玄武巖纖維瀝青混合料動態(tài)蠕變試驗(yàn)

盧佩霞，肖 鵬，呂 陽

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127;2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

玄武巖纖維是近年來出現(xiàn)的新型高性能瀝青改性材料.與其他纖維相比，玄武巖纖維在瀝青路面的應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢［1-3］.彭廣銀等［4］、郭德棟等［5］、劉克非［6］以聚酯纖維為對比對象，通過馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及高溫車轍試驗(yàn)，研究表明:短切玄武巖纖維瀝青混合料的高溫抗車轍能力和水穩(wěn)定性能均優(yōu)于聚酯纖維瀝青混合料，但瀝青混合料作為一種黏彈性材料［7-9］，其物理、力學(xué)性能與溫度、荷載及作用時間密切相關(guān)，受環(huán)境影響極大［10-12］，常規(guī)的車轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)等沒有考慮交通設(shè)計(jì)水平和環(huán)境因素，用來評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能具有一定局限性.動態(tài)蠕變試驗(yàn)可以模擬路面在不同的荷載、環(huán)境條件下的動態(tài)響應(yīng)，動態(tài)蠕變值是評價瀝青混合料高溫性能的一個有效指標(biāo)［13］.李雪蓮等［14］對普通重交瀝青和聚酯纖維改性瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)蠕變試驗(yàn)，結(jié)果表明:纖維改性瀝青混合料抗永久變形能力更優(yōu)越;纖維改性瀝青混合料對溫度敏感性明顯小于普通重交瀝青混合料.目前對玄武巖纖維瀝青混合料采用動態(tài)蠕變試驗(yàn)指標(biāo)評價高溫抗車轍性能的研究還不多見.為此，本研究采用動態(tài)蠕變試驗(yàn)，對比AC-13，SMA-13等不同級配類型的玄武巖纖維瀝青混合料，研究玄武巖纖維對不同級配類型的瀝青混合料高溫抗車轍性能影響，以及溫度變化對玄武巖纖維改性瀝青混合料高溫流變特性的影響.

1 材料

1.1 纖維

玄武巖纖維購自江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維高新科技有限公司.玄武巖纖維性能參數(shù)指標(biāo)滿足JT/T776—2010《公路工程玄武巖纖維及其制品》的要求，試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范要求的比較見表1.

表1 玄武巖纖維性能參數(shù)的規(guī)范要求與試驗(yàn)結(jié)果比較

1.2 集料及瀝青

集料選用鎮(zhèn)江茅迪玄武巖粗、細(xì)集料，填料選用鎮(zhèn)江高資石灰石礦粉，各礦料的技術(shù)性質(zhì)均滿足規(guī)范要求.基質(zhì)瀝青采用南京金陵70#道路石油瀝青，其性能滿足A級70#道路石油瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，SBS瀝青采用成品改性瀝青，其性能試驗(yàn)滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求.

2 混合料配合比設(shè)計(jì)

選取AC-13C和SMA-13兩種常用級配來成型瀝青混合料，級配組成如表2所示.共選用6種瀝青混合料類型，瀝青混合料中的纖維摻量與最佳油石質(zhì)量比如表3所示，其中的木質(zhì)素纖維采用德國瑞登梅父子公司生產(chǎn)的ARBOCEL ZZ8/1型絮狀木質(zhì)素纖維.

表2 不同篩孔級配礦料的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 瀝青混合料組成材料

3 動態(tài)蠕變試驗(yàn)

3.1 方法

采用UTM-25伺服式材料動態(tài)測試系統(tǒng)，參照NCHRP 9-29《美國公路合作研究組織試驗(yàn)設(shè)備規(guī)范》規(guī)定的方法進(jìn)行動態(tài)蠕變試驗(yàn).對摻加與不摻加玄武巖纖維的2種級配瀝青混合料在3種溫度環(huán)境下進(jìn)行全面試驗(yàn).方法如下:①根據(jù)NCHRP 9-29中的規(guī)定，動態(tài)蠕變試驗(yàn)試件尺寸為φ100 mm×150 mm(高)，試驗(yàn)試件的制備過程同動態(tài)模量試驗(yàn)的試件制備過程;② 根據(jù)JTGD50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，本試驗(yàn)選取軸向壓力大小為0.7 MPa，接觸壓力為0.02 MPa;③ 瀝青混合料的永久變形主要發(fā)生在夏季高溫時，本試驗(yàn)分別選取在40，50和60℃溫度條件下進(jìn)行瀝青混合料的動態(tài)蠕變試驗(yàn);④本試驗(yàn)采用半正弦波進(jìn)行加載，加載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s，進(jìn)行動態(tài)重復(fù)加載，加載方式如圖1所示.

