DolanitAS纖維在SMA瀝青混合料中的路用性能研究

關(guān)志深，曾俊標(biāo)

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.廣東華美加工程顧問有限公司，廣東 廣州 510627)

0 引言

Dolanit AS纖維是一種新型的瀝青路面專用增強(qiáng)纖維，它具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、不溶解，吸附性強(qiáng)，在溶劑中不膨脹，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，可提高路面的柔韌性，減少高溫車轍、低溫開裂等，從而延長了路面的使用性能壽命。本文將通過對(duì)不同摻量Dolanit AS纖維及摻量0.3%的木質(zhì)素纖維進(jìn)行比較分析，確定適用于SMA—13混合料的Dolanit AS纖維摻量。

1 Dolanit AS纖維機(jī)理分析

DolanitAS纖維是一種有機(jī)合成的聚丙烯腈纖維，當(dāng)添加到瀝青混凝土中時(shí)，它不僅僅是穩(wěn)定添加劑，更能改善膠體的結(jié)構(gòu)，起到加強(qiáng)筋的作用。其主要作用表現(xiàn)在以下方面：

a）吸附作用 Dolanit AS纖維分散在瀝青中，其巨大的表面積成為浸潤界面，可以充分吸收瀝青，使集料表面的瀝青膜厚度增大，有利于減緩瀝青老化；

b）穩(wěn)定作用 在瀝青混合料中，縱橫交錯(cuò)的纖維所吸附的瀝青，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，使瀝青混合料的粘滯性增強(qiáng)，瀝青軟化點(diǎn)提高，有效地提高了高溫穩(wěn)定性，而且在高溫季節(jié)，瀝青受熱膨脹時(shí)，纖維內(nèi)部的空隙還將成為一種緩沖的余地，不致成為自由瀝青泛油，對(duì)高溫穩(wěn)定性也有作用；

c）加筋作用 在混合料中纖維是三維隨機(jī)分布的，由于數(shù)量眾多而且強(qiáng)度高，分布極為廣泛，對(duì)混合料的開裂起到阻滯作用，從而提高瀝青路面的強(qiáng)度和裂紋自愈能力，減少裂縫的出現(xiàn)；

d）分散作用 如果沒有纖維，用量頗大的瀝青礦粉可能成為膠團(tuán)，不能均勻地分散在集料之間，纖維可以使膠團(tuán)適當(dāng)?shù)姆稚ⅲ?/p>

e）增粘作用 由于纖維吸附瀝青，增強(qiáng)了瀝青對(duì)集料顆粒的握裹力，通過油膜的粘結(jié)，提高集料之間的粘結(jié)力，保證瀝青路面的整體性而不易松散，使道路施工質(zhì)量得到改善。

2 原材料性能

本文研究采用泰普克SBS類Ⅰ—D型改性瀝青，粗、細(xì)集料均采用輝綠巖碎石，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，水泥采用普通硅酸鹽水泥。上述原材料質(zhì)量指標(biāo)均能滿足相應(yīng)規(guī)范中的要求。

3 試驗(yàn)方案

SMA—13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配見表1，按摻加0.2%、0.25%、0.3%、0.35% Dolanit AS纖維及摻加0.3%木質(zhì)素纖維五種方案，統(tǒng)一采用泰普克SBS類Ⅰ—D型改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)比較。

表1 SMA—13瀝青混合料礦料合成級(jí)配

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

按照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定要求進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，各纖維不同摻量下的瀝青混凝土馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2，不同纖維及摻量與馬歇爾穩(wěn)定度的關(guān)系如圖1所示。

表2 不同纖維摻量下瀝青混凝土的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖1 不同摻量纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度

由表2可以得出，隨著Dolanit AS纖維摻量的增加，纖維加筋瀝青混合料的最佳油石比逐漸增加，盡管Dolanit AS纖維對(duì)瀝青有一定的吸持能力，但其吸油性能較低，纖維摻量從0.2%增加到0.35%，最佳油石比僅增加了0.13%，Dolanit AS纖維對(duì)瀝青的吸油率為1.2∶1。受木質(zhì)素纖維較強(qiáng)吸油性特點(diǎn)的影響，其油石比較同比例摻量的Dolanit AS纖維瀝青混合料略有增加。

