玄武巖纖維瀝青混凝土路用性能研究

仰建崗,劉　燕,林天發(fā)(.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌　0000;.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程系,江西南昌　0000;.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西南昌　005)

玄武巖纖維瀝青混凝土路用性能研究

仰建崗1,劉燕2,林天發(fā)3
(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西南昌330000;2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程系,江西南昌330000;3.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西南昌330025)

為降低路面的初期損害,確保路面的壽命,可在瀝青混合料中摻加玄武巖纖維,基于AC 13C型級(jí)配,對(duì)混合料摻加不同摻量的玄武巖纖維,并采用馬歇爾試驗(yàn)找出各個(gè)摻量下的最佳油石比,然后進(jìn)行高溫車(chē)轍和低溫抗裂試驗(yàn).結(jié)果表明,玄武巖纖維最佳摻量為0.3%,且可顯著改善混合料的路用性能.

玄武巖纖維;瀝青混合料;高溫車(chē)轍試驗(yàn);低溫抗裂試驗(yàn)

0　引　言

相對(duì)于水泥混凝土路面,瀝青混合料路面具有無(wú)接縫、耐磨、振動(dòng)小、行車(chē)舒適、噪聲低、施工容易以及工期短等優(yōu)點(diǎn),因此在世界各地得到廣泛應(yīng)用[1].但是瀝青路面容易出現(xiàn)一些早期損害,例如車(chē)轍變形、路面裂縫及早期水破壞,這與中國(guó)普遍采用的半剛性基層有很大關(guān)系.雖然利用改性劑可在一定程度上改善瀝青的性能,但后期大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),改性劑提高瀝青性能的能力有限,于是國(guó)內(nèi)外開(kāi)始轉(zhuǎn)向研究纖維添加劑,從而有了對(duì)木質(zhì)纖維、聚合物纖維、玻璃纖維、石棉纖維、鋼纖維的研究[2-9].這類(lèi)研究雖然發(fā)現(xiàn)了一些改善效果,但副作用和缺陷也比較明顯,直到玄武巖礦物纖維的出現(xiàn),才使纖維作為瀝青混合料添加劑的使用效果有了較大的提升.具有代表性的是BF纖維,這是中國(guó)自主創(chuàng)新的路用纖維,浙江省先后修筑了30多條使用BF纖維的公路養(yǎng)護(hù)新建及改建試驗(yàn)路.經(jīng)過(guò)使用與評(píng)估,研究人員發(fā)現(xiàn)BF纖維的抗車(chē)轍效果非常明顯.河北、河南、江西、湖北、湖南等省份也先后在瀝青路面進(jìn)行了摻加BF纖維的試驗(yàn),同樣取得了良好的應(yīng)用效果.但是由于技術(shù)還不成熟,相關(guān)的數(shù)據(jù)積累、設(shè)備及工藝方面的規(guī)程還沒(méi)有完成,所以仍需不斷完善,以便于該技術(shù)的推廣.

本文通過(guò)對(duì)采用AC13級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性試驗(yàn),研究玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的路用性能效果.

1　原材料與試驗(yàn)方案

1.1玄武巖纖維

連續(xù)玄武巖纖維是以純天然玄武巖礦石為惟一原料,使其在1 500℃～1 600℃高溫下熔融,并通過(guò)鉑銠合金漏板連續(xù)拉制而成,具有原料廉價(jià)、工藝簡(jiǎn)單、綜合性能高、環(huán)境友好等特征.

本文所選用的纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的長(zhǎng)度為6 mm的短切玄武巖纖維(FB).其樣品外觀如圖1所示,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

圖1　玄武巖纖維外觀

表1　BF玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2瀝青性質(zhì)

試驗(yàn)使用的瀝青是由浙江形寶盈物資集團(tuán)有限公司提供的殼牌SBS改性瀝青,根據(jù)?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JT E20—2011)中的試驗(yàn)方法,對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　殼牌SBS改性瀝青

由表2可知,殼牌SBS改性瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合道路石油瀝青的技術(shù)要求.

