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【摘 要】 通过对纤维沥青封层层间粘结强度形成分析，采用剪切试验和拉拔试验得到粘结强度指标，提出基于路用性能的沥青纤维材料选择方案，分析层间强度的变化规律及强度的形成机理，得出纤维封层层间的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加的规律，为改善基层与下面层之间的粘结状态，防止基层裂缝反射到面层起到积极的指导作用。
【关键词】 纤维沥青；封层；黏结强度
Experimental study of the mechanism of inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal
Liu Jian-gang
(Pingdingshan Highway Administration Central Laboratory Pingdingshan Henan 467000)
【Abstract】 Through the inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal analysis using shear test and pullout test to obtain bond strength index, fibrous material made of asphalt pavement performance-based options, the analysis of variation between the strength and intensity level formation mechanism, drawn fiber seal bond strength between layers showed an increase over time nonlinear law, in order to improve the bonding between the state of the grass-roots level and below, to prevent grass surface cracks reflected to play an active guidance effect.
【Key words】 Fiber asphalt;Sealing layer;Bond strength
纤维沥青层是由短纤维和沥青组成，属于一种纤维增强复合材料，增强相为纤维，而沥青则是基体相［1］，在研究其力学问题时，需要涉及纤维的排列情况、纤维和基体的性能及界面性能等。目前，纤维封层材料的配合比及施工质量控制主要依靠经验法，通过实验方法研究纤维封层的层间黏结强度和整体抗拉强度等力学性能指标，对促进纤维封层的推广应用具有较好的理论指导意义。
1. 乳化沥青的选择
乳化沥青的选择关键在于对乳化剂的选择，而乳化剂则可根据乳化剂的离子类型来挑选：
（1）乳化沥青按照乳化剂溶解于水中电离的离子类型及电荷种类分为:阳离子型、阴离子型、两性离子型和非离子型。阴离子乳化沥青有节省能源、使用方便、乳化剂来源广且价格便宜等优点，但是，这种乳液与矿料的粘附性不太好，特别是与酸性矿料的粘附性更差，图1是阴离子乳化剂与石料粘附示意图。阴离子乳化沥青与矿料的裹覆只是单纯的物理粘附，沥青与矿料之间的粘附力低。若在施工中遇上阴湿或低温季节，乳液的水分蒸发缓慢，沥青裹覆矿料的时间拖长，这样就影响了路面的早期成型，延迟了开放交通的时间。所以综合各种因素，目前国内己很少使用阴离子沥青乳化剂生产乳化沥青［2］。
（2）图2是阳离子乳化沥青与矿料表面粘附示意图，乳液中沥青微粒带正电荷，湿矿料表面带负电荷，两者在有水膜的情况下仍可以吸附结合。因此，即使在阴湿或低温季节，阳离子乳化沥青仍可照常施工。阳离子乳化沥青可以增强与矿料表面的粘附力，提高路面的早期强度，铺筑后可以较快地开放交通，同时它对酸性矿料和碱性矿料都有很好的粘附能力。因而，阳离子乳化沥青既发挥了阴离子乳化沥青的优点，同时又弥补了阴离子乳化沥青的缺点，是目前沥青乳化剂的首选［3］。
2. 纤维的选择
（1）纤维是一种细长而柔韧的材料，常用的有天然纤维和化学合成纤维。前者是用天然高聚物如棉、麻、羊毛、蚕丝及矿物等，经化学处理和机械加工而制得的，如纤维素纤维，蛋白质纤维，甲壳质纤维基石棉等。后者是以合成高聚物(树脂)为原料经化工处理后得到的［4］。工程中常使用的纤维有玻璃纤维、聚丙烯睛纶纤维、聚酷纤维、木质素纤维、矿物纤维以及钢纤维。
（2）沥青纤维增强封层技术所用玻璃纤维的平均长度一般为30mm、60mm或120mm。根据国外经验，采用60mm的纤维一般效果较好。沥青纤维增强封层要采用喷射用无捻粗纱型玻璃纤维，它由多股原丝络制而成，每股原丝含200根玻璃纤维单丝，玻璃纤维直径12~23μm，特克斯数150-9600tex(g/Km)［5］。
