減小，這主要是聚酯纖維有一定的吸持瀝青能力，且纖維的加筋作用、增黏作用提高了微表處混合料的早期成漿稠度?？傮w而言，加入聚酯纖維有利于微表處混合料能夠快速開放交通，而摻加橡膠顆粒能提高微表處混合料的施工性能，避免了微表處因早期強(qiáng)度形成過快、強(qiáng)度過高而導(dǎo)致的縱橫向刮痕病害，在2%～3%橡膠顆粒和0.2%～0.3%聚酯纖維復(fù)配方案下，微表處混合料的拌合時(shí)間為130～180 s，拌合時(shí)間適宜，施工和易性良好。

由表6粘聚力試驗(yàn)結(jié)果可知:①在8%～10%SBR改性乳化瀝青用量范圍內(nèi)，30、60 min粘聚力隨SBR改性乳化瀝青用量增加大致呈先減小后增大的趨勢，SBR改性乳化瀝青的摻加量有一個(gè)最佳用量，不同聚酯纖維和橡膠顆粒復(fù)配方案下的最佳SBR改性乳化瀝青用量略有不同。②30、60 min粘聚力隨橡膠顆粒摻量增大而降低，在橡膠顆粒摻量為4%時(shí)，粘聚力較難滿足現(xiàn)行《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》要求的30、60 min后粘聚力不小于1.2、2.0 N·m約束值，可以認(rèn)為橡膠顆粒的摻加量有一個(gè)上限值。③隨著聚酯纖維摻量增大，粘聚力呈先增大后減小趨勢，聚酯纖維摻量超過0.2%后粘聚力出現(xiàn)下降趨勢，這主要是纖維的改性效果與其分散均勻程度密切相關(guān)，過多的纖維因分散不均勻出現(xiàn)的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致微表處混合料內(nèi)部產(chǎn)生薄弱面，因此聚酯纖維的摻加量存在一個(gè)最佳摻量，最終確定聚酯纖維摻量取0.2%較為適宜。

由表7負(fù)荷輪車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，輪轍變形率隨聚酯纖維摻量和SBR改性乳化瀝青用量增大呈先增大后減小趨勢，這與乳化瀝青的潤滑作用、界面黏附作用以及聚酯纖維的界面增強(qiáng)作用和纖維分散均勻程度有關(guān)，加入聚酯纖維后，微表處混合料抗車轍能力提高，但也有一個(gè)最佳聚酯纖維摻量。摻入橡膠顆粒后，微表處混合料抗車轍變形能力降低，隨橡膠顆粒摻量的增加，混合料的輪轍變形率顯著提高，對于不摻加聚酯纖維的微表處混合料，當(dāng)橡膠顆粒的摻量為4%時(shí)，其輪轍變形率基本達(dá)到了5.4%以上，已不能滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》輪轍變形率不大于5.0%規(guī)范要求，可以認(rèn)為橡膠顆粒的摻加量有一個(gè)限值。在0.1%～0.3%聚酯纖維+0～3%橡膠顆粒復(fù)配方案下，聚酯纖維-橡膠微表處混合料的輪轍變形率不超過4.5%，可見聚酯纖維對橡膠顆粒微表處混合料抗車轍性能有提升作用。

綜上可知，在聚酯纖維摻量為0.2%、橡膠顆粒摻量2%～3.0%時(shí)，聚酯纖維-橡膠微表處混合料的施工性能和抗車轍性能均滿足規(guī)范，但考慮到橡膠顆粒的降噪功能的改善效果，最終優(yōu)化出以下2種聚酯纖維-橡膠微表處混合料材料組成方案：①方案I：0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒+9%SBR改性乳化瀝青；②方案II：0.2%聚酯纖維+4%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青。

3 聚酯纖維-橡膠微表處混合料路用性能

對方案I、II微表處混合料的路用性能進(jìn)行檢驗(yàn)，對照組采用普通SBR改性乳化瀝青微表處(方案III)、3%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青微表處(方案IV)、0.2%聚酯纖維+9%SBR改性乳化瀝青微表處(方案V)。