1.3集料與填料性質(zhì)

本試驗(yàn)選用的集料為10～16 mm、5～10 mm的輝綠巖,3～5 mm的石灰?guī)r以及0～3 mm的機(jī)制砂.根據(jù)?公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程?(JT E42—2005)的試驗(yàn)方法進(jìn)行了集料的相關(guān)性質(zhì)試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3、4.

表3　粗集料的技術(shù)指標(biāo)

瀝青路面使用的礦粉應(yīng)能與瀝青形成很好的膠漿,表面干燥、潔凈.本試驗(yàn)所選礦粉的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5.

表4　機(jī)制砂的技術(shù)指標(biāo)

表5　礦粉的技術(shù)指標(biāo)

1.4級(jí)配選擇

密級(jí)配瀝青混凝土AC作為一種傳統(tǒng)的混合料級(jí)配,目前已被廣泛地應(yīng)用在公路工程中.本次研究所用的級(jí)配是懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料AC 13C,它主要用在瀝青混凝土路面的上面層.在其中摻加不同量的玄武巖纖維,通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)來(lái)確定不同纖維摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比,從而得出纖維摻量與最佳瀝青用量的對(duì)應(yīng)關(guān)系.級(jí)配組成見(jiàn)表6.

表6　AC13C瀝青混合料組成級(jí)配

表6　AC13C瀝青混合料組成級(jí)配

篩孔/mm 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075通過(guò)百分比/% 100 90～100 65～85 38～68 24～50 15～38 10～28 7～20 5～15 4～8中值/% 100 95 76.5 53 37 26.5 19 13.5 10 6實(shí)際取值/% 100 96.6 77.0 49.6 27.0 19.0 12.9 8.6 6.8 6.4

1.5試驗(yàn)方案

首先對(duì)無(wú)纖維瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),得出最佳油石比.然后將纖維作為外摻料,按一定間隔的摻量加入瀝青混合料中進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),～,從而確定每一纖維摻量下混合料的配合比.纖維的摻量以混合料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì),分別以0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的摻量拌制瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),并計(jì)算出各自摻量下的最佳油石比.為確定最佳纖維摻量,對(duì)馬歇爾試驗(yàn)確定的不同纖維摻量下的混合料配合比進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、低溫小梁彎試驗(yàn),比較不同摻量下的高低溫性能表現(xiàn).

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1最佳油石比的確定

本文采用馬歇爾試驗(yàn)法確定最佳油石比,試件為雙面擊實(shí)75次成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件.試驗(yàn)按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JTJ 052—2011)中的要求進(jìn)行.由經(jīng)驗(yàn)公式初步確定對(duì)比組瀝青混合料的5個(gè)瀝青用量(油石比)為35%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%,由馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可確定對(duì)比組瀝青混合料的最佳油石比為4.7%.同樣方法,得出纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%時(shí)瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%、4.9%、4.9%、5.0%、5.1%、5.1%.最佳瀝青用量下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7.

從表7可以看出:隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的毛體積密度一直在減少;在纖維用量從0增加到0.3%再到0.6%的過(guò)程中,盡管瀝青含量不斷增大,但混合料的穩(wěn)定度表現(xiàn)為先升后降,纖維用量為0.3%時(shí)最大,因此,可以初步判定0.3%為最佳摻量.

表7　最佳瀝青馬歇爾指標(biāo)

經(jīng)研究與分析,產(chǎn)生以上效果的原因是:由于纖維自身相對(duì)密度較小,隨著用量增加,混合料密度也隨之下降越多;當(dāng)?shù)V物纖維的加入量增加到0.3%時(shí),可以使瀝青混合料易于壓實(shí),與同級(jí)配無(wú)纖維瀝青混合料相比密實(shí)度更高,空隙率比無(wú)纖維瀝青混合料更小,穩(wěn)定度逐漸增大,起到加筋的作用.隨著纖維用量的進(jìn)一步增大,瀝青含量增大,纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,導(dǎo)致瀝青混合料的穩(wěn)定度逐漸降低.

