混杂纤维的概念最早起源于日本, 1972年由日本的Hayashi^[1]提出并展开研究, 旨在弥补单一纤维增强存在的缺点和不足。国内外学者对混杂纤维复合材料的力学性能进行研究时发现不同纤维之间混杂后产生的混杂效应可让纤维之间扬长补短^[2,3]。M.S.Sreekala测试玻璃纤维-油棕榈纤维混杂增强酚醛树脂复合材料的拉伸性能, 玻璃纤维可使树脂的力学性能提高40%以上, 而油棕榈纤维的存在则提高复合材料的冲击强度, 当二者的体积比为0.74时, 复合材料冲击强度达到最大^[4,5]。Jeremy Gustin等^[6]及X.Wang等^[7]分别制备了凯夫拉/碳纤维混杂复合材料进行低速率冲击性能测试, 当混杂复合材料表面为凯夫拉纤维时, 复合材料最大吸收能和最大冲击强度均比单一碳纤维复合材料提高近10%^[4]。张秀芝等^[8]研究结果为, 在纤维体积率一定时, 两种纤维混杂在不同结构、不同尺度和不同时间层次对抑制裂缝的生成和扩展分别发挥作用, 两者协同作用使材料总体力学性能显著提升。目前混杂复合材料的使用范围主要集中在航空航天及树脂基、陶瓷基材料中, 应用范围较窄。

因此, 在传统的纤维增强应力吸收层中加入2种以上相混性良好、力学性质优良、价格低的纤维, 对发挥应力吸收层抗裂阻裂的性能更加有力, 本文从不同纤维材料自身性能和复合结构层受力特点出发, 系统地提出混杂纤维增强应力吸收层配合比设计方法, 重点研究关键施工技术和质量控制点, 为该技术的推广奠定基础。

在半刚性基层沥青路面下封层施工中, 为发挥其应力吸收的作用, 使混杂的乱向短纤维分布在乳化沥青中起到加筋作用。其中, 乳化沥青技术指标要求固含量能达到50%～60%, 采用快裂或中裂型乳化剂, 为增加封层的抗高低温性能, 提高韧性和抗疲劳性, 在条件允许的情况下, 可使用SBR或SBS改性乳化沥青, 改性剂掺量控制在3%左右。

玻璃纤维作为增强应力吸收层的混杂复合纤维材料之一, 一方面是因其表现出的优异的抗拉强度, 方便剪切成较大长度, 有效增强应力吸收层对反射裂缝的抑制作用;另一方面是其市场价格低, 应用于公路工程可一定程度上节省工程造价。玄武岩纤维属于无机矿物纤维, 由玄武岩在高温状态下经熔融后, 被高速拉制成的连续纤维, 是一种新型高性能环保绿色材料, 与普通的玻璃纤维相比, 玄武岩纤维具有更优的力学性能和稳定性, 如较高的断裂强度和杨氏模量, 经改性后可使其表面粗糙, 与沥青界面黏结性能良好, 但价格是玻璃纤维的3～5倍。因此, 在基体中加入2种不同纤维可形成超高性价比封层材料。2种纤维的性能指标如表1所示。

为保证后续面层施工时封层结构不受施工机械破坏, 一般在封层施工同时喷撒一层碎石, 碎石的覆盖率为70%, 粒径4.75～9.5mm, 碎石的相关技术指标要求与沥青混合料中粗集料相同。

混杂纤维增强应力吸收层设置在基层与沥青面层之间, 当荷载作用在基层裂缝处, 裂缝尖端的应力强度因子陡增^[9], 复合材料中纤维对基体起到加筋和桥连作用, 不同方向和长度的纤维抵抗不同的应力集中能力大大增强, 按照能量守恒原则, 断裂时外力对其做的总功与系统内非保守力做的总功等于系统的机械能 (动能与势能之和) 的增量。因此, 外荷载作用下的最优断裂界面, 是使纤维从沥青中拔出的黏附功等于沥青内部断裂的表面能, 以最大限度地发挥纤维的加筋作用, 其守恒关系如下:

式中:W_a为纤维与乳化沥青的黏附功 (m J/m²) ;W₁为乳化沥青的表面能 (m J/m²) ;B为纤维的支数 (mm/g) ;D为破裂面直径 (mm) ;A为纤维的比表面积 (mm²/g) , 采用染料吸附试验得到。

