一种CPC-AC复合路面纤维沥青混合料及其制备方法与流程

本发明属于道路路面技术领域，涉及一种道路路面施工材料及其矿料级配设计方法，具体涉及一种CPC-AC复合路面纤维沥青混合料及其制备方法，用于复合路面表面层的纤维沥青混合料。

背景技术：

目前，世界各国都在不断的探索新的路面结构和研发新的路面材料，以使公路路面具有足够的强度、稳定性和良好的路用性能。通过大量的探索和尝试，许多新型路面结构应运而生，复合式路面就是在这种背景下产生的。常见的复合式路面有普通混凝土-沥青混凝土复合式路面(PCC-AC复合路面)、碾压混凝土-沥青混凝土复合式路面(RCC-AC复合式路面)和连续配筋混凝土-沥青混凝土复合式路面(CRC-AC复合路面)，但这些路面结构各自存在很多问题，比如PCC-AC复合路面和RCC-AC复合式路面由于水泥板有切缝，引起表面沥青层裂缝较多，破坏较快，CRC-AC复合路面AC层和CRC板往往由于结合不紧密而发生层间脱离，从而发生滑移而影响道路的安全性和行车舒适性。

2008年10月，以西安公路研究院张东省教授为首的科研开发团队首次提出斜向预应力混凝土路面(CPC路面)这种新型路面结构形式，并于当年立项为交通运输部西部课题，而CPC(斜向预应力水泥混凝土)路面尽管强度和耐久性都较水泥混凝土路面要好，但仍然摆脱不了水泥混凝土路面的固有缺点，且一旦破坏很难维修，行车舒适性较沥青路面仍有不足。因此研究人员提出了一种新型的路面结构，即沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面结构(CPC-AC复合路面)。

由于这是一种新型的复合路面结构，国内外均未对此进行详细的研究。AC层作为复合路面表面功能层，直接承受车辆荷载和温度荷载的作用，因此必须具备良好的使用性能。用于复合式路面的沥青混合料，除了满足规范规定的高温、低温、水稳等性能之外，更重要的是抗高温剪切推移的能力和在动水压力作用下的抗渗透能力。目前我国已建的复合式路面中，沥青层的早期损坏现象严重，通过对复合路面沥青层的主要破坏类型及其成因进一步分析发现，路面出现大面积损坏主要是因为刚性基层模量过大，沥青面层内剪应力超过容许剪应力值，而我国现行沥青混合料在设计过程中没有考虑其抗剪特性造成的沥青混合料抗剪性能不足，从而造成各种车辙、推移和拥包等路面破坏，因此提高复合路面沥青层的抗剪性能是改善复合路面路用性能的重要因素。

目前解决复合路面车辙、推移等病害的时候主要从提高沥青混合料高温稳定性方面考虑，很少从沥青混合料的高温抗剪能力进行研究，这也就导致了不能从根本上有效的解决复合路面的早期损坏问题。

技术实现要素：

本发明为解决上述现有技术的不足，目的在于提供一种CPC-AC复合路面纤维沥青混合料及其制备方法，通过优化级配设计，提高剪切力，从而解决复合路面沥青面层抗剪能力不足导致的早期损坏问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种CPC-AC复合路面纤维沥青混合料，按重量份数计，包括以下原料：矿料100份，沥青3～6份，纤维0～0.3份，其中，矿料包括集料和矿粉，矿料级配为多级嵌锁型或振动密实型。