2.2高溫車(chē)轍試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用北京今谷神箭公司生產(chǎn)的車(chē)轍儀進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),車(chē)轍儀傳感器精度達(dá)到0.002 mm,滿(mǎn)足試驗(yàn)精度要求,量程為0～30 mm,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制,同時(shí)自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù),并計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度.試驗(yàn)按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JTJ 052—2011)中的要求進(jìn)行.

分別對(duì)各種摻量的瀝青混合料進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為60℃,集料級(jí)配為AC3C.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8.

表8　不同摻量瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知,隨著纖維用量的增加,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度得到了顯著的提高,這說(shuō)明纖維的加入對(duì)AC3C瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的改善作用.在摻加了0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的纖維后,混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了40.8%、109.9%、84.6%、63.8%、31.4%,相對(duì)變形率降低了22.4%、67.1%、48.4%、31.6%、14.3%.混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維用量的增加而提高,在纖維用量達(dá)到0.3%時(shí)出現(xiàn)峰值;45 min、60 min位移及相對(duì)變形率隨著纖維用量的增加而降低,在纖維用量達(dá)到0.3%時(shí)降到最低.這說(shuō)明摻加玄武巖纖維的瀝青混合料比不摻纖維的混合料在抗高溫能力方面要優(yōu)越很多.相對(duì)變形率代表瀝青混合料在荷載作用下車(chē)轍發(fā)展的全過(guò)程,它更能反映瀝青混合料在高溫下的抗永久變形能力.相對(duì)變形率越小說(shuō)明混合料抵抗永久變形能力越強(qiáng).

經(jīng)分析,產(chǎn)生以上情況的原因可能是:首先,加入玄武巖纖維后,瀝青混合料中隨機(jī)分布的玄武巖纖維網(wǎng)絡(luò)對(duì)瀝青的流動(dòng)產(chǎn)生較大的摩阻力,從而增大了瀝青膠漿的粘度;其次,纖維表面呈堿性會(huì)與瀝青很好地結(jié)合,增加了結(jié)構(gòu)瀝青的膜厚,并處于穩(wěn)定的狀態(tài),在高溫情況下纖維內(nèi)部的空隙將為受熱膨脹的瀝青提供一定的緩沖空間,減小瀝青路面高溫時(shí)泛油的可能性;再次,纖維在混合料中形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了混合料的塑性變形,增強(qiáng)了瀝青混合料的高溫抗剪切性能.

由車(chē)轍試驗(yàn)還可以得出纖維的最佳摻量,這是因?yàn)楫?dāng)纖維用量較低時(shí),纖維能夠充分分散于混合料中,起到加筋的作用;隨著纖維用量的進(jìn)一步增大,瀝青含量增大,纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,導(dǎo)致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低.因此,摻玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未摻纖維的混合料.

2.3低溫抗裂性試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)采用由輪碾法成型的車(chē)轍板切割而成的30 mm×35 mm×250 mm棱柱體小梁試件;試驗(yàn)時(shí)加載跨徑為200 mm;加載方式為單點(diǎn)加載;加載速率為50 mm?min－1;加載設(shè)備為微機(jī)控制瀝青混合料低溫彎曲系統(tǒng),采用設(shè)備自帶環(huán)境箱控溫為－10℃.

分別對(duì)不同纖維摻量的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JTJ 052—2011)中的要求進(jìn)行,結(jié)果見(jiàn)表9.

表9　低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知,隨著纖維摻量的增加,彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變不斷增大;當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%時(shí),由于瀝青量增加,彎拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢,但彎曲強(qiáng)度降低導(dǎo)致彎曲勁度模量降低,且當(dāng)纖維摻量為0.3%時(shí),混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變達(dá)到最大,彎曲勁度模量達(dá)到最低,此時(shí)的混合料抗低溫開(kāi)裂性能最好,這說(shuō)明在本次試驗(yàn)情況下,0.3%的纖維用量是臨界點(diǎn),實(shí)際施工過(guò)程中纖維的摻量可考慮工程的實(shí)際需要并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性綜合確定.