3.1 濕輪磨耗試驗(yàn)

現(xiàn)行《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》要求以濕輪磨耗試驗(yàn)控制乳化瀝青的最小摻量，濕輪磨耗試驗(yàn)也用于檢驗(yàn)稀漿混合料的配伍性和抗水損害能力。不同乳化瀝青用量下的濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 濕輪磨耗試驗(yàn)

由圖1濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果可知：①5種微表處混合料(方案Ⅰ～方案Ⅴ)的濕輪磨耗值均滿足《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》規(guī)定浸水1 h、6 d后的濕輪磨耗損失不大于540、800 g/m2的要求。②聚酯纖維微表處混合料(方案Ⅴ)的1 h、6 d濕輪磨耗損失最小，摻加3%、4%橡膠顆粒后，方案Ⅰ、Ⅱ相比方案Ⅴ，1 h濕輪磨耗損失率增大了2.8%、13.9%，浸水6 d后的濕輪磨耗損失增大了3.6%、13.6%，摻加橡膠顆粒對微表處混合料水穩(wěn)定性和耐磨耗性能有負(fù)面影響，橡膠顆粒摻量由3%增大至4%后，聚酯纖維-橡膠微表處混合料的濕輪磨耗值顯著增大。分析其原因，橡膠顆粒整體呈現(xiàn)出憎水、憎油的惰性，干涉了乳化瀝青在集料表面的成膜狀態(tài)，劣化了接觸界面強(qiáng)度，并且過多的橡膠顆粒，因分散不均勻而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，從而形成薄弱接觸界面，因此在濕輪重復(fù)荷載作用下易發(fā)生剝落、剝離現(xiàn)象。③摻加0.2%聚酯纖維后，微表處混合料浸水1 h、6 d的濕輪磨耗值顯著減小，相比方案Ⅳ，方案Ⅴ的浸水1 h、6 d后的濕輪磨耗值降低了12.2%、43.6%，相比方案Ⅳ，Ⅳ方案Ⅰ、Ⅱ浸水6 d后的濕輪磨耗值降低了51.8%、46.6%，同時(shí)浸水1 h后的濕輪磨耗值降低了30.2%、22.6%，由此可見，摻加適量聚酯纖維后，微表處混合料耐磨耗性能得到了明顯改善，究其原因：纖維在微表處混合料中所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠起到加筋穩(wěn)固作用、吸附穩(wěn)定作用、界面增強(qiáng)作用，對微表處混合料顆粒的移動(dòng)和脫落起到了限制、約束作用，進(jìn)而提高了混合料的耐磨耗性能。

3.2 低溫SCB試驗(yàn)

微表處位于整個(gè)路面的最上層，直接承受外界溫度的變化，內(nèi)部溫度應(yīng)力也最為劇烈，其低溫抗開裂性能的優(yōu)劣對整個(gè)路面的低溫抗開裂性能影響很大，鑒于此，有必要研究摻加再生料之后微表處混合料的低溫抗裂性能。采用-10℃低溫SCB試驗(yàn)評價(jià)微表處混合料的低溫抗裂性能。對方案Ⅰ～方案Ⅴ微表處混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型直徑10 cm，高10 cm圓柱體試樣，在60℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3 d后冷卻12 h備用。采用芬蘭產(chǎn)雙面鋸取圓柱體試件中間6 cm部分，并切割成3 cm厚的圓形試件，再將圓形試件其從直徑方向?qū)ΨQ切開，1個(gè)圓柱體試樣可切割4個(gè)平行試件。SCB試驗(yàn)加載速率為1 mm/min，支點(diǎn)間距為SCB試件直徑的0.8倍，以彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、破壞應(yīng)變能為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 低溫SCB試驗(yàn)結(jié)果Table7 LowtemperatureSCBtestresults試驗(yàn)方案抗彎拉強(qiáng)度/MPa彎拉應(yīng)變/με勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/(J·m-2)Ⅰ4.932256.621851683.3Ⅱ4.122076.619841484.6Ⅲ3.641627.822361110.3Ⅳ2.891194.52419806.7Ⅴ5.112573.219861866.2