本发明进一步的改进在于，按重量份数计，包括以下原料：矿料100份，沥青3～6份，纤维0.1～0.3份。

本发明进一步的改进在于，按重量份数计，包括以下原料：矿料100份，沥青3.8～5.8份，纤维0.2份。

本发明进一步的改进在于，包括以下原料：矿料100份，沥青4.8份，纤维0.2份。

本发明进一步的改进在于，所述纤维为玻璃纤维；所述的沥青是SBS改性沥青。

本发明进一步的改进在于，所述集料包括粒径为0.075mm～19mm的角闪岩和石灰岩，角闪岩和石灰岩的质量比为1：1；矿粉为粒径小于0.075mm的石灰岩粉末。

本发明进一步的改进在于，所述多级嵌锁型为多级嵌锁AC—13型或多级嵌锁AC—16型，振动密实型为振动密实AC—13型或振动密实AC—16型。

一种CPC-AC复合路面纤维沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

1)称料：矿料100份，沥青3～6份，纤维0～0.3份，其中，矿料级配为多级嵌锁型或振动密实型，矿料包括集料和矿粉；

将沥青加热至160℃～175℃，然后加入纤维后拌和至混合均匀；

2)将集料加热至170℃～180℃，然后加入步骤1)中拌和纤维的沥青，拌和至混合均匀，最后加入矿粉，继续拌和至混合均匀，得到CPC-AC复合路面纤维沥青混合料。

本发明进一步的改进在于，所述多级嵌锁型为多级嵌锁AC—13型或多级嵌锁AC—16型，振动密实型为振动密实AC—13型或振动密实AC—16型。

本发明进一步的改进在于，集料包括粒径为0.075mm～19mm的角闪岩和石灰岩，角闪岩和石灰岩的质量比为1:1；矿粉为粒径小于0.075mm的石灰岩粉末；纤维为玻璃纤维，沥青是SBS改性沥青。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明针对CPC-AC复合路面沥青面层抗剪性能不足引起的沥青面层早期损坏的问题，矿料级配为多级嵌锁型或振动密实型，采用基于抗剪性能的级配设计方法，利用集料本身的嵌挤作用，大大提高了沥青层的抗剪能力，抗剪强度大于1MPa。

进一步的，本发明纤维沥青混合料中掺加有玻璃纤维，玻璃纤维作为填料分散在沥青中，能起到稳定、增粘、加筋阻裂作用，其自身形成三维交联桥接结构可以更强的裹附集料，构建了结构内部的三维空间网格结构，从而可以有效提高混合料的抗剪能力。本发明纤维沥青混合料充分利用了玻璃纤维的优良特性，可有效提高沥青混凝土面层的抗剪性能及在动水压力下的抗渗透能力，并且采用多级嵌锁法和振动密实法对比设计矿料级配，充分满足复合路面对于沥青混合料抗剪性能的特殊要求。

本发明具有制备方法简单、生产成本低、适宜推广等优点，可有效提高沥青混凝土路面的使用性能，并对复合路面的推广使用有很大帮助。

进一步的，AC-13采用振动密实型级配，不加纤维和掺加0.2％的玻璃纤维最佳油石比分别为4.8％和4.95％，AC-16采用多级嵌锁抗剪级配，不加纤维和掺加0.2％的玻璃纤维最佳油石比分别为4.71％和4.9％。

附图说明

图1为不加玻璃纤维时AC-13各指标与油石比关系，其中，(a)为稳定度，(b)为流值，(c)为毛体积密度，(d)为孔隙率，(e)为VMA，(f)为VFA。

图2为加玻璃纤维时AC-13各指标与油石比关系，其中，(a)为稳定度，(b)为流值，(c)为毛体积密度，(d)为孔隙率，(e)为VMA，(f)为VFA。

图3为不加玻璃纤维时AC-16各指标与油石比关系，其中，(a)为稳定度，(b)为流值，(c)为毛体积密度，(d)为孔隙率，(e)为VMA，(f)为VFA。

图4为加玻璃纤维时AC-16各指标与油石比关系，其中，(a)为稳定度，(b)为流值，(c)为毛体积密度，(d)为孔隙率，(e)为VMA，(f)为VFA。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明CPC-AC复合路面纤维沥青混合料中的矿料满足JTG-F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关技术要求，矿料由集料和矿粉组成，其中集料为粒径0.075mm～19mm的角闪岩集料和石灰岩集料，矿粉为粒径小于0.075mm的石灰岩粉末。