计算中乳化沥青的密度假设为1, 黏附功与表面能相等, 纤维沥青质量比Q按下式计算:

式中:γ为纤维密度。

根据国内外工程实践经验和室内试验^{[10,11,12,13]}, 在纤维增强封层中, 一般推荐的纤维取值范围在80～160g/m², 由于纤维具有较大的抗拉强度, 因此纤维用量比值越大, 抗反射裂缝效果越好, 在具体的工程实践中, 可根据当地气候条件取值, 昼夜或四季温湿度差异比较大的地区, 可靠近用量的上限, 开裂概率较小的地区可靠近下限选值。

应力吸收层中乳化沥青的总用量与复合材料界面特性和接触的上下结构层有关, 主要包含以下3部分:第1部分考虑复合材料破坏时最大黏附功所需沥青用量 (M_L1) , 第2部分为覆盖碎石层开口空隙吸附乳化沥青量 (M_L2) , 第3部分为半刚性表面空隙吸附的沥青量 (M_L3) 。乳化沥青总用量可用下式表示:

在既定的纤维用量下, 应力吸收层本身乳化沥青用量可按下式计算:

在计算封层碎石对乳化沥青的吸附率时, 碎石粒径4.75～9.5mm, 表面覆盖率为70%, 按下式计算:

式中:M_S为1 000m²碎石体积 (m³/1 000m²) , 粒径2.36～4.75mm, 推荐值7～9m³/1 000m²;粒径4.75～9.5mm, 推荐值9～11m³/1 000m²;ρ_b为矿料合成毛体积密度 (kg/m³) , 按T0705-5计算;P_a为被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分比 (%) , 按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》计算。

半刚性层表面空隙及粗糙程度也会一定程度影响乳化沥青用量。通常情况下新建道路的半刚性基层平整、碾压密实, 稳定材料空隙较小, 渗入沥青少, 甚至可忽略;旧路加铺层基层或骨架空隙型半刚性基层, 凹凸不平整、麻面、多孔时会吸收部分沥青。道路状况修正因子如表2所示^[14]。

加筋纤维越长, 在复合材料中因界面破坏而导致沥青拔出的概率越小, 应力吸收层分散裂缝尖端应力强度因子的能力越强, 但在施工中, 切割后长纤维异向分布的均匀性会下降, 纤维趋向一个方向排列, 而下层半刚性基层裂缝发展有一定的随机性, 所以纤维的长度也不易过长。因此, 根据理论和试验结果, 纤维增强乳化沥青碎石应力吸收层中配合比设计建议的纤维用量为3～6cm^[11,12,13]。在局部地区保证分布均匀性的情况下, 可适当增加纤维长度。

混杂施工的关键在于设备的控制与改造, 经改造后的设备首先需保证不同纤维能均匀混杂, 设计中在封层车内前后或上下分别配备卷状玄武岩纤维和玻璃纤维, 将2种不同纤维同时引入同一根传输管道, 在底部同时切割, 将乱向混杂纤维撒布在第1层乳化沥青上, 如图1所示。纤维剪切速率的控制根据配合比施工中计算得到的纤维长度和用量来确定。考虑到纤维喷撒覆盖的有效范围, 剪切喷头的切割轮轴间距一般为10cm, 如图2所示, 封层车的有效使用喷洒宽度一般在3.8m, 以适应单车道施工, 配合38个切割喷头, 每个喷头可单独控制, 根据纤维使用量大小, 一般纤维用量在120g/m²以下的可关闭双号喷头, 纤维用量在120g/m²以上的可全部开启喷头, 以提高控制的精度和准确度, 纤维下落处设双层挡板, 以防止风或车辆运动中产生的外力对纤维分布均匀性的影响。为提高封层阻裂抗裂性能, 设计中在车辆行驶的轮迹带上分布抗拉强度和黏附性能较高的玄武岩纤维, 因为反射裂缝出现频率较高的位置往往是荷载作用的轮迹带, 半刚性基层顶面裂缝尖端的应力强度因子在轮胎荷载的正应力和偏应力作用下, 尤其是偏应力作用下会急剧增加, 使裂缝逐渐扩展而最终到达面层^[15], 轮迹带一般距离车道边缘80～100cm位置处, 大部分轮胎宽度范围在14.5～28.5cm, 因此考虑在图2中 (8) ～ (10) 号喷头处全部采用玄武岩纤维, 同理在另一侧轮迹带上对称位置处也全部布置玄武岩纤维。