中國(guó)規(guī)范中以小梁最大彎拉破壞應(yīng)變表征瀝青混合料抵抗低溫開(kāi)裂的能力,破壞應(yīng)變?cè)酱?說(shuō)明瀝青混合料的低溫抗裂性能越好.加入纖維后混合料的最大彎拉應(yīng)變提升顯著,當(dāng)纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時(shí),混合料的彎拉應(yīng)變分別提高了12.5%、29.2%、20.1%、15.0%、10.1%.從破壞應(yīng)變角度分析,纖維的加入對(duì)混合料的抗開(kāi)裂性能有很大的增強(qiáng)作用,分析其原因如下.

(1)瀝青混合料小梁試件在低溫的彎曲破壞主要是由于瀝青混凝土內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生拉裂破壞而引起的.因此,在低溫條件下,瀝青混合料內(nèi)部的粘結(jié)力起著十分重要的作用,隨著纖維加入,多余瀝青被纖維吸附,瀝青勁度增大,瀝青混合料內(nèi)部粘結(jié)力也隨之增大;當(dāng)纖維摻量過(guò)多時(shí),多余的纖維存在于瀝青混合料中,顆粒之間的剪切應(yīng)力下降,抗低溫能力也會(huì)隨之降低.

(2)玄武巖纖維的加入,對(duì)AC結(jié)構(gòu)密級(jí)配瀝青混合料的“橋接”和“加筋”作用較為明顯,這種作用能有效地防止瀝青路面裂縫的產(chǎn)生,增強(qiáng)了瀝青混合料的低溫抗裂性能.

(3)纖維能增加AC結(jié)構(gòu)瀝青混合料的柔性.試驗(yàn)結(jié)果表明,瀝青混合料在加入玄武巖纖維后具有一定的彈性,即通過(guò)“橋接”和“加筋”作用使瀝青混合料具有了較好的柔性,對(duì)顆粒間的應(yīng)力具有一定的分散作用,使得瀝青路面在低溫環(huán)境中能更好地適應(yīng)因溫度降低而引起的變形,減少在低溫環(huán)境中容易出現(xiàn)的路面裂縫,這對(duì)于改善路面低溫性能具有相當(dāng)重要的作用.

3　結(jié)　語(yǔ)

(1)由馬歇爾試驗(yàn)、高溫車(chē)轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)可以得出,瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性隨著玄武巖纖維摻量的增加先升高后降低,摻量臨界值為0.3%.

(2)玄武巖礦物纖維對(duì)密級(jí)配瀝青混合料AC的高溫穩(wěn)定性具有明顯的改善效果.由試驗(yàn)結(jié)果可知,摻量為0.3%玄武巖纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度比無(wú)纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了109.9%,并且相鄰兩摻量之間,該摻量提高的幅度最大;相應(yīng)的相對(duì)變形率也降低67.1%.

(3)在最佳玄武巖纖維含量下,玄武巖礦物纖維改善了低溫抗裂能力,混合料的彎拉應(yīng)變提高了29.2%.

(4)值得注意的是,隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的毛體積密度一直在減小,最佳油石比逐漸增加,空隙率在0.3%時(shí)最小,這應(yīng)該對(duì)混合料的水穩(wěn)定性有改善作用,由于篇幅限制,本文沒(méi)有對(duì)水穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)的討論分析.

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[責(zé)任編輯:王玉玲]

Research on Road Performance of Basalt Fiber Asphalt Concrete

YAN Jiangang1,LIU Yan2,LIN Tian-fa3
(1.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330000,Jiangxi,China; 2.Department of Road and Bridge Engineering,Jiangxi Vocational and Technical College of Communication, Nanchang 330000,Jiangxi,China;3.Jiangxi Provincial Expressway Investment roup Co.Ltd., Nanchang 330025,Jiangxi,China)

Basalt fiber was added to the asphalt mixture in order to avoid early failure and guarantee the service time of pavement.Based on the gradation of AC13C,optimum asphalt aggregate ratios for different amounts of basalt fiber were acquired by the Marshall Test.The rutting test at high temperature and cracking test at low temperature were carried out,and the results show that the optimum amount of basalt asphalt is 0.3%,and basalt asphalt can dramatically improve the road performance.

basalt asphalt;asphalt mixture;rutting test at high temperature;cracking test at low temperature

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0053-05

2014-09-19