纖維瀝青混凝土橋面鋪裝的路用性能

董 晶， 張海濤

(江漢大學(xué) 建筑工程系， 湖北 武漢 430056)

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，鋪裝層一般不作為受力層處理，但鋪裝層在車輪荷載及其沖擊下，部分或全部參與了主梁的變形，橋面鋪裝層要承受由于協(xié)同變形而產(chǎn)生的內(nèi)力。由于現(xiàn)在重型車輛大幅增加而使得橋梁結(jié)構(gòu)振動大，因此對橋面鋪裝的抗裂性要求較高，并且瀝青混合料本身溫度敏感性較大，高溫時易產(chǎn)生流動變形形成車轍，低溫時易脆性開裂。纖維加筋瀝青路面技術(shù)由于使用方法簡單、易于操作，已在我國多個地區(qū)的橋面鋪裝和路面工程中得到成功應(yīng)用，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、耐老化性等都有明顯提高。本文通過對比試驗研究分析了聚合物纖維(聚酯纖維、聚酯纖維+聚丙烯腈纖維)瀝青混凝土的路用性能，為進(jìn)一步了解和掌握纖維瀝青混凝土技術(shù)進(jìn)行探索。

1 纖維瀝青混合料的拌和

首先，按拌和混合料的數(shù)量，從大包纖維中準(zhǔn)確稱量出每次拌和混合料實際摻加纖維的份量并分成小包。拌和站開盤后，在集料干拌開始、瀝青還未加入及濕拌未開始時，將稱量好的小包纖維從熱倉觀察口投入拌和鍋中，且應(yīng)在濕拌開始前投入完畢并關(guān)閉熱倉觀察口的倉門，以保證隨集料干拌的纖維充分?jǐn)嚢?、分散，防止瀝青及纖維從熱倉觀察口溢出損失。

在工期較緊時，可采用集料和纖維同時加入拌和的方式。干拌時間比未加入纖維增加10 s左右。經(jīng)干拌后，即噴入瀝青進(jìn)行濕拌，拌和時間比未加纖維增加8 s左右，以所有礦物顆粒全部裹覆瀝青膠結(jié)料為準(zhǔn)。

2 路用性能試驗

2.1 試驗方案

采用山東淄博的90B瀝青，試驗方案(AC-16及AC-25型瀝青混凝土)如表1所示。研究采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗、殘留穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫極限彎曲試驗，全面比較摻加纖維前后以及摻加不同纖維及同種纖維不同用量的纖維瀝青混合料各種性能指標(biāo)的差異。

表1 試驗方案

2.2 試驗結(jié)果分析

各項路用性能試驗均按照文獻(xiàn)[1]中相關(guān)方法進(jìn)行。

2.2.1馬歇爾穩(wěn)定度試驗

試驗結(jié)果如圖1～ 5所示。纖維加入混合料后要占一點空間，在纖維的彈性效應(yīng)作用下，用相同的擊實功能擊實時，纖維混合料的密實過程受到阻礙，故纖維加入后空隙率均有增大趨勢，并且隨纖維用量增大而增大，空隙率的增加有助于瀝青混凝土熱穩(wěn)定性的提高。宏觀上，纖維瀝青混合料可視為連續(xù)而均勻的，但細(xì)觀和微觀上，則是既不連續(xù)也不均質(zhì)的，尤其在纖維分散不均的情況下，纖維的加入會導(dǎo)致混合料中“強(qiáng)度弱點”的漲落。所以，纖維加入后穩(wěn)定度的變化主要視其橋接加筋和阻裂的加強(qiáng)作用與“強(qiáng)度弱點”的削弱作用綜合而定。由于聚丙烯腈纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚酯纖維，并且其纖維的分散性較優(yōu)，故方案三得到的穩(wěn)定度最大，加筋和橋接作用更為明顯。纖維加入后，殘留穩(wěn)定度明顯增加，但不同纖維及不同纖維摻加量對殘留穩(wěn)定度的影響不大，這表明纖維的加入并非越多越好。

圖1 試驗方案與空隙率的關(guān)系(標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗)

圖2 試驗方案與空隙率的關(guān)系(浸水馬歇爾試驗)

圖3 試驗方案與穩(wěn)定度的關(guān)系(標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗)

圖4 試驗方案與穩(wěn)定度的關(guān)系(浸水馬歇爾試驗)