表7試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加橡膠顆粒和聚酯纖維對微表處混合料彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變、破壞應(yīng)變能有顯著影響。5種微表處混合料的彎拉強(qiáng)度、彎曲應(yīng)變和破壞應(yīng)變能大小排序一致，2種纖維橡膠微表處混合料低溫性能優(yōu)于SBR微表處混合料，橡膠顆粒微表處混合料低溫性能最差，即：0.2%聚酯纖維+9%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅴ)>0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒+9%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅰ)>0.2%聚酯纖維+4%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅱ)>普通SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅲ)>3%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅳ)。對比方案Ⅲ、方案Ⅴ可知，摻加聚酯纖維能顯著改善微表處混合料的低溫抗裂性能，聚酯纖維微表處混合料在我國北方等寒冷地區(qū)有較好的適用性。對比方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可知，摻加橡膠顆粒對微表處混合料低溫性能有負(fù)面影響，且橡膠顆粒摻量越大，纖維橡膠微表處混合料低溫性能越差。

3.3 抗滑性能

采用構(gòu)造深度(TD)和擺值(BPN)表征微表處混合料的宏觀抗滑性能。試驗(yàn)方法按照J(rèn)TG E20-2011執(zhí)行。由表8可見，橡膠顆粒和聚酯纖維的加入對于微表處混合料路面的構(gòu)造深度和擺值有一定的影響，但影響非常小，構(gòu)造深度可以滿足降雨量大于1 000 mm地區(qū)路面抗滑性能的要求。

表8 微表處混合料抗滑性能Table8 Anti-slidingpropertiesofmicro-surfacingmixture試驗(yàn)方案構(gòu)造深度TD/mm擺值BPNⅠ1.1495Ⅱ1.1093Ⅲ1.2292Ⅳ1.0898Ⅴ1.2096

3.4 剪切疲勞試驗(yàn)

考慮到微表處薄層罩面所處的層位功能和實(shí)際的受力環(huán)境，針對微表處混合料罩面的主要破壞形式為車轍、蛻皮和剪切推移，采用直接剪切疲勞試驗(yàn)研究纖維橡膠瀝青微表處混合料的抗疲勞性能。剪切疲勞試件制備：采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型直徑10 cm，高10 cm圓柱體試樣，將試樣在60 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生3 d后冷卻12 h備用，接著采用芬蘭產(chǎn)雙面鋸取圓柱體試件中間6 cm部分，并切割成3 cm厚的圓形試件。用環(huán)氧樹脂將3 cm厚試件粘貼在馬歇爾試件上(見圖2)，25 ℃鼓風(fēng)烘箱放置2 d后備用，待環(huán)氧樹脂完全固化后進(jìn)行剪切試驗(yàn)以確保剪切破壞發(fā)生在微表處混合料內(nèi)部，以峰值剪切強(qiáng)度表征微表處混合料的抗剪切性能，每組4個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。疲勞試驗(yàn)采用電液同服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為25 ℃，采用5 HZ連續(xù)式半正矢波形，控制應(yīng)力水平為0.1、0.2、0.3、0.4，疲勞試驗(yàn)每組6個(gè)平行試件，采用疲勞壽命與應(yīng)變水平的雙對數(shù)擬合參數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見表10。

(a)切割3 cm厚試件

表9 微表處混合料抗剪強(qiáng)度結(jié)果Table9 Shearstrengthresultsofthemixtureatthemicro-table試驗(yàn)方案不同應(yīng)力水平抗剪切強(qiáng)度/MPa0.10.20.30.4剪切強(qiáng)度平均值/MPaⅠ0.7560.7560.8310.8100.788Ⅱ0.7150.7350.7130.7670.733Ⅲ0.6890.6750.6530.6970.679Ⅳ0.5340.4930.4620.4780.492Ⅴ0.7980.8230.8730.8320.832