（3）本项目采用无碱玻璃纤维的性能指标见表1。
表1 无碱玻璃纤维材料技术指标
玻璃类型 纤维碱
含量 单纤直径 含水量 硬挺度 分散性 灼烧损失
E <0.5% 13μm 0.1% ≥140mm ≥95% 0.8
3. 沥青纤维封层层间黏结强度变化的定性分析
（1）纤维封层从施工到通车运营以后，其层间黏结强度的变化可以定性的表示为图3的形式。
（2）图中，AB段表示纤维封层施工从撒铺改性乳化沥青、纤维，然后进行胶轮压路机碾压、初期养护到限速开放交通前的强度变化；BC段描述了限速开放交通期间和在自然行车的碾压下，纤维封层的层间黏结逐渐上升，至黏结强度达到到最大值的过程；CD段代表路面养护后其纤维封层层间黏结强度达到峰值后，其服务能力在交通荷载和环境作用下服务能力逐渐下降，层间的黏结强度也在逐渐降低；在CD段层间黏结强度变化期间，根据路面状况和对其服务能力的要求选择下一次的养护方法。
4. 纤维封层层间黏结强度形成机理分析
（1）AB段强度变化分析。
纤维封层层间黏结强度的形成是从撒铺改性乳化沥青开始的，刚撒铺的SBR改性沥青流动性较好，与原路面充分接触，并且原路面施工时较干燥，乳化沥青容易渗透到路面集料空隙及孔隙中，为提高上封层与原路面的层间私结性能提供了前提条件。
(2)BC段强度变化分析。
从开放交通初期限制车速到自然行车的碾压，破乳后的乳化沥青存在的少量的水被逐渐的蒸发出来，渗透到原路面中的乳化沥青固化程度加强，原路面上的一薄层沥青起到连接上封层和原路面的粘结层作用，增强了层间粘结性和抗剪能力。纤维封层中玻璃纤维与其吸附的乳化沥青之间的粘结力随着水分的蒸发也在逐渐的增大，玻璃纤维被牢牢的粘结在上封层和原路面之间，其在层间的位置同时被固定。随着环境和自然行车的碾压，纤维封层的抗压强度以及纤维封层和原路面的黏结强度逐渐的趋于稳定［6］。
（3）CD段强度变化分析。
纤维封层的层间豁结强度达到最大值之后，在交通荷载和气候环境的影响下，沥青也随着时间的推移逐渐的老化，使其与原路面、纤维和罩面层的粘结性降低，纤维封层的黏结强度随时间的增长而不断的下降，其服务能力也在不断的降低，在有效地使用年限内，路面有可能出现裂缝、坑槽和推移等病害；路面状况恶化，路面层间的黏结强度急剧下〖LL〗降。何时选择下一次的养护时期，既能保持路面良好的使用性能，又能延长道路的使用寿命和节约寿命周期成本，显得尤为重要。
5. 层间拉拔强度试验分析
通过对纤维封层层间的黏结强度形成机理进行定性的描述，初步掌握了层间黏结强度形成的过程，为了更好的理解和掌握层间黏结强度的变化，用直接拉伸试验对纤维封层施工后初期的层间的拉拔力进行了检测，试验结果如图4所示。纤维封层层间的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加。现场施工后两三个小时就可以限速开放交通，从施工开始到施工后12小时左右，纤维封层层间的黏结强度的变化过程与定性分析时AB段的强度变化是一致的［7］；有图4知，开放交通后初期层间黏结强度增长较快，在强度持续增长的后期，增长的趋势减缓。这一试验结论基本上和层间黏结强度定性分析的AB段和BC段的结果是一致的。
6. 结论
通过对应力吸收层在路面结构中关键功能的分析可知，应力吸收层是处在基层与下面层之间的功能层，为使其路用性能得到更好的发挥，纤维沥青应力吸收层能够改善基层与下面层之间的粘结状态，并且可以在一定程度上防止基层裂缝反射到面层。根据纤维沥青应力吸收层的这些特点，采用剪切试验得到剪切强度和拉拔试验得到粘结强度指标，提出了基于路用性能的沥青纤维材料选择方案，并分析了层间强度的变化规律及强度的形成机理，得出了纤维封层层间的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加的结论，绘制出层间拉拔力随时间的变化曲线，对改善基层与下面层之间的粘结状态及防止基层裂缝反射到面层起到积极的指导作用。
参考文献
［1］ 赵晓亮. 沥青纤维增强封层配合比设计研究［D］．西安：长安大学，2010.
［2］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.
［3］ Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验， 长安大学学报（自然科学版），
2005(5)28-32.
［4］ 陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).
［5］ 孙雅珍， 赵颖华. 新型纤维增强沥青路面的研究［J］. 华东公路， 2002,(02).
