纖維瀝青混凝土在橋面應(yīng)用中的路用性能研究

張海濤 何亞伯

1 概述

現(xiàn)階段，在改善瀝青混合料的路用性能上出現(xiàn)了以下幾個(gè)研究方向:1)通過(guò)改善礦質(zhì)混合料的級(jí)配來(lái)提高瀝青混合料的高溫抗變形能力;2)通過(guò)改善瀝青性能品質(zhì)來(lái)提高瀝青混合料的團(tuán)聚力，提高抵抗永久變形能力并減少感溫性;3)重要研究方向是在瀝青混合料中加入纖維加筋材料以改善其整體的物理力學(xué)性能。本文結(jié)合河南省小劉橋橋面的纖維瀝青混凝土鋪裝項(xiàng)目，通過(guò)試驗(yàn)，研究摻加聚酯、聚丙烯腈纖維對(duì)瀝青混凝土路用性能的改善。

2 試驗(yàn)方案

研究采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫極限彎曲試驗(yàn)，全面比較摻加纖維前后以及摻加不同纖維或同種纖維不同摻量時(shí)纖維瀝青混合料各項(xiàng)路用性能指標(biāo)的差異。對(duì) AC-16及AC-25型瀝青混凝土均按表1中所列的三種試驗(yàn)方案摻加纖維并與不摻加纖維的瀝青混凝土進(jìn)行對(duì)比研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

試驗(yàn)均按照文獻(xiàn)［1］中的相關(guān)方法進(jìn)行。

3.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

1)纖維加入后空隙率均有增大趨勢(shì)，并且隨纖維用量增大而增大。在AC-16瀝青混凝土中添加纖維后空隙率的變化要大于AC-25瀝青混凝土，這是由于在不摻加纖維時(shí)，AC-25瀝青混凝土的空隙率大于AC-16瀝青混凝土，能為纖維的填充提供一點(diǎn)空間。2)纖維加入后穩(wěn)定度的變化主要應(yīng)綜合纖維橋接加筋的加強(qiáng)作用與“強(qiáng)度弱點(diǎn)”的削弱作用而定。纖維用量較小時(shí)，纖維分散較均勻，穩(wěn)定度有所提高;但在較大的纖維用量下，纖維的分散性受到限制，反而使混合料的穩(wěn)定度降低。方案三得到的穩(wěn)定度為最大，這同樣可以用纖維的分散性加以解釋:方案三的纖維用量雖然與方案二相同，但由于加入的聚丙烯腈纖維直徑(或長(zhǎng)徑比)遠(yuǎn)小于聚酯纖維，因此方案三的混合纖維分散性要優(yōu)于方案二的單一聚酯纖維。并且，聚丙烯腈纖維的強(qiáng)度又遠(yuǎn)大于聚酯纖維，因此方案三的纖維加筋和橋接作用更為明顯。3)一般認(rèn)為，流值隨瀝青用量的增加而增大，并且隨纖維劑量的增加其增大幅度放緩。但本項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果并未完全體現(xiàn)上述規(guī)律，因此認(rèn)為流值的變化應(yīng)視瀝青用量增加與抗變形能力的提高綜合而定。4)纖維加入后，殘留穩(wěn)定度明顯增加;但在較大纖維劑量時(shí)，殘留穩(wěn)定度增大的幅度減緩，甚至有略微下降的趨勢(shì)。這是由于纖維加入后，最佳瀝青用量增加，其有效瀝青膜厚度增大，從而有效地阻礙了水體對(duì)瀝青的剝離作用;但纖維劑量過(guò)大時(shí)，因纖維的分散性受到限制，最佳瀝青用量不再增加或增幅較小，反而使混合料的空隙率增大，這對(duì)混合料水穩(wěn)定性不利。所以，較大纖維劑量時(shí)，殘留穩(wěn)定度卻不再增加，這表明纖維的加入雖有利于提高殘留穩(wěn)定度，但并不是越多越好。

表2 瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度及浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)方案與劈裂強(qiáng)度比的關(guān)系圖

