聚酯纖維摻量對透水性瀝青混合料水穩(wěn)性影響＊

吳金榮 紀(jì)方利 馬芹永

（安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心 淮南 232001）

0 引 言

透水性瀝青混合料在雨天能夠及時排除路表面積水.排水時，水的流動會產(chǎn)生很大的動水壓力和沖刷力，破壞了瀝青與集料間的粘結(jié)性［1］，同時在長期有水的情況下工作，再加上其特有的大空隙結(jié)構(gòu)，使得其更容易受到水的侵蝕而損壞，產(chǎn)生飛散、剝落等病害，進(jìn)而影響其正常使用.因此，對透水性瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)性研究十分必要.

透水性瀝青混合料的空隙率一般在20%左右，單獨(dú)使用改性瀝青不能滿足使用要求，必須外摻纖維［2］，增大集料的比表面積，使透水層的抗剪切能力得到增強(qiáng)，防止透水性瀝青混合料在生產(chǎn)、運(yùn)輸和鋪筑過程中發(fā)生流淌現(xiàn)象，同時能夠增大瀝青膜厚，使其強(qiáng)度和耐久性得到增強(qiáng).采用改性瀝青加纖維替代昂貴的高黏度改性瀝青，以達(dá)到降低透水性瀝青路面的造價(jià)、節(jié)約建設(shè)成本，同時又能保證透水性瀝青路面使用功能的目的.

以粗細(xì)集料、礦粉、改性瀝青和聚酯纖維配制透水性瀝青混合料，實(shí)施6種不同聚酯纖維摻量下的凍融劈裂試驗(yàn)，研究聚酯纖維摻量對其水穩(wěn)性的影響，并對其水損害的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，為透水性瀝青路面的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

粗細(xì)集料均采用石灰?guī)r集料；填料采用石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，占集料總質(zhì)量的4%；瀝青采用SBS改性瀝青［3］，纖維采用潤方路用聚酯纖維.各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40）的規(guī)定.

1.2 目標(biāo)空隙率

透水性瀝青路面的目標(biāo)空隙率與降雨強(qiáng)度緊密相關(guān)，表1給出了華東地區(qū)的降雨強(qiáng)度，以及空隙率要求［4］.

通過對交通事故的統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度為小雨和中雨時，交通事故的發(fā)生率明顯高于大雨時的情況，因此透水性瀝青路面的空隙率應(yīng)主要考慮小雨和中雨時的排水要求.由表1可知，此時的空隙率為14.1%～18.6%.透水性瀝青路面在使用過程中，灰塵雜物會堵塞空隙，同時經(jīng)過車輛荷載的反復(fù)碾壓，空隙率會逐年下降，設(shè)計(jì)時空隙率一般取上限值.

透水性瀝青混合料的空隙率越大，透水性能越好，但是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，耐久性越差［5］.反之，透水性瀝青混合料的空隙率越小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，耐久性越好，但透水性越差.設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮透水性瀝青混合料的功能性和結(jié)構(gòu)性，確定其目標(biāo)空隙率.綜合考慮以上各種因素，透水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率確定為20%左右.

表1 不同降雨強(qiáng)度的空隙率要求

1.3 礦料級配

根據(jù)道路等級、交通特點(diǎn)和降雨量，采用細(xì)粒式PAC－13型透水性瀝青混合料，級配見表2.

表2 礦料級配

1.4 最佳瀝青用量

最佳瀝青用量的確定分為2步，先選擇合理的瀝青膜厚，計(jì)算出初始瀝青用量；然后采用析漏試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，并用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行校核.瀝青膜厚取14μm［6］，得到初始瀝青用量為4.9%.當(dāng)不摻聚酯纖維時，由析漏試驗(yàn)確定的最佳瀝青用量為4.95%；摻加纖維后，纖維摻量每增加0.5%，最佳瀝青用量增加0.05%.

2 試驗(yàn)方法

凍融劈裂試驗(yàn)設(shè)計(jì)的凍融溫差為78℃，凍的溫度為－18℃，融的溫度為60℃.將每種聚酯纖維摻量試件隨機(jī)的分成2組，每組4個.一組試件放在室溫的平臺上備用.另一組試件先進(jìn)行飽水率試驗(yàn)，然后取出試件放入裝有10mL水的塑料袋中，扎緊袋口，將試件放入－18℃的恒溫冰箱中冷凍（16±1）h；取出試件，撤去塑料袋，立即放入（60±0.5）℃的恒溫水槽中，保溫24h.最后將兩組試件都放入（25±0.5）℃的恒溫水槽中保溫不少于2h.注意保溫時試件之間應(yīng)留有至少10 mm的間隙.完成上述步驟后即可以50mm／min的加載速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，得到用于評價(jià)透水性瀝青混合料水穩(wěn)性的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將粗集料、細(xì)集料、改性瀝青、礦粉，摻加0，0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%的聚酯纖維按設(shè)計(jì)級配拌制透水性瀝青混合料，采用擊實(shí)法雙面擊實(shí)50次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試件直徑為101.6mm，高度為63.5mm.試件按照聚酯纖維摻量的不同分為6組，每組8個試件，其中4個試件用于未凍融劈裂試驗(yàn)，其余4個試件用于凍融劈裂試驗(yàn).總共48個試件.試驗(yàn)結(jié)果均為4個試件的平均值.

3.1 聚酯纖維對飽水率影響

飽水率是衡量瀝青混合料試件在規(guī)定的真空條件下吸水能力的指標(biāo)，是試件真空飽水后的表干質(zhì)量與試件干質(zhì)量的比值.透水性瀝青混合料的飽水率與聚酯纖維摻量的關(guān)系見圖1.