由圖1可知，SMA—13型瀝青混合料中摻加Dolanit AS纖維后，纖維用量為0.25%和0.3%時(shí)馬歇爾穩(wěn)定度相差較小，但纖維用量增加到0.35%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度迅速降低，以0.3%摻量的馬歇爾穩(wěn)定度最高。木質(zhì)素對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的改善效果低于Dolanit AS纖維，摻加同比例（0.3%）的纖維時(shí)，木質(zhì)素纖維的馬歇爾穩(wěn)定度約為Dolanit AS纖維的94%。這是因?yàn)镈olanit AS纖維長徑比較大、根數(shù)極多、纖維本身模量高，纖維傳遞和分散荷載的能力強(qiáng)。此外，在同一級(jí)配條件下，混合料中摻加的纖維會(huì)吸收和吸附一部分自由瀝青，尤其是吸收了瀝青組成物質(zhì)中的輕質(zhì)組分，也即增加了瀝青中瀝青質(zhì)的含量，瀝青質(zhì)含量的提高有助于提高瀝青混合料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。另一方面，由于纖維吸收了部分瀝青，如無瀝青補(bǔ)充這一部分損失量，將增加混合料的空隙率，降低使用品質(zhì)，因此應(yīng)適當(dāng)增加瀝青用量，保證混合料具有足夠的密實(shí)性，降低空隙率，增強(qiáng)粘聚力，從而提高穩(wěn)定度值。

4.2 高溫穩(wěn)定性研究

本文高溫穩(wěn)定性研究采用車轍試驗(yàn)，按照規(guī)范規(guī)定的要求進(jìn)行車轍試驗(yàn)研究。除了采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性以外，對(duì)車轍試驗(yàn)過程中的早期車轍變形量、車轍變形的時(shí)間累積兩個(gè)指標(biāo)也進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)，以期全面考察Dolanit AS纖維對(duì)瀝青混合料高溫抗變形能力的改善效果。車轍試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖2。

表3 不同纖維摻量下瀝青混凝土的車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2 不同纖維摻量下瀝青混合料的車轍深度（變形量）

從圖2可以看出，摻Dolanit AS纖維瀝青混合料的早期車轍深度比不含纖維和摻加木質(zhì)素纖維瀝青混合料的車轍深度都要小。這表明Dolanit AS纖維的加入不僅有效地阻止了瀝青混合料的高溫變形，還對(duì)抵抗瀝青混合料的早期再壓密變形有一定的貢獻(xiàn)。

由表3可以看出，盡管按車轍的時(shí)間累積數(shù)值評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)結(jié)果一致，但采用車轍的時(shí)間累積數(shù)值評(píng)價(jià)時(shí)，摻加0.2%～0.3%的Dolanit AS纖維的瀝青混合料的高溫抗變形能力是未摻加纖維的1.6～2.0倍，摻加0.3%的木質(zhì)素纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是未摻加纖維的1.14倍，即相對(duì)于采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)而言，對(duì)車轍試驗(yàn)采用車轍變形的時(shí)間累積指標(biāo)作為綜合評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性的依據(jù)時(shí)，摻加Dolanit AS纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性比未摻加纖維的瀝青混合料有了更大的提高，而摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料則相反。

4.3 水穩(wěn)定性研究

本文主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性。按規(guī)范規(guī)定要求進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，各試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖3～圖5所示。

表4 不同纖維摻量下瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同纖維摻量下瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)

圖4 不同纖維摻量下瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)

圖5 不同纖維摻量下瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)

從表4、圖3～圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

4.3.1 對(duì)于沒有經(jīng)凍融的試件，加入Dolanit AS纖維后混合料劈裂強(qiáng)度可提高12%左右，加入木質(zhì)素纖維后混合料劈裂強(qiáng)度提高7%左右。說明纖維加入后，纖維瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度增大，而且纖維的加筋作用也改善了混合料的劈裂強(qiáng)度，而木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青膠漿粘結(jié)強(qiáng)度提高低于Dolanit AS纖維。