混杂纤维封层关键施工技术步骤如下:半刚性基层准备→施工引导线设置→乳化沥青与纤维洒布→碎石撒布→初期碾压→过量碎石清除→后期养护。

在纤维增强乳化沥青应力吸收层施工中, 考虑到乳化沥青的施工质量和纤维分布的均匀性, 通常要求温度>5℃, 下雨和风力>5级时不宜进行施工。如施工过程中下雨, 对已施工路段做好雨水防护工作。从施工前的准备到施工完毕后的养护阶段均应进行有序交通控制, 设置必要的交通标志配合专业交通组织人员确保施工安全。

下层的半刚性基层应满足规范要求强度和平整度, 如果有一些早期病害初裂、局部松散等, 应先处理后才能进行封层铺筑。半刚性基层的洁净程度会影响与下封层沥青的黏结, 特别是在旧路上加铺面层, 需对表面浮尘进行清扫、对缺陷进行修补。

试验前需进行车辆性能检查、参数调试和校准, 分别关闭沥青喷头和纤维喷头, 用托盘法检测单位面积洒布量G:

式中:G为纤维或乳化沥青单位面积用量 (g/m²) ;G₁为洒布前托盘质量 (g) ;G₂为洒布后托盘质量 (g) ;S为托盘面积 (m²) 。

施工速度控制为3～5km/h, 乳化沥青喷洒温度为60～80℃;对于施工中常出现的花白料, 可检查沥青喷嘴阀门是否阻塞, 或乳化沥青的黏度是否太大, 造成喷洒量不稳定, 以及喷洒压强是否满足要求;如果出现乳化沥青流淌现象, 一般是因为沥青用量过大或乳化沥青固含量偏低造成, 施工中需及时检查质量。

封层车同步撒布碎石, 按既定70%的覆盖率控制单位面积的撒布质量, 撒布后的碎石应平整、均匀, 对于小量或局部的缺陷可采用人工修补的方式进行处理, 修补工作应紧跟同步碎石封层车进行。

施工完毕后的混杂纤维封层若要很好地形成空间网状缠绕结构, 碾压工序也至关重要, 碾压宜采用胶轮压路机, 碎石碾压在撒布完毕2～5min进行, 并在乳化沥青破乳凝结前完成;碾压速度控制在约2km/h, 以碎石颗粒嵌入乳化沥青中的深度和碎石嵌入方位 (最佳方位为扁平尺寸的方向) 控制碾压遍数。初期碾压结束后, 应禁止车辆通行, 在沥青与碎石黏结力达到一定强度后, 清除过量碎石。

施工结束后, 按1～3km为1个单元评定, 检查项目、要求、频率及方法如表3所示。

1) 根据最优破坏界面的能量方程推导最佳纤维乳化沥青用量比例关系, 结合半刚性基层沥青路面应力吸收层层位结构特点, 得出乳化沥青3部分组成的用量计算公式, 考虑差异化区域纤维用量和纤维长度使用经验, 得出混杂纤维应力吸收层配合比设计的半理论半经验公式。

2) 基于玄武岩纤维和玻璃纤维的技术经济特点, 提出混杂纤维碎石封层应力吸收层的设计理念, 在原有纤维碎石封层车的基础上提出改造方案, 考虑不同纤维用量下的差异化纤维喷撒控制, 确保施工精度, 针对反射裂缝产生和扩展机理, 在轮迹带处区域化布置单一高强玄武岩纤维, 最大限度保证封层的抗裂效果和经济性。

3) 针对影响混杂纤维增强应力吸收层施工质量的因素, 提出施工必备条件与交通组织措施, 半刚性基层的准备要点, 封层车一体化喷洒质量控制方法, 分析典型喷洒质量缺陷及产生原因, 建议后期碾压关键技术参数和养护措施, 质量检测验收要求、频率和方法, 完善混杂纤维应力吸收层施工控制体系。