由表9剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，方案Ⅰ、Ⅱ兩種纖維-橡膠顆粒微表處混合料的抗剪切強(qiáng)度比普通微表處混合料(方案Ⅲ)增大了16.2%、7.9%，橡膠顆粒微表處混合料(方案Ⅳ)的抗剪切強(qiáng)度比普通微表處混合料降低了38%，纖維微表處混合料(方案Ⅳ)的抗剪切強(qiáng)度比普通微表處混合料增大了19.3%，由此可見，單摻聚酯纖維的微表處混合料抗剪切強(qiáng)度最大，而單摻橡膠顆粒的微表處混合料抗剪切強(qiáng)度最小，纖維橡膠微表處混合料的抗剪切強(qiáng)度大于普通微表處混合料，摻加纖維對微表處混合料的抗剪切強(qiáng)度有較大的提升作用，橡膠顆粒對微表處混合料抗剪切強(qiáng)度的負(fù)面影響隨橡膠顆粒摻量增大而加劇。

表10 剪切疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table10 Shearfatiguetestresults試驗(yàn)方案不同應(yīng)力水平的疲勞壽命/次0.10.20.30.4疲勞方程N(yùn)f=K+nln(σ)及R2Ⅰ101726380561931311102Nf=7.927-1.583ln(σ)(R2=0.985)Ⅱ9012636347181269967Nf=7.868-1.587ln(σ)(R2=0.992)Ⅲ7831527933136287478Nf=7.356-1.764ln(σ)(R2=0.991)Ⅳ6489820750115306197Nf=7.165-1.843ln(σ)(R2=0.986)Ⅴ111982416342273013329Nf=8.161-1.516ln(σ)(R2=0.994)

由表10可見，單摻聚酯纖維的微表處混合料疲勞壽命最大，而單摻橡膠顆粒的微表處混合料疲勞壽命最小，2種聚酯纖維-橡膠微表處混合料的疲勞壽命略大于普通微表處混合料。在0.1～0.4應(yīng)變水平下，聚酯纖維微表處混合料的疲勞壽命比普通微表處混合料增大了42.9%～78.2%，0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒微表處混合料、0.2%聚酯纖維+4%橡膠顆粒微表處混合料疲勞壽命比單摻聚酯纖維的微表處混合料降低了8.6%～16.7%、12.6%～25.2%，由此可見，摻加聚酯纖維能夠顯著改善微表處混合料的抗剪切疲勞性能，而摻加橡膠顆粒會(huì)對微表處混合料疲勞性能有負(fù)面影響，橡膠顆粒摻量越大，其對剪切疲勞壽命的劣化影響越明顯。隨著應(yīng)變水平增大，5種微表處混合料疲勞壽命明顯降低，疲勞壽命與應(yīng)變水平在雙對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)呈良好的負(fù)線性相關(guān)性，擬合優(yōu)化度R2均大于0.95。單摻聚酯纖維的微表處混合料疲勞曲線的截距K最大，n絕對值最小，K值表征疲勞壽命大小，其值越大，疲勞壽命越大，n值表征疲勞壽命對應(yīng)變水平的敏感顯著程度，其值越大，疲勞壽命對應(yīng)變水平越敏感，0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒微表處混合料、0.2%聚酯纖維+4%橡膠顆粒微表處疲勞方程K值比單摻聚酯纖維的微表處混合料降低了2.87%、3.59%，同時(shí)n絕對值增大了4.42%、4.68%，但比普通微表處混合料，2種纖維-橡膠顆粒微表處混合料的K值增大了7.76%、6.96%，同時(shí)n絕對值減小了10.26%、10.03%，由此可見摻加橡膠顆粒不僅降低了纖維微表處混合料的疲勞壽命，也增加了疲勞壽命對應(yīng)變水平的敏感性，另一方面，摻加橡膠顆粒會(huì)對微表處混合料疲勞性能有一定的劣化影響，但聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料的疲勞壽命能夠達(dá)到甚至超過普通微表處的水平，說明橡膠顆粒對纖維-橡膠微表處混合料的疲勞性能劣化影響可控，摻加纖維和橡膠顆粒后，微表處混合料疲勞性能得到明顯改善。

