劍麻纖維瀝青混合料AC-13配合比設(shè)計(jì)及最佳油石比確定

陳 軍，馮 偉，黃江波，關(guān) 鵬

(1.宜昌市五峰縣交通局公路管理所，湖北宜昌，443400;2.武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，湖北武漢，430022;3.武漢市洪山區(qū)建設(shè)局，湖北武漢，430014)

至2010年，我國(guó)高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到了6.5萬km，僅次于美國(guó)。但在我國(guó)公路建設(shè)飛速發(fā)展的同時(shí)，大量早期建成的公路出現(xiàn)了大規(guī)模的病害，建設(shè)與養(yǎng)護(hù)的成本也因此與日俱增，嚴(yán)重制約了我國(guó)公路建養(yǎng)的進(jìn)度。

為改善瀝青混凝土路面性能，越來越多的新材料正在進(jìn)人瀝青混凝土路面技術(shù)領(lǐng)域。纖維混合料具有較高的強(qiáng)度和韌性，纖維的摻加可提高混凝土的各種物理性能、力學(xué)性能及路用性能。劍麻纖維是一種新興的植物纖維，它具有天然、環(huán)保、可再生、高強(qiáng)度及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，符合纖維添加劑的要求。

1 劍麻纖維瀝青混合料原材料試驗(yàn)

經(jīng)仔細(xì)比選，確定出了雜質(zhì)含量少、尺寸規(guī)則的2#、3#、4#、5#集料以及符合規(guī)范要求的礦粉及瀝青。由于尚未見有關(guān)于劍麻纖維瀝青混合料的規(guī)范要求，試驗(yàn)將中等品質(zhì)的劍麻纖維加工成4 mm、7 mm、10mm三種長(zhǎng)度規(guī)格備用。

1.1 集料

瀝青混合料集料為玄武巖2#、3#、4#料及石灰石5#料，產(chǎn)自江蘇省，具有耐磨、吃水量少、導(dǎo)電性能差、抗壓性強(qiáng)、壓碎值低、抗腐蝕性強(qiáng)、瀝青黏附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。通過篩分試驗(yàn)，得出各集料的各孔徑通過率，通過水洗法得出各集料的表觀相對(duì)密度。經(jīng)取樣檢測(cè)能滿足國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其實(shí)測(cè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 咸寧試驗(yàn)瀝青混合料集料檢驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

1.2 填料

瀝青混合料填料料源產(chǎn)自武漢江夏區(qū)段嶺廟京港，采用濕法細(xì)磨生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。經(jīng)取樣檢測(cè)能滿足國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求［2］，其實(shí)測(cè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 瀝青混合料用礦粉質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.3 瀝青

瀝青采用鄂州殼牌SBS PG76-22改性瀝青，經(jīng)檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)已滿足國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 瀝青實(shí)測(cè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.4 劍麻纖維

劍麻又名西沙爾麻(Sisal)，屬龍舌蘭科，是一種多年生，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)作物。我國(guó)廣東、海南、福建等省均有種植，尤其是廣東湛江地區(qū)種植面積大，劍麻產(chǎn)量高，年產(chǎn)劍麻干纖維已達(dá)1.5萬t以上。

1.4.1 劍麻纖維耐腐性

劍麻纖維(SF)是一種綠色、環(huán)保、可再生資源，它與人工纖維和礦物纖維相比具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，其中經(jīng)濟(jì)性最為突出。劍麻纖維還具有質(zhì)地堅(jiān)韌、拉伸強(qiáng)度高、耐磨損、耐酸堿、耐海水、抗腐蝕及耐低溫等多種優(yōu)點(diǎn)［3］。各植物纖維化學(xué)成分見表4。

表4 幾種纖維化學(xué)組成/%

由表4可知，劍麻纖維含果膠較多，果膠多不僅能增加強(qiáng)度，還能起保護(hù)作用，防止微生物破壞纖維細(xì)胞。表5與表6分別為劍麻纖維與黃麻纖維在海水及淡水中的耐腐力。

表5 劍麻纖維在海水及淡水中的耐腐力 /kg·g-1

表6 黃麻纖維在海水及淡水中的耐腐力 /kg·g-1

由表5及表6可知，劍麻纖維不僅強(qiáng)度高，其耐腐力也特別強(qiáng)，尤其是在海水中的耐腐力更強(qiáng)，大于浸泡在淡水中的強(qiáng)度。可見，劍麻纖維較適宜于作為路面材料。

1.4.2 劍麻纖維吸油性

劍麻纖維表面較為光滑，初步判斷其吸油性較差，試驗(yàn)對(duì)劍麻纖維與木質(zhì)素纖維的吸油性進(jìn)行了對(duì)比。將一份20 g劍麻纖維與一份20 g木質(zhì)素纖維分別放入兩支裝有20 mL無水煤油的量筒中，5 min后，在裝有劍麻纖維的量筒中有較多煤油析出(見圖1)，而在裝有木質(zhì)素纖維的量筒中無煤油析出，而且還未達(dá)到飽和狀態(tài)(見圖2)。