圖1 動態(tài)蠕變試驗(yàn)加載方式和數(shù)據(jù)采集

3.2 結(jié)果與分析

成型動態(tài)蠕變所用尺寸為φ100 mm×150 mm試件，對成型后的試件測量其孔隙率，保證孔隙率偏差不超過±0.5%.試驗(yàn)前，將試件放置于試驗(yàn)溫度±0.5℃的溫控箱中，恒溫4～5 h使其達(dá)到進(jìn)行試驗(yàn)所要求的溫度.試驗(yàn)中，在試件兩端各墊一張四氟乙烯薄膜，以消除試件端部約束效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果和精度的影響.試件動態(tài)蠕變試驗(yàn)前后對比如圖2所示.

圖2 試件動態(tài)蠕變試驗(yàn)前后對比

本研究主要考慮溫度對瀝青混合料蠕變試驗(yàn)結(jié)果的影響，對6種不同類型的瀝青混合料在40，50和60℃溫度條件下進(jìn)行動態(tài)蠕變試驗(yàn).動態(tài)蠕變試驗(yàn)已累計(jì)永久應(yīng)變達(dá)到0.1或累計(jì)加載次數(shù)達(dá)到10 000次為終止條件.動態(tài)蠕變曲線分別如圖3-5所示.瀝青混合料流變次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4.瀝青混合料流變次數(shù)變化趨勢、蠕變速率變化趨勢分別如圖6-7所示.

由圖3-5可見:對于基質(zhì)瀝青AC-13C、SBS瀝青AC-13C和SBS瀝青SMA-13混合料，在相同作用次數(shù)下，摻加纖維后混合料的永久應(yīng)變要小于不摻加纖維混合料，且摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料達(dá)到蠕變破壞階段的累計(jì)作用次數(shù)大于不摻加纖維混合料.由表4可見:摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的流變次數(shù)都有不同程度的提高，40℃下流變次數(shù)分別提高了18.0%，29.0%和1.4%;50℃下分別提高了25.0%，56.0%和26.0%;60℃下分別提高了33.0%，137.0%和40.0%.表明摻加玄武巖纖維可以有效改善瀝青混合料抗車轍能力.

瀝青混合料力學(xué)性能與溫度密切相關(guān)，特別是其強(qiáng)度和勁度模量可隨溫度升高而顯著降低.由圖6可知，6種瀝青混合料的流變次數(shù)隨著溫度的變化有著同樣的變化規(guī)律，都隨著溫度的升高而減小.6種混合料60℃時的流變次數(shù)分別為40℃時的9.6% ，12.0% ，3.0% ，5.6% ，4.9% 和 6.7%.

圖3 40℃累計(jì)永久應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系

圖4 50℃累計(jì)永久應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系

圖5 60℃累計(jì)永久應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系

表4 瀝青混合料流變次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 流變次數(shù)變化趨勢

圖7 蠕變速率變化趨勢

由圖7可知，所有瀝青混合料在流變次數(shù)對應(yīng)點(diǎn)的蠕變速率均隨著溫度的升高而增大，60℃的蠕變速率相對于40℃增大了6.5～44.0倍.使用SBS改性瀝青后，AC-13C瀝青混合料流變次數(shù)大幅增大，蠕變次數(shù)大幅降低.由表4可知，累計(jì)應(yīng)變量隨溫度變化沒有明顯的變化.美國公路合作研究組織NCHRP報(bào)告也指出，將累計(jì)應(yīng)變量作為評價瀝青混合料高溫重載下變形性能的指標(biāo)是不合適的.雖然各種混合料流變次數(shù)都隨溫度增大而降低，但分析表4可知，摻加玄武巖纖維后，降低趨勢變緩，在較高溫度下改善效果明顯.

4 結(jié)論

1)摻加玄武巖纖維后，在相同的作用次數(shù)下，混合料的永久應(yīng)變減小，且達(dá)到蠕變破壞階段的累計(jì)作用次數(shù)大于不摻加纖維的瀝青混合料.表明摻加玄武巖纖維后，瀝青混合料的抗車轍能力有所提高.

2)瀝青混合料的流變次數(shù)隨溫度升高而減小，摻加纖維后混合料的流變次數(shù)明顯增大.可見，摻加玄武巖纖維可以有效改善瀝青混合料抗車轍能力，且溫度越高改善效果越明顯.

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