4 聚酯纖維-橡膠微表處混合料減振降噪特性

聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料是一種復(fù)雜的多相復(fù)合材料，可以將其看作一種阻尼結(jié)構(gòu)，從而可以通過測量對該結(jié)構(gòu)的減振性能進(jìn)行定量分析。本文選取輪胎振動(dòng)衰減與室內(nèi)軌道下滑試驗(yàn)來研究和評價(jià)不同條件下橡膠顆粒瀝青混合料的減振降噪特性。輪胎振動(dòng)衰減試驗(yàn)選用德國大眾捷達(dá)小汽車輪胎，微表處混合料試件尺寸為300 mm(長)×300 mm(寬)×20 mm(厚)。試驗(yàn)時(shí)，將微表處混合料試件分別攤鋪在水泥混凝土面板和瀝青混凝土路面上，使輪胎在試件上方約3cm處自由垂直下落，由固定在輪轂中心處的ICP加速度傳感器將信號(hào)傳遞給YE6263數(shù)據(jù)采集分析儀進(jìn)行記錄，結(jié)果見表11。降噪特性試驗(yàn)采用長安大學(xué)研發(fā)的室內(nèi)加速滾動(dòng)下滑系統(tǒng)，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集軟件和聲學(xué)測試分析軟件，以聲壓和聲強(qiáng)為指標(biāo)，分別研究汽車輪胎與水泥路面加鋪微表處罩面及瀝青路面加鋪微表處罩面相互作用產(chǎn)生的噪音，調(diào)整軌道角度為15°，高度為60 cm，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表11 纖維-橡膠微表處混合料減振與降噪特性試驗(yàn)結(jié)果Table11 Testresultsofvibrationandnoisereductioncharacteristicsofthemixtureatthefiber-rubbermicrometer試驗(yàn)方案瀝青路面+微表處振動(dòng)衰減系數(shù)/%水泥路面+微表處振動(dòng)衰減系數(shù)/%①②③④①②③④Ⅰ3.6343.6123.6763.7023.2343.2563.3033.204Ⅱ3.8933.9223.8953.9653.5413.4323.4923.503Ⅲ3.2313.1253.2093.1982.8452.7562.8042.714Ⅳ3.6073.5873.6123.5873.2123.1243.2023.104Ⅴ3.3553.4093.3213.2772.9852.8452.8982.943

表12 纖維-橡膠微表處混合料聲壓聲強(qiáng)軌道下滑試驗(yàn)結(jié)果Table12 Resultsofsoundpressureandsoundintensityorbitalslidingtestoffiber-rubbermicro-surfacing試驗(yàn)方案水泥路面加鋪微表處/dB瀝青路面加鋪微表處/dB聲壓級聲強(qiáng)級聲壓級聲強(qiáng)級Ⅰ65.466.773.674.1Ⅱ63.864.170.471.2Ⅲ69.470.277.478.2Ⅳ67.868.174.775.2Ⅴ68.569.375.776.1

由表11試驗(yàn)結(jié)果可見，瀝青路面加鋪微表處罩面時(shí)，0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒微表處混合料、0.2%聚酯纖維+4%橡膠顆粒微表處混合料的振動(dòng)衰減系數(shù)相比普通微表處混合料增大了14.5%、22.8%，同時(shí)，水泥路面加鋪微表處罩面時(shí)，方案I、方案II這2種纖維-橡膠微表處混合料的振動(dòng)衰減系數(shù)比方案Ⅳ增大了16.9%、25.6%。橡膠顆粒微表處混合料(方案Ⅳ)加鋪在瀝青路面、水泥路面上，振動(dòng)衰減系數(shù)相比普通微表處混合料罩面(Ⅱ)分別增大了12.7%、13.7%，摻加纖維和橡膠顆粒微表處混合料的振動(dòng)衰減系數(shù)大于單一纖維、橡膠顆粒微表處混合料。由此可見，加鋪微表處罩面的振動(dòng)衰減系數(shù)比摻加聚酯纖維、橡膠顆粒能夠提高輪胎在水泥路面和瀝青路面試件上振動(dòng)時(shí)的衰減系數(shù)，橡膠顆粒摻量越大，微表處混合料振動(dòng)衰減系數(shù)越大，摻加橡膠顆粒對微表處路面振動(dòng)衰減系數(shù)提高幅度比摻加聚酯纖維更明顯，纖維-橡膠微表處混合料罩面的減振效果明顯。瀝青路面微表處罩面后振動(dòng)衰減系數(shù)比水泥路面微表處罩面高12.2%～14.8%，瀝青路面比水泥路面有更好減振效果，這與實(shí)際行車狀況相吻合。