级配设计方法基于抗剪性能提出，分为多级嵌锁法与振动密实法。多级嵌锁型为多级嵌锁AC—13型或多级嵌锁AC—16型，振动密实型为振动密实AC—13型或振动密实AC—16型。

实施例1

本实施例CPC-AC复合路面纤维沥青混合料，由以下重量份的原料组成：矿料100份，沥青4.95份，玻璃纤维0.2份，所述沥青为利用壳牌基质沥青加工改性的SBS改性沥青，所述矿料级配类型为振动密实AC—13型(具体级配组成见表1)。

表1振动密实AC—13型级配组成

实施例2

本实施例CPC-AC复合路面纤维沥青混合料，由以下重量份的原料组成：矿料100份，沥青4.9份，玻璃纤维0.2份，所述沥青为利用壳牌基质沥青加工改性的SBS改性沥青，所述矿料级配类型为多级嵌锁抗剪AC—16型(具体级配组成见表2)。

表2多级嵌锁抗剪AC—16型级配组成

实施例3

本实施例CPC-AC复合路面纤维沥青混合料，由以下重量份的原料组成：矿料100份，沥青4.8份，玻璃纤维0份，所述沥青为利用壳牌基质沥青加工改性的SBS改性沥青，所述矿料级配类型为振动密实AC—13型(具体级配组成见表3)。

表3振动密实AC—13型级配组成

实施例4

本实施例CPC-AC复合路面纤维沥青混合料，由以下重量份的原料组成：矿料100份，沥青4.71份，玻璃纤维0份，所述沥青为利用壳牌基质沥青加工改性的SBS改性沥青，所述矿料级配类型为多级嵌锁抗剪AC—16型(具体级配组成见表4)。

表4多级嵌锁抗剪AC—16型级配组成

上述CPC-AC复合路面纤维沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称料：矿料100份，沥青3～6份，纤维0～0.3份，其中，矿料级配为多级嵌锁型或振动密实型，矿料包括集料和矿粉；

将沥青加热至160℃～175℃，当不加纤维时，直接进行拌和90s至混合均匀，当加入纤维时，将纤维加入后，进行拌和90s至混合均匀。

2)将集料加热至170℃～180℃，然后加入步骤1)中拌和纤维的沥青，拌和90s至混合均匀，最后加入矿粉，继续拌和90～100s至混合均匀，得到CPC-AC复合路面纤维沥青混合料。

按照交通部部颁标准JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的相关技术要求，对本发明实施例1至4纤维沥青混合料的性能通过以下试验进行验证。

一、最佳纤维用量确定

采用纤维沥青胶浆板带拉伸试验，根据板带拉伸强度随纤维掺量的变化确定最佳纤维掺量。本发明中的掺量为玻璃纤维占矿料的质量百分比。

表5不同纤维掺量下板带拉伸试验数据表

从表5可以看出，当纤维掺量为0.2％左右时，纤维沥青胶浆的抗拉伸强度最大。分析板带拉伸强度随纤维掺量的变化可知，随着板带中纤维含量的增多，相互搭接的纤维趋于紧密，在沥青的裹覆作用下，形成一层连续的致密网状结构薄膜，使其板带抗拉能力大幅增强；当继续增大纤维的用量，在一定空间范围内容易造成纤维的堆积现象，过多的纤维不但不能相互搭接形成一定的抵抗拉伸的能力，同时由于纤维对沥青具有很强的吸附作用，纤维过多将会致使形成致密网状薄膜的沥青用量减少，沥青不能均匀分布，导致纤维沥青薄膜厚度不均匀，从而致使拉伸强度呈现下降趋势。因此确定玻璃纤维最佳掺量为0.2％。