4.3.2 經(jīng)過凍融循環(huán)后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均有所下降，但不含纖維瀝青混合料下降后的劈裂強(qiáng)度仍然較含Dolanit AS纖維瀝青混合料小18%～33%，較含木質(zhì)素纖維瀝青混合料小24%左右。

4.3.3 從凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR比較來看，摻加Dolanit AS纖維的比例大于0.3%后，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比呈下降趨勢。這主要是因?yàn)殡S著纖維的摻入量增加，在瀝青用量逐漸增加的同時(shí)，瀝青混合料空隙率減?。蝗衾^續(xù)增加纖維用量，瀝青混合料密度減小、空隙率增大。試件經(jīng)過抽真空后，瀝青混合料中的空隙充分地被水填充，在－18℃水凍結(jié)后對(duì)空隙壁產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，經(jīng)過凍融循環(huán)后混合料的強(qiáng)度因此減弱。纖維瀝青混合料空隙率增大后，它所受到的凍脹破壞作用更明顯，造成纖維瀝青混合料的抗劈裂強(qiáng)度能力降低；另一方面，由于纖維和瀝青在低溫下溫縮變形的不協(xié)調(diào)性，擴(kuò)大了瀝青混合料空隙的體積，使凍脹破壞作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化，因此在纖維瀝青混合料的施工中應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)路面的壓實(shí)效果。

4.3.4 經(jīng)過凍融循環(huán)后Dolanit AS纖維瀝青混合料試件的劈裂強(qiáng)度下降幅度較未摻加纖維的小，且經(jīng)過凍融后瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度絕對(duì)值比未摻加纖維瀝青混合料的大，這說明Dolanit AS纖維對(duì)于混合料抗凍融循環(huán)或者說水穩(wěn)性的提高起到了明顯作用。此外，采用基質(zhì)瀝青的Dolanit AS纖維瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR大于無纖維的改性瀝青混合料，但由于改性瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度大于摻加Dolanit AS纖維的基質(zhì)瀝青膠漿，未經(jīng)過凍融的改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度絕對(duì)值略大于摻加Dolanit AS纖維的基質(zhì)瀝青混合料，而經(jīng)過凍融后二者已相差不大。

4.3.5 從凍融后劈裂強(qiáng)度值和凍融劈裂強(qiáng)度比總的來看，Dolanit AS纖維摻量為0.3%時(shí)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性的改善最為顯著。

5 結(jié)論

本論文通過對(duì)纖維作用機(jī)理分析、Dolanit AS纖維瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)研究和路用性能研究，得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

a）摻加Dolanit AS纖維使得混合料的抗壓強(qiáng)度得到較大提高；

b）加入Dolanit AS纖維后，瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均有明顯的提高；

c）通過纖維瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻纖維瀝青混合料的最佳瀝青用量增加、密度下降、穩(wěn)定度提高；纖維長徑比越大，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度越高，纖維的加強(qiáng)效果越好，如Dolanit AS纖維；同時(shí)分散性是纖維加強(qiáng)瀝青混合料的有力保證；

d）摻加既吸附穩(wěn)定瀝青，又有明顯加筋作用的Dolanit AS纖維使得混合料的動(dòng)穩(wěn)定度顯著提高；

e）從殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)看，Dolanit AS纖維瀝青混合料水穩(wěn)性比未摻加纖維的瀝青混合料要好；凍融劈裂試驗(yàn)表明Dolanit AS纖維摻量越多凍融后的劈裂強(qiáng)度越大，混合料水穩(wěn)性越好；

f）綜合其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析結(jié)果認(rèn)為，采用0.2%～0.3%的Dolanit AS纖維摻量時(shí)其效益－成本比最優(yōu)，同時(shí)以0.3%纖維摻量為Dolanit AS纖維最佳用量。

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