試驗(yàn)說明，劍麻纖維的吸油性不如木質(zhì)素纖維。但鑒于其諸多優(yōu)點(diǎn)，仍嘗試性的加入到瀝青混凝土中。

1.4.3 劍麻纖維耐高溫性

混合料在生產(chǎn)過程中，拌合樓的溫度為200—220℃，這對(duì)纖維添加劑是一個(gè)考驗(yàn)，試驗(yàn)將40 g劍麻纖維與40 g木質(zhì)素纖維同時(shí)放入300℃恒溫烘箱內(nèi)加熱20 min后，劍麻纖維有明顯燒焦氣味，且顏色由原來的淺黃色變成暗黃色，性質(zhì)發(fā)脆，強(qiáng)度明顯減弱;木質(zhì)素纖維也已燃燒怠盡，喪失了原本的力學(xué)性能?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004要求纖維在250℃的干拌溫度下不變質(zhì)，不發(fā)脆。故將試驗(yàn)溫度調(diào)至250℃，20 min后無明顯變化。試驗(yàn)得出劍麻纖維可作為添加劑摻入到瀝青混凝土中。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及最佳油石比確定

2.1 礦料配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合AC-13路面結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求，經(jīng)篩分試驗(yàn)確定各級(jí)碎石各孔徑的通過率，經(jīng)水洗法確定各級(jí)碎石的表觀相對(duì)密度，進(jìn)一步計(jì)算得到混合料的合成級(jí)配［4］。試驗(yàn)調(diào)配得到的礦料配比為：2#∶3#∶4#∶5#∶礦粉 =20∶32∶10∶36∶2。從而獲得 AC-13 瀝青混合料礦料配合比設(shè)計(jì)合成級(jí)配如表7及圖3所示。

表7 AC-13礦料配合比設(shè)計(jì)表

圖3 AC-13礦料合成級(jí)配曲線圖

試驗(yàn)中劍麻纖維的質(zhì)量摻量分為0.1%、0.2%及0.3%三組，以便進(jìn)一步通過馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)及凍融劈裂等試驗(yàn)確定出劍麻纖維的最佳長(zhǎng)度及最佳摻量。

2.2 瀝青混合料最佳油石比確定

通過得到的礦料配合比進(jìn)行瀝青混合料的試拌。礦料加熱溫度為185℃，瀝青混合料的拌和溫度為185℃，馬氏擊實(shí)成型溫度為155±2℃［4］。瀝青混合料油石比以0.5%為梯級(jí)間隔，擬定六個(gè)試驗(yàn)油石比 3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5% 和6.0%分別進(jìn)行瀝青混合料馬氏試驗(yàn)，從而獲得各種油石比下的瀝青混合料的物理性能指標(biāo)和力學(xué)性能指標(biāo)，瀝青混合料性能采用表干法進(jìn)行測(cè)試，AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表8及圖4所示。

表8 AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖4 AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果示例圖中陰影范圍為設(shè)計(jì)要求范圍

由表8及圖4可知：①相應(yīng)于密度最大值、穩(wěn)定度最大值、設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率、瀝青飽和度中值的油石比分別為 a1=5.1%，a2=4.9%，a3=5.1%，a4=5.0% 即：OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=5.0% 。②滿足AC-13型瀝青混合料設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的油石比OACmin=4.7% ，OACmax=5.4% 。即：OAC2=(4.7%+5.4%)/2=5.1% 。③故可以計(jì)算得到設(shè)計(jì)最佳油石比為：OAC=(OAC1+OAC2)/2=5.1% 。

3 結(jié)論

試驗(yàn)選用AC-13路面結(jié)構(gòu)，通過對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)選了合格的集料、填料、瀝青及劍麻纖維，進(jìn)一步通過篩分試驗(yàn)及人機(jī)對(duì)話確定了礦料的配合比，并通過馬歇爾試驗(yàn)確定了AC-13瀝青混合料的最佳油石比。由劍麻纖維的吸油性可知，摻加一定質(zhì)量比例的劍麻纖維將同時(shí)添加相同比例的瀝青才能保證混合料中的最佳油石比。

［1］ 陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2002：45-51.

［2］ GUAN Peng，HE Xiao-ming.Effect of Sisal Fiber on asphalt mixture performance［C］//沙愛民.第五屆中日鋪面會(huì)議論文集.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009：227-230.

［3］ JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］ 姜繁昌.劍麻纖維的性能研究［J］.中國(guó)麻業(yè)，2003，25(4)：18-23.