［6］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.
［7］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.
［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。
［文章编号］1619-2737（2014）06-05-818
【关键词】 纤维沥青；封层；黏结强度
Experimental study of the mechanism of inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal
Liu Jian-gang
(Pingdingshan Highway Administration Central Laboratory Pingdingshan Henan 467000)
【Abstract】 Through the inter-fiber bonding strength to form layers of asphalt seal analysis using shear test and pullout test to obtain bond strength index, fibrous material made of asphalt pavement performance-based options, the analysis of variation between the strength and intensity level formation mechanism, drawn fiber seal bond strength between layers showed an increase over time nonlinear law, in order to improve the bonding between the state of the grass-roots level and below, to prevent grass surface cracks reflected to play an active guidance effect.
【Key words】 Fiber asphalt;Sealing layer;Bond strength
纤维沥青层是由短纤维和沥青组成，属于一种纤维增强复合材料，增强相为纤维，而沥青则是基体相［1］，在研究其力学问题时，需要涉及纤维的排列情况、纤维和基体的性能及界面性能等。目前，纤维封层材料的配合比及施工质量控制主要依靠经验法，通过实验方法研究纤维封层的层间黏结强度和整体抗拉强度等力学性能指标，对促进纤维封层的推广应用具有较好的理论指导意义。
1. 乳化沥青的选择
乳化沥青的选择关键在于对乳化剂的选择，而乳化剂则可根据乳化剂的离子类型来挑选：
（1）乳化沥青按照乳化剂溶解于水中电离的离子类型及电荷种类分为:阳离子型、阴离子型、两性离子型和非离子型。阴离子乳化沥青有节省能源、使用方便、乳化剂来源广且价格便宜等优点，但是，这种乳液与矿料的粘附性不太好，特别是与酸性矿料的粘附性更差，图1是阴离子乳化剂与石料粘附示意图。阴离子乳化沥青与矿料的裹覆只是单纯的物理粘附，沥青与矿料之间的粘附力低。若在施工中遇上阴湿或低温季节，乳液的水分蒸发缓慢，沥青裹覆矿料的时间拖长，这样就影响了路面的早期成型，延迟了开放交通的时间。所以综合各种因素，目前国内己很少使用阴离子沥青乳化剂生产乳化沥青［2］。
（2）图2是阳离子乳化沥青与矿料表面粘附示意图，乳液中沥青微粒带正电荷，湿矿料表面带负电荷，两者在有水膜的情况下仍可以吸附结合。因此，即使在阴湿或低温季节，阳离子乳化沥青仍可照常施工。阳离子乳化沥青可以增强与矿料表面的粘附力，提高路面的早期强度，铺筑后可以较快地开放交通，同时它对酸性矿料和碱性矿料都有很好的粘附能力。因而，阳离子乳化沥青既发挥了阴离子乳化沥青的优点，同时又弥补了阴离子乳化沥青的缺点，是目前沥青乳化剂的首选［3］。
2. 纤维的选择
（1）纤维是一种细长而柔韧的材料，常用的有天然纤维和化学合成纤维。前者是用天然高聚物如棉、麻、羊毛、蚕丝及矿物等，经化学处理和机械加工而制得的，如纤维素纤维，蛋白质纤维，甲壳质纤维基石棉等。后者是以合成高聚物(树脂)为原料经化工处理后得到的［4］。工程中常使用的纤维有玻璃纤维、聚丙烯睛纶纤维、聚酷纤维、木质素纤维、矿物纤维以及钢纤维。
（2）沥青纤维增强封层技术所用玻璃纤维的平均长度一般为30mm、60mm或120mm。根据国外经验，采用60mm的纤维一般效果较好。沥青纤维增强封层要采用喷射用无捻粗纱型玻璃纤维，它由多股原丝络制而成，每股原丝含200根玻璃纤维单丝，玻璃纤维直径12~23μm，特克斯数150-9600tex(g/Km)［5］。
（3）本项目采用无碱玻璃纤维的性能指标见表1。
表1 无碱玻璃纤维材料技术指标
玻璃类型 纤维碱
