MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究

陳拴發(fā)，黃 振，熊 銳，關(guān)博文，馬莉莉，盛燕萍

(1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064;2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710061)

0 引言

目前，瀝青路面上的麻面、松散和坑槽等早期病害頻發(fā)，嚴(yán)重影響了路面的使用品質(zhì).許多研究表明，摻入路用纖維(木質(zhì)素纖維、聚合物纖維、玄武巖纖維)可以有效降低瀝青路面水損害的發(fā)生幾率［1-4］.木質(zhì)素纖維加入瀝青混合料后無法再生利用，且對瀝青混合料幾乎沒有增強(qiáng)效果;聚合物纖維和玄武巖纖維價格較貴，且前者高溫受熱易卷曲，在工程上的推廣與應(yīng)用受到一定限制.因此，探索和研究對瀝青路面具有良好增強(qiáng)作用、施工便利、經(jīng)濟(jì)可行且環(huán)保的增強(qiáng)型纖維材料，對于改善瀝青路面的使用品質(zhì)，延長使用壽命具有一定的現(xiàn)實意義和使用價值［5］，MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維是基于以上發(fā)展趨勢研發(fā)出的一種新型纖維.為驗證MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果，筆者擬采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗對混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并運用灰關(guān)聯(lián)熵分析法，探討各影響因素(內(nèi)因)的相對顯著程度，從而為MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料的材料組成設(shè)計及推廣應(yīng)用提供有益參考.

1 試驗方法

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［6］，分別對瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，對凍融劈裂強(qiáng)度比TSR和浸水殘留穩(wěn)定度MS0進(jìn)行計算.

2 灰關(guān)聯(lián)熵分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法能在“小樣本、貧信息”的條件下進(jìn)行分析，通過灰色關(guān)聯(lián)分析可以找出各種因素與系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢之間的關(guān)系，從而分辨出主要因素和次要因素，具有很強(qiáng)的實用性，但現(xiàn)有的灰色關(guān)聯(lián)方法存在一定的缺點［7］.灰關(guān)聯(lián)熵分析法［8］不僅繼承了灰色關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)勢，而且克服了其存在的缺點，因此筆者采用灰關(guān)聯(lián)熵分析法來研究影響因素的顯著性.

3 試驗原材料

3.1 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維

MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維是一種新型纖維，它以環(huán)保型的天然堿性礦物纖維為主料，高分子芳烴油為輔料，經(jīng)化學(xué)松解、離子極化、復(fù)合造粒而成.MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維的主要技術(shù)指標(biāo)如表1，纖維的宏觀和微觀形貌如圖1［5］所示.

表1 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of MiberⅠmineral composite fiber

圖1 MiberⅠ型纖維Fig.1 MiberⅠfiber

3.2 瀝青

試驗選用SBS(I-C)改性瀝青、克拉瑪依A-70#瀝青和克拉瑪依A-90#瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)分別如表 2［9］所示.

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Asphalt technical indexes

3.3 礦料

粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用機(jī)制砂，礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r.經(jīng)檢測，集料、礦粉各項技術(shù)指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求.

瀝青混合料采用AC-13C、AC-13F和SMA-13 3種類型級配，礦料級配如表3所示.

4 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響因素分析

瀝青混合料的水穩(wěn)定性能主要受內(nèi)、外因的影響，內(nèi)因主要指瀝青、礦料、外摻劑和混合料的性質(zhì)等;外因主要指環(huán)境因素與荷載的作用.基于可操作性，筆者針對內(nèi)因來進(jìn)行分析.

表3 礦料級配Tab.3 Mineral aggregate gradation

4.1 纖維的影響

MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維作為一種新型增強(qiáng)纖維，具有加筋作用，對提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能具有重要影響，筆者將其摻量作為一個影響因素進(jìn)行考察.

4.2 瀝青的影響

(1)針入度.黏性高的瀝青較黏性低的瀝青水穩(wěn)定性要好，這主要是由于黏性高的瀝青存在較多的極性物質(zhì)，且具有良好的潤濕性［10］.在瀝青的3大指標(biāo)中，針入度可表征瀝青的黏性，且與瀝青混合料的水穩(wěn)定性密切相關(guān)，因此，將其列為影響因素之一.

(2)瀝青用量.瀝青用量較少時，瀝青膜難以充分裹覆礦料，二者界面容易被水浸入并引發(fā)剝離，進(jìn)而導(dǎo)致混合料的水損害.為此，筆者將瀝青用量作為影響因子，由于瀝青飽和度是瀝青混合料中的一個重要體積指標(biāo)，筆者亦將其列為分析因素之一.