圖5 試驗方案與殘留穩(wěn)定度的關(guān)系

2.2.2凍融劈裂試驗

試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗方案與劈裂強(qiáng)度比的關(guān)系

2.2.3車轍試驗

試驗結(jié)果如圖7所示。在劈裂條件下，試件內(nèi)部呈受拉狀態(tài)，試件破壞主要是由于內(nèi)部的粘結(jié)力不足以抵抗外荷載作用而逐漸造成的，纖維的加入增強(qiáng)了混合料的整體性，加強(qiáng)了瀝青與集料間的粘結(jié)力，從而可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。隨纖維劑量的進(jìn)一步增加，劈裂強(qiáng)度比出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是因為當(dāng)纖維劑量超過一定值時，混合料空隙率增大較多，使混合料在凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度衰減速率加大，混合料的抗凍和耐水性能下降，因此，要求在施工中對纖維瀝青混合料必須加強(qiáng)碾壓，以減小空隙率[2]。

圖7 試驗方案與動穩(wěn)定度的關(guān)系

纖維加入對改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性與抗車轍能力有較顯著效果，但這種改善作用有一最佳纖維劑量，當(dāng)纖維劑量超過最佳值時，纖維分散、均勻性下降，多余的纖維易結(jié)團(tuán)成束，在混合料中成為強(qiáng)度“弱點”，使得礦料的骨架性下降，混合料高溫性能出現(xiàn)緩慢下降。一般而言，纖維的力學(xué)性能越好，則通過界面?zhèn)鬟f給纖維的作用力越大，增強(qiáng)效果越明顯，這解釋了方案三的動穩(wěn)定度值為各種方案最大值的原因。

2.2.4低溫彎曲試驗

試驗結(jié)果如圖8、9所示。摻入纖維的瀝青混凝土彎曲破壞強(qiáng)度并未提高，但極限破壞應(yīng)變增大。瀝青混合料在低溫下的極限變形能力，反映了材料在低溫時的粘性、塑性性質(zhì)及材料抵抗變形的能力。顯然，瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變越大，低溫抗裂性能越好。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)就是以瀝青混合料的破壞應(yīng)變作為低溫性能控制指標(biāo)。聚酯纖維、聚丙烯腈纖維在低溫下呈柔性,并且交錯、橋接的纖維使混合料具有較高的彈性,因此纖維混合料能夠有效抵抗低溫應(yīng)力,減少溫縮裂縫產(chǎn)生。

圖8 試驗方案與破壞時抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖9 試驗方案與破壞時最大彎拉應(yīng)變的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)聚丙烯腈纖維和聚脂纖維都是從石油中提煉出來的有機(jī)聚合物產(chǎn)品，其組成結(jié)構(gòu)與瀝青的結(jié)構(gòu)具有近源相似性，因此，這兩種纖維同瀝青

作用時其界面效應(yīng)強(qiáng)烈，對瀝青具有較強(qiáng)的吸附作用，有利于提高纖維與瀝青的界面作用效果，纖維的橋接與加筋作用強(qiáng)烈。

(2)聚丙烯腈纖維和聚酯纖維與瀝青混合料拌和時，很容易分散均勻，有機(jī)纖維性能穩(wěn)定，不污染環(huán)境，且施工簡便，無需增添任何施工設(shè)備和變更原混合料設(shè)計，能有效地解決瀝青混凝土的多種缺陷。

(3)混合纖維對瀝青混合料的路用性能改善效果更為顯著，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)特性，可以推廣使用。

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

[2] 陳栓發(fā)，陳華鑫，鄭木蓮.瀝青混合料設(shè)計與施工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[4] 高雪池.濱州黃河公路大橋橋面鋪裝研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[5] 馬 翔，倪富健，顧興宇，等.聚酯纖維瀝青混合料路用性能研究分析[J].公路交通科技，2006，23(1)：24-27.

[6] 于 斌.AC-16C型纖維瀝青混凝土路用性能研究[J].公路，2009，(7):58-62.

[7] 劉洪瑞，張榮輝.聚酯纖維增強(qiáng)瀝青混凝土在公路與鐵路兩用大橋中的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料, 2008，(8):15-18.

[8] 丁慶國.增強(qiáng)纖維瀝青混合料在橋面鋪裝改造中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2008，(4):93-97.