含量 单纤直径 含水量 硬挺度 分散性 灼烧损失
E <0.5% 13μm 0.1% ≥140mm ≥95% 0.8
3. 沥青纤维封层层间黏结强度变化的定性分析
（1）纤维封层从施工到通车运营以后，其层间黏结强度的变化可以定性的表示为图3的形式。
（2）图中，AB段表示纤维封层施工从撒铺改性乳化沥青、纤维，然后进行胶轮压路机碾压、初期养护到限速开放交通前的强度变化；BC段描述了限速开放交通期间和在自然行车的碾压下，纤维封层的层间黏结逐渐上升，至黏结强度达到到最大值的过程；CD段代表路面养护后其纤维封层层间黏结强度达到峰值后，其服务能力在交通荷载和环境作用下服务能力逐渐下降，层间的黏结强度也在逐渐降低；在CD段层间黏结强度变化期间，根据路面状况和对其服务能力的要求选择下一次的养护方法。
4. 纤维封层层间黏结强度形成机理分析
（1）AB段强度变化分析。
纤维封层层间黏结强度的形成是从撒铺改性乳化沥青开始的，刚撒铺的SBR改性沥青流动性较好，与原路面充分接触，并且原路面施工时较干燥，乳化沥青容易渗透到路面集料空隙及孔隙中，为提高上封层与原路面的层间私结性能提供了前提条件。
(2)BC段强度变化分析。
从开放交通初期限制车速到自然行车的碾压，破乳后的乳化沥青存在的少量的水被逐渐的蒸发出来，渗透到原路面中的乳化沥青固化程度加强，原路面上的一薄层沥青起到连接上封层和原路面的粘结层作用，增强了层间粘结性和抗剪能力。纤维封层中玻璃纤维与其吸附的乳化沥青之间的粘结力随着水分的蒸发也在逐渐的增大，玻璃纤维被牢牢的粘结在上封层和原路面之间，其在层间的位置同时被固定。随着环境和自然行车的碾压，纤维封层的抗压强度以及纤维封层和原路面的黏结强度逐渐的趋于稳定［6］。
（3）CD段强度变化分析。
纤维封层的层间豁结强度达到最大值之后，在交通荷载和气候环境的影响下，沥青也随着时间的推移逐渐的老化，使其与原路面、纤维和罩面层的粘结性降低，纤维封层的黏结强度随时间的增长而不断的下降，其服务能力也在不断的降低，在有效地使用年限内，路面有可能出现裂缝、坑槽和推移等病害；路面状况恶化，路面层间的黏结强度急剧下〖LL〗降。何时选择下一次的养护时期，既能保持路面良好的使用性能，又能延长道路的使用寿命和节约寿命周期成本，显得尤为重要。
5. 层间拉拔强度试验分析
通过对纤维封层层间的黏结强度形成机理进行定性的描述，初步掌握了层间黏结强度形成的过程，为了更好的理解和掌握层间黏结强度的变化，用直接拉伸试验对纤维封层施工后初期的层间的拉拔力进行了检测，试验结果如图4所示。纤维封层层间的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加。现场施工后两三个小时就可以限速开放交通，从施工开始到施工后12小时左右，纤维封层层间的黏结强度的变化过程与定性分析时AB段的强度变化是一致的［7］；有图4知，开放交通后初期层间黏结强度增长较快，在强度持续增长的后期，增长的趋势减缓。这一试验结论基本上和层间黏结强度定性分析的AB段和BC段的结果是一致的。
6. 结论
通过对应力吸收层在路面结构中关键功能的分析可知，应力吸收层是处在基层与下面层之间的功能层，为使其路用性能得到更好的发挥，纤维沥青应力吸收层能够改善基层与下面层之间的粘结状态，并且可以在一定程度上防止基层裂缝反射到面层。根据纤维沥青应力吸收层的这些特点，采用剪切试验得到剪切强度和拉拔试验得到粘结强度指标，提出了基于路用性能的沥青纤维材料选择方案，并分析了层间强度的变化规律及强度的形成机理，得出了纤维封层层间的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加的结论，绘制出层间拉拔力随时间的变化曲线，对改善基层与下面层之间的粘结状态及防止基层裂缝反射到面层起到积极的指导作用。
参考文献
［1］ 赵晓亮. 沥青纤维增强封层配合比设计研究［D］．西安：长安大学，2010.
［2］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.
［3］ Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验， 长安大学学报（自然科学版），
2005(5)28-32.
［4］ 陈华鑫， 张争奇， 胡长顺. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).
［5］ 孙雅珍， 赵颖华. 新型纤维增强沥青路面的研究［J］. 华东公路， 2002,(02).
［6］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.
［7］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.
［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。
［文章编号］1619-2737（2014）06-05-818