由表12試驗(yàn)結(jié)果可見，水泥路面加鋪微表處罩面時(shí)，軌道下滑試驗(yàn)實(shí)測聲壓級、聲強(qiáng)級明顯大于水泥路面加鋪微表處罩面，前者比后者聲壓級、聲強(qiáng)級大6.6～8.2 dB、6.8～8.0 dB。下承層結(jié)構(gòu)類型相同，5種微表處混合料的聲壓(強(qiáng))值大小排序?yàn)椋?%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青微表處(方案II)>0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒+9%SBR改性乳化瀝青微表處(方案I)>3%橡膠顆粒+10%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅳ)>0.2%聚酯纖維+9%SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅴ)>普通SBR改性乳化瀝青微表處(方案Ⅲ)，方案Ⅰ、Ⅱ聲壓(強(qiáng))級比普通微表處混合料(方案Ⅲ)降低了4～7 dB，表明橡膠顆?；蚓埘ダw維對微表處混合料有較好的降噪作用，橡膠顆粒降噪效果優(yōu)于聚酯纖維，同時(shí)加入橡膠顆粒和聚酯纖維后微表處混合料降噪效果更加明顯。水泥路面加鋪微表處和瀝青路面加鋪微表處，方案Ⅱ聲壓(強(qiáng))級比方案Ⅰ減小了1.6(2.6)dB和3.2(2.9)dB，表明橡膠顆粒摻量越大，纖維-橡膠微表處混合料的降噪作用越明顯。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

纖維-橡膠顆粒微表處比普通微表處增加的成本計(jì)算如下：實(shí)體工程中MS-3型微表處中礦料用量在15～22 kg/m2范圍內(nèi)，按18 kg/m2計(jì)算，橡膠顆粒添加量按礦料質(zhì)量的3%計(jì)算(此時(shí)油石比無變化)，橡膠顆粒目前市場價(jià)格大致在2 500～3 000元/t范圍內(nèi)，按2 750 元/t計(jì)算，路用聚酯纖維的市場價(jià)格在10 000～15 000 元/t，按照12 500元/t計(jì)算，每1m2纖維-橡膠顆粒微表處比普通微表處增加的成本計(jì)算如下：

18×3%×2.75+18×0.2%×12.5=1.61元。

經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明，聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料成本僅比普通微表處高1.61元，實(shí)體工程中普通微表處造價(jià)約為20元/m2，按照聚酯纖維-橡膠顆粒微表處僅比普通SBR微表處造價(jià)高8.05%，但聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料比普通微表處混合料有更好的路用性能和減振、降低路面的噪聲性能，具有較好的性價(jià)比。