二、马歇尔试验

对实施例1、2、3以及4进行马歇尔试验，确定混合料最佳级配以及确定沥青最佳用量，与采用不同级配设计的沥青混合料进行对比分析，试验结果见表6和表7。

AC-13马歇尔试验

表6AC-13油石比4.8％时不同级配马歇尔试验结果

级配类型：1：振动密实型级配；2：多级嵌锁型级配

从表6中可以看出，以上指标均满足JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的技术指标要求，但是相比而言，级配类型1的稳定度更大，流值较级配类型2稍小，对高温的抵抗能力更强，因此，选择级配类型1作为目标配合比矿料级配，即振动密实级配作为AC-13级配。

沥青最佳用量的确定考虑掺加玻璃纤维与不掺加玻璃纤维两种，初步确定5个油石比，分别为：3.8％、4.3％、4.8％、5.3％、5.8％，成型马歇尔试件，测定各项指标。设计空隙率为4.0％，空隙率范围为4％～5％。绘制各个指标与油石比的关系图，最终确定最佳油石比。

从图1可以看出，取OAC1为孔隙率4.0％对应的油石比，取OAC1＝4.79％；以各项指标均符合技术标准(不含VMA)确定沥青用量范围OACmin～OACmax，即OACmin＝3.8％，OACmax＝5.8％，OAC2＝4.8％，则OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.8％。

从图2可以看出，取OAC1为孔隙率4.0％对应的油石比，取OAC1＝5.1％，以各项指标均符合技术标准(不含VMA)确定沥青用量范围OACmin～OACmax，即OACmin＝3.8％，OACmax＝5.8％，OAC2＝4.8％，则OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.95％。

AC-16马歇尔试验

表7AC-16油石比4.8％时不同级配马歇尔试验结果

级配类型：1：振动密实型级配；2：多级嵌锁型级配

从表7中可以看出，以上指标均满足JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的技术指标要求，通过以上两种级配的马歇尔试验的各种技术指标对比分析发现，振动密实型级配较多级嵌锁型级配稳定度大，且孔隙率适宜，最终优选级配类型2作为目标配合比矿料级配，即为多级嵌锁抗剪级配作为AC-16级配。

同AC-13的沥青最佳用量确定方法相同，初步确定5个油石比分别为：3.8％、4.3％、4.8％、5.3％、5.8％，成型马歇尔试件。

从图3中可以看出，这里取OAC1为孔隙率4.0％对应的油石比，取OAC1＝4.62％，以各项指标均符合技术标准(不含VMA)确定沥青用量范围OACmin～OACmax，即OACmin＝3.8％，OACmax＝5.8％，OAC2＝4.8％，则OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.71％。

从图4中可以看出，这里取OAC1为孔隙率为4.0％对应的油石比，取OAC1＝5.0％，以各项指标均符合技术标准(不含VMA)确定沥青用量范围OACmin～OACmax，即OACmin＝3.8％，OACmax＝5.8％，OAC2＝4.8％，则OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.90％。

三、路用性能

对实施例1、2、3以及4进行车辙试验、低温弯曲试验、高温剪切性能试验、浸水马歇尔试验和构造深度试验，测试沥青混凝土的路用性能，与不添加纤维的沥青混凝土的性能进行对比分析，试验结果见表8。

表8CPC-AC复合路面纤维沥青混合料的路用性能试验结果

从表8中可以看出，本发明CPC-AC复合路面纤维沥青混合料满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)相关要求，其高温性能、低温性能、水稳定性能和抗剪性能等指标明显高于普通沥青混凝土，表明本发明沥青混凝土的路用性能优越。

本发明CPC-AC复合路面纤维沥青混合料的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，对复合路面进行层间处治，保证路面平整，无杂物；

步骤2，将本发明纤维沥青混凝土在温度为170℃～185℃的条件下运输至施工现场，注意保持温度，并注意防止离析的发生；

步骤3，将本发明纤维沥青混凝土倒入摊铺机进行摊铺，采用压路机将摊铺好的沥青混凝土进行压实。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。