1)由于纖維瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度較普通瀝青大，而且纖維的加筋作用也提高了混合料的劈裂強(qiáng)度，因此，混合料加入纖維后的劈裂強(qiáng)度比均高于未加纖維的情況。但隨纖維劑量的進(jìn)一步增加，劈裂強(qiáng)度比會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)纖維劑量超過(guò)一定值時(shí)，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害性能下降，因此，要求在施工中對(duì)纖維瀝青混合料必須加強(qiáng)碾壓，以減小空隙率［2］。2)方案三劈裂強(qiáng)度比最高，其原因是聚丙烯腈纖維長(zhǎng)徑比及強(qiáng)度均大于聚酯纖維，因此其加筋作用也更為明顯，對(duì)提高混合料的抗裂性能作用更好。一般認(rèn)為混合料抗裂性能差而形成裂紋是早期水破壞的內(nèi)在決定性因素，因此提高混合料的抗拉性能才能從根本上解決路面早期水破壞問(wèn)題。3)AC-16瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度比均高于同等條件下的AC-25瀝青混凝土，其原因是由于前者的空隙率小于后者，空隙率愈小，則水穩(wěn)定性愈好。

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖2 試驗(yàn)方案與破壞時(shí)抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系圖

圖3 試驗(yàn)方案與破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變的關(guān)系圖

1)摻入纖維的瀝青混凝土其彎曲破壞強(qiáng)度并未提高，實(shí)際上還產(chǎn)生了下降的現(xiàn)象，如對(duì)AC-25瀝青混凝土，這與文獻(xiàn)［3］中的試驗(yàn)結(jié)果基本相符。2)瀝青混合料在低溫下的極限變形能力，反映了混合料低溫時(shí)的粘性、塑性性質(zhì)以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?cè)酱?，其低溫抗裂性能越好。從圖3可以看出，摻加纖維增強(qiáng)材料后，瀝青混合料低溫變形能力均有提高。其中，對(duì)AC-16及AC-25瀝青混凝土而言，與不加纖維的瀝青混凝土相比，加入纖維后方案一、二、三的極限彎曲應(yīng)變分別提高了 5.5%，5.0%，18.8% 及 15.0%，28.3%，11.8%。3)纖維瀝青混合料變形能力的提高主要是由于纖維的橋接作用，在混凝土開(kāi)裂后仍能使纖維瀝青混合料維持一定的承載能力，表現(xiàn)出韌性破壞形式，即在最大荷載處出現(xiàn)較明顯的水平階段，極限變形幅度還可進(jìn)一步增加，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，從而使混合料的抗變形能力增大。從試件的破壞形式上也可以看出，未加纖維的混合料呈脆性破壞，而摻入纖維后，試件可保持裂而不斷。

3.4 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

聚酯纖維加入后，隨纖維劑量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度增加且出現(xiàn)一個(gè)峰值，而后動(dòng)穩(wěn)定度隨纖維劑量出現(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象，這表明以下兩點(diǎn):1)纖維對(duì)混合料高溫性能改善作用有一最佳摻量，此時(shí)纖維對(duì)瀝青的穩(wěn)定作用和對(duì)混合料的“加筋”作用達(dá)到最佳。2)當(dāng)纖維摻量超過(guò)最佳劑量時(shí)，由于只有分散開(kāi)的纖維才對(duì)瀝青混合料起穩(wěn)定和“加筋”作用，而多余的纖維結(jié)團(tuán)成束，在混合料中成為“強(qiáng)度弱點(diǎn)”，使得較大的礦料顆粒被擠開(kāi)，礦料的骨架性下降，因此混合料的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)緩慢下降。聚酯纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)瀝青混合料的高溫性能均有一定的改善作用，但提高的幅度相差較大。一般而言，纖維的力學(xué)性能越好，則通過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維的作用力愈大，增強(qiáng)效果越好，這解釋了方案三的動(dòng)穩(wěn)定度值為何為各種方案的最大值。因此在選擇纖維時(shí)，除了考慮纖維的分散性外，還要考慮纖維與瀝青的界面粘結(jié)強(qiáng)度。

圖4 試驗(yàn)方案與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

摻加纖維的瀝青混合料其各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均有一定程度的提高。由于纖維的存在，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)增加瀝青混合料的碾壓遍數(shù)，以確保瀝青混合料的密實(shí)度。綜合纖維混合料的各方面性能，認(rèn)為摻加混合纖維的方案的路用性能最佳，在工程實(shí)踐中可結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比選擇適宜的纖維種類。

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

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

［3］ 朱朝輝.外摻纖維瀝青混合料的路用性能研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2004.

［4］ 陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2002.

［5］ 高福權(quán).聚酯纖維瀝青混凝土路用性能研究［D］.沈陽(yáng):東北林業(yè)大學(xué)碩士論文，2006.

［6］ 孫立兵.纖維瀝青混凝土路用性能研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2002.

［7］ 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)博士論文，2006.

［8］ 馬 翔.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.