6 實(shí)體工程運(yùn)用

2016年10月在山西境內(nèi)靈丘至山陰段高速公路(G18)采用微表處技術(shù)矯正K167+000～K182+400段原瀝青混凝土路面平整度、提高路面抗滑能力。2016年10月采用本研究的技術(shù)成果，經(jīng)綜合比選論證，確定采用0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒外摻劑復(fù)配方案，在重車道行車道方向鋪筑了1 km聚酯纖維-橡膠微表處試驗(yàn)段，在拌和階段，增加了2臺(tái)物料添加設(shè)備，將聚酯纖維、橡膠顆粒以干法工藝一同添加到集料中，增加干拌時(shí)間30 s。纖維-橡膠顆粒微表處的攤鋪、碾壓工藝與與普通微表處無異，鋪筑完成后現(xiàn)場微表處攤鋪效果見圖3。工程竣工后對試驗(yàn)段微表處路面的抗滑性能[以構(gòu)造深度(TD)、擺值(BPN)、橫向力系數(shù)這3個(gè)指標(biāo)來表征]進(jìn)行了檢測，并與鄰近路段普通微表處混合料進(jìn)行了對比，結(jié)果見表12。由表12可見，按照普通微表處攤鋪工藝施工完成后的纖維-橡膠顆粒微表處混合料造深度(TD)、擺值(BPN)、橫向力系數(shù)均與普通微表處混合料差別不大，構(gòu)造深度和橫向力系數(shù)遠(yuǎn)大于JTG D50-2017規(guī)范要求，纖維-橡膠顆粒微表處混合料能顯著改善舊瀝青路面的表面紋理，提高舊路抗滑性能。工程竣工通車1月后經(jīng)對比檢測車內(nèi)噪聲分析，試結(jié)果見表13，由表13可見，纖維-橡膠顆粒微表處表面的行車噪音基本與原路面相同，在60、80、100 km/h行車速度下纖維-橡膠顆粒微表處路面的行車噪音比普通微表處混合料減小了5.1、4.7、3.6 dB，表明纖維-橡膠顆粒微表處混合料的降噪效果明顯。

圖3 纖維-橡膠微表處現(xiàn)場施工效果

表12 試驗(yàn)段微表處混合料抗滑性能Table12 Anti-slidingpropertiesofthemixtureatthemicro-meterofthetestsection混合料類型構(gòu)造深TD/mm擺值BPN橫向力系數(shù)SFC60纖維-橡膠顆粒微表處1.1495142普通微表處1.2093149規(guī)范要求≥0.55-≥54注:橫向力系數(shù)SFC一用橫向力系數(shù)測試車,在(60±1)km/h車速下測定;構(gòu)造深度TD一用鋪砂法測定。

表13 纖維-橡膠微表處混合料降噪特性Table13 Noisereductioncharacteristicsofthemixtureatthefiber-rubbermicrometer混合料類型不同測試車速(km/h)下車內(nèi)噪聲/dB6080100原路面64.970.372.8纖維-橡膠顆粒微表處65.471.173.3普通微表處70.575.876.9

7 結(jié)論

a.在微表處混合料中加入橡膠顆粒后，其可拌合時(shí)間相應(yīng)延長，橡膠顆粒提高了微表處混合料的施工性能，橡膠顆粒的加入對于混合料的早期強(qiáng)度有一定的影響；加入聚酯纖維有利于微表處混合料能夠快速開放交通、改善抗車轍性能，聚酯纖維摻量為0.2%時(shí)粘聚力出現(xiàn)峰值。

b.橡膠顆粒的摻量不宜過大，當(dāng)橡膠顆粒摻量過大時(shí)，微表處混合料抗車轍變形能力顯著降低，摻加聚酯纖維對橡膠顆粒微表處混合料抗車轍性能、耐磨耗性能和低溫抗裂性能有顯著提升作用。

c.纖維橡膠微表處混合料具有優(yōu)良的低溫性能和抗疲勞耐久性，將聚酯纖維與橡膠顆粒共同摻入微表處混合料中，能實(shí)現(xiàn)二者對微表處路用性能提升和減振降噪的協(xié)同作用。

d.經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)研究和實(shí)體工程應(yīng)用驗(yàn)證，0.2%聚酯纖維+3%橡膠顆粒微表處混合料具有優(yōu)良的抗滑性能。在60、80、100 km/h行車速度下纖維-橡膠顆粒微表處路面的行車噪音比普通微表處混合料減小了5.1、4.7、3.6 dB，聚酯纖維-橡膠顆粒微表處混合料比普通微表處混合料有更好的路用性能和減振、降低微表處路面的噪聲性能，具有較好的性價(jià)比。