圖1 飽水率與聚酯纖維摻量關(guān)系

由圖1可知，透水性瀝青混合料的飽水率隨著聚酯纖維摻量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律.當(dāng)聚酯纖維摻量由0增大至0.4%時，試件飽水率由2.87%下降至2.12%；當(dāng)聚酯纖維摻量繼續(xù)增大并達(dá)到0.5%時，飽水率不再下降，而是隨著聚酯纖維摻量的增大而增大，由2.12%增大至2.85%，接近于不摻纖維時的飽水率2.87%.摻聚酯纖維的透水性瀝青混合料的飽水率均低于不摻聚酯纖維的飽水率，說明摻加聚酯纖維能夠減小透水性瀝青混合料的飽水率，但并不是聚酯纖維摻加的越多，飽水率就越小.與不摻纖維時相比，其飽水率分別下降了15.0%，15.7%，26.1%，5.2%，0.7%，聚酯纖維摻量小于0.4%的飽水率下降幅度明顯高于摻量大于0.4%，在聚酯纖維摻量為0.4%時達(dá)到最大的降幅26.1%，此時飽水率也達(dá)到最小值2.12%.

3.2 聚酯纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度影響

透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度與聚酯纖維摻量的關(guān)系見圖2.

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度與聚酯纖維摻量關(guān)系

由圖2可知，透水性瀝青混合料的凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著聚酯纖維摻量的逐漸增大而呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律.透水性瀝青混合料中摻加的聚酯纖維不是越多越好，而是存在一個最佳摻量，為0.4%，對應(yīng)的凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度也達(dá)到最大值，分別為1.06，1.00MPa.無論聚酯纖維的摻量是多少，透水性瀝青混合料凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度均大于不摻纖維.當(dāng)聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，凍融前劈裂抗拉強(qiáng)度與不摻纖維的0.64MPa相 比，分 別 提 高 了31.3%，62.5%，65.6%，29.7%，26.6%；凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度與不摻纖維的 0.36MPa 相 比，分 別 提 高 了102.8%，158.3%，177.8%，63.9%，52.8%.從分析數(shù)據(jù)可以看出，凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度提高的幅度要大于凍融前劈裂抗拉強(qiáng)度，說明摻加聚酯纖維能夠提高透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，特別是凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度.

3.3 聚酯纖維對凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比影響

凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比是指進(jìn)行凍融循環(huán)時，瀝青混合料試件受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比，用TSR表示，主要用于評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性［7］.透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比與聚酯纖維摻量的關(guān)系見圖3.

圖3 凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比與聚酯纖維摻量關(guān)系

由圖3可知，透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別為86.9%，89.4%，94.3%，71.1%，67.9%，但其增大的幅度明顯小于減小的幅度，達(dá)到最大凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比后，其值下降的較快.與不摻纖維時的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比56.3%相比，其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別提高了54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.說明摻加聚酯纖維能夠顯著提高透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，也就是能夠顯著提高透水性瀝青混合料的水穩(wěn)性.

4 水穩(wěn)性破壞機(jī)理

透水性瀝青混合料中摻加聚酯纖維后，聚酯纖維分散在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會形成界面層，界面層使聚酯纖維分散在瀝青中，其表面積成為浸潤瀝青的界面，界面上的聚酯纖維能夠吸附大量瀝青，形成具有一定厚度的新的相，稱為“界面層”.界面層上的結(jié)構(gòu)瀝青比界面層外的自由瀝青粘度大，同時聚酯纖維與瀝青一起裹覆在集料表面，增大了瀝青膜厚度，這樣使聚酯纖維的加筋和橋接作用得到充分發(fā)揮，進(jìn)而使其強(qiáng)度逐漸增大.因此摻加的聚酯纖維越多，結(jié)構(gòu)瀝青就越多，瀝青膜就越厚，加筋和橋接作用就越強(qiáng)，其強(qiáng)度就越大.但當(dāng)聚酯纖維摻量超過最佳值0.4%繼續(xù)增大時，由于聚酯纖維摻加的較多，不能均勻分散，產(chǎn)生結(jié)團(tuán)和纏結(jié)，纖維之間的作用力增大，其加筋和橋接作用就不能充分發(fā)揮，進(jìn)而使其強(qiáng)度逐漸減小.聚酯纖維摻量的最佳值為0.4%，凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為1.06，1.00MPa.只要摻加聚酯纖維，無論是多還是少，均會有部分聚酯纖維起到加筋和橋接作用，使透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度均高于不摻纖維.水侵入到透水性瀝青混合料的界面層是其產(chǎn)生水損害的主要原因.

5 結(jié) 論

1）透水性瀝青混合料的飽水率隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.摻加纖維的飽水率明顯小于不摻纖維，說明摻加聚酯纖維能夠降低透水性瀝青混合料的吸水能力.

2）透水性瀝青混合料凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.說明透水性瀝青混合料中摻加的聚酯纖維不是越多越好，而是存在最佳摻量，在此次試驗(yàn)中，這個最佳摻量為0.4%，其對應(yīng)的凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別達(dá)到最大值1.06MPa，1.00 MPa，94.3%.

3）與不摻纖維時的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比56.3%相比，當(dāng)聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，其凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別提高了 54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.說明聚酯纖維摻量是影響透水性瀝青混合料水穩(wěn)性的主要因素，能夠明顯提高透水性瀝青混合料的水穩(wěn)性.

4）水損害主要原因是水侵入到透水性瀝青混合料中的界面層，削弱了瀝青與集料的粘結(jié)力.

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