4.3 集料級配的影響

集料級配決定了礦料間嵌擠力的大小及混合料的密實程度.良好的集料級配，有利于改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.一般認(rèn)為，4.75 mm篩孔通過率是影響瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成形態(tài)的重要因素［11］.

4.4 瀝青混合料空隙率的影響

瀝青混合料空隙率是指單位體積的瀝青混合料中除礦料和瀝青占據(jù)的體積以外的空隙所占總體積的百分率.瀝青混合料的空隙率過大，水分將容易進(jìn)入瀝青與礦料界面，在外荷載的作用下，瀝青膜逐漸從礦料表面剝離，導(dǎo)致路面出現(xiàn)水損害.因此，將空隙率控制在一定范圍內(nèi)，具有重要意義.

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性影響因素的灰關(guān)聯(lián)熵分析

MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果如表4所示.分別以凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度為參考序列，得到了各影響因素的灰熵關(guān)聯(lián)度，分別如圖2、圖3所示.

由圖2、圖3可以看出，以TSR為參考序列時，各影響因素對MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響大小順序為:纖維摻量＞瀝青飽和度＞瀝青用量＞瀝青混合料空隙率＞瀝青針入度＞4.75 mm篩孔通過率;以MS0為參考序列時，影響大小順序為:纖維摻量＞瀝青用量＞瀝青飽和度＞瀝青混合料空隙率＞瀝青針入度＞4.75 mm篩孔通過率.

當(dāng)凍融劈裂強(qiáng)度比、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度作為參考序列時，各因素的影響顯著程度并不完全相同.這主要是因為兩種試驗條件存在較大差距.但不論選取哪個作為參考指標(biāo)，纖維摻量都是MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性最重要的影響因素.

表4 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Tab.4 Water stability test results of MiberⅠmineral composite fiber asphalt mixture

5.2 MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性

采用SBS改性瀝青，將纖維摻入到AC-13C和SMA-13 2種級配的瀝青混合料中，試驗得到纖維摻量與凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的關(guān)系分別如圖4、圖5.

由圖4、圖5可以看出，摻入適量的MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維可以有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.對于AC-13C瀝青混合料來說，摻入0.4%的纖維，其凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度與未摻纖維的相比可分別提高8.5%、11.2%;對于SMA-13瀝青混合料來說，摻入0.5%的纖維，其凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度與未摻纖維的相比可分別提高4.0%、8.8%.這主要是由于礦物復(fù)合纖維在瀝青混合料中具有良好的增黏和增強(qiáng)作用，即:堿性礦物纖維與瀝青間良好的粘附性使結(jié)構(gòu)瀝青膜增厚，并使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)逐漸由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，以至凝膠，同時增強(qiáng)了纖維瀝青相與礦料相之間的界面效應(yīng);該纖維的抗拉強(qiáng)度較大，其縱橫交錯的三維分布在瀝青混合料中起到加筋、橋接和阻拔作用，如圖6所示，能夠有效阻止相間界面滑移，從而有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.

對于AC-13C與SMA-13瀝青混合料，當(dāng)纖維摻量分別為0.4%、0.5%時，其水穩(wěn)定性能達(dá)到最優(yōu).纖維的摻量過大，纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性均有一定程度的下降，這主要是由于部分纖維不能均勻分散而聚團(tuán)，從而影響了纖維的使用效果.

6 結(jié)論

(1)就“小樣本”、“貧信息”的系統(tǒng)而言，灰關(guān)聯(lián)熵分析法是一種簡單實用且結(jié)果比較準(zhǔn)確的方法.本文研究的瀝青混合料就一個“灰體”，影響瀝青混合料性能的因素有很多.通過灰熵分析，得出纖維摻量是影響MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性最重要的因素.在纖維瀝青混合料組成設(shè)計和使用過程中，應(yīng)將纖維摻量作為主要控制點，并進(jìn)一步考慮其可控制程度和經(jīng)濟(jì)成本等.

(2)通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗結(jié)果可知，MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維能夠有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，纖維在瀝青混合料中的界面增強(qiáng)效應(yīng)和加筋橋接阻拔效應(yīng)是主要原因.對于AC-13C瀝青混合料，MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維最佳摻量為0.4%;對于SMA-13瀝青混合料，MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維最佳摻量為0.5%.

(3)筆者的結(jié)論是在3種瀝青和3種級配瀝青混合料的基礎(chǔ)上得到的，具有一定局限性.因此，對于MiberⅠ型礦物復(fù)合纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性仍需進(jìn)行深入研究.

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