基于不同礦物纖維瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

王 偉

(河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處， 河北 石家莊 050031)

基于不同礦物纖維瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

王 偉

(河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處， 河北 石家莊 050031)

基于凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)，研究了聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質(zhì)素纖維、石棉纖維和海泡石纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。結(jié)果表明：纖維對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能及抗水害性能均有顯著影響，且不同的纖維影響程度不一樣，其中，海泡石纖維對(duì)瀝青混合料的路用性能改善效果最優(yōu)。

瀝青混合料； 纖維； 低溫穩(wěn)定性； 路用性能

0 前言

瀝青混合料的剛度與強(qiáng)度受到溫度的影響比較大，摻加纖維可改善瀝青混合料的相應(yīng)的路用性能。一方面在高溫條件下，瀝青混合料中摻加一定量纖維在混合料內(nèi)部起到的“加筋”和“橋接”作用可有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性；另一方面，在低溫條件下，纖維對(duì)溫度應(yīng)力分散作用也可以改善混合料的低溫抗裂性[1]。研究表明，纖維的加入可提高瀝青混合料的高溫和低溫性能及抗水害等路用性能[2]。

為了研究纖維材料對(duì)瀝青混合料綜合性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并已開展了關(guān)于不同種類纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響研究[3]。本文通過不同種類的纖維瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)，分析不同纖維對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性等路用性能的影響，并根據(jù)復(fù)合材料理論作為理論基礎(chǔ)對(duì)纖維改善瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能情況及作用機(jī)理進(jìn)行分析，指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 纖維

采用的纖維包括聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質(zhì)素纖維、石棉纖維和海泡石纖維在內(nèi)共5種，各纖維的性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)5種纖維的性能指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

表1 各種纖維的性能指標(biāo)

1.1.2 瀝青

瀝青為SBS改性瀝青，通過瀝青性能測(cè)試試驗(yàn)，其各項(xiàng)主要指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具體如表2所示。

1.1.3 集料

表2 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

集料為不同粒徑的花崗巖碎石和機(jī)制砂，填充料為礦粉，不同纖維摻量為混合料質(zhì)量比的0.5%，集料各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配選用AC-13連續(xù)密級(jí)配，瀝青混合料的級(jí)配組成如表3所示。

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定AC-13型瀝青混合料的最佳油石比為5.3%。成型試件混合料的拌和溫度為142℃，壓實(shí)溫度為135℃，其中試件的成型方式為雙面擊實(shí)75次一次成型。

表3 AC-13瀝青混合料的級(jí)配

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性來(lái)評(píng)價(jià)纖維瀝青混合料的路用性能。其中水穩(wěn)定性采用凍融循環(huán)試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn),使用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)來(lái)評(píng)價(jià)，試件雙面擊實(shí)50次一次成型；高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度DS來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。瀝青混合料的低溫抗裂性采用250mm×30mm×35mm的小梁試件按照低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料中由于集料和瀝青之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在高溫時(shí)容易產(chǎn)生變形，加入纖維后，纖維之間相互搭接形成空間骨架，可以有效阻止這種相對(duì)滑移，有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[3，4]；另一方面，纖維的溫度敏感性較小且比熱容較大，加入瀝青混合料中，在高溫時(shí)可吸收儲(chǔ)存熱量，提高混合料的高溫抗車轍變形能力，高溫性能變好。對(duì)5種不同纖維瀝青混合料在最佳瀝青用量下的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 5種不同纖維瀝青混合料車轍試驗(yàn)

由表4可以看出，當(dāng)瀝青混合料中摻加纖維后其動(dòng)穩(wěn)定度有不同程度的提高，在瀝青混合且提高的幅度為：海泡石纖維>聚丙烯腈纖維>聚酯纖維>木質(zhì)素纖維>石棉纖維；從車轍試驗(yàn)的變形速率來(lái)看， 聚酯纖維和聚丙烯腈基對(duì)瀝青混合料變形速率的影響較小，石棉纖維對(duì)瀝青混合料變形速率的影響最大，但是5種纖維的變形速率均小于不加纖維的瀝青混合料。

分析纖維對(duì)瀝青混合料的高溫性能改性機(jī)理可知，由于纖維單絲的多向隨機(jī)分布，在混合料內(nèi)部相互搭接形成空間骨架結(jié)構(gòu)，有利于“加筋”和“橋接”作用的發(fā)揮，使荷載可以均勻分散于骨料中去，提高混合料的抗車轍能力；同時(shí)，纖維是親油性物質(zhì)，與瀝青具有較高的可吸附性，因此使瀝青與集料界面之間的粘結(jié)強(qiáng)度有較大程度的提高，強(qiáng)化了瀝青混合料結(jié)構(gòu)的整體性能。纖維的“加筋”作用可有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，因此摻加海泡石纖維的瀝青混合料高溫性能最佳。

同時(shí)，高溫條件下纖維的吸附作用使瀝青的粘稠度呈增大趨勢(shì)、流動(dòng)性呈減小趨勢(shì)，從而瀝青混合料中礦質(zhì)骨料和瀝青的相對(duì)滑移減小，增加其穩(wěn)定性，有效地改善了瀝青混合料的高溫性能[5]。其中石棉纖維和木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青混合料的高溫性能改善作用效果最不明顯，這可能與其加筋效率低及分散均勻性較差等有關(guān)[3]。

2.2 低溫抗裂性

5種礦質(zhì)纖維瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 各種纖維瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)

由表5可見， 0℃條件下，摻加纖維及不摻加纖維瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變均大于-10℃時(shí)同條件下的瀝青混合料，彎曲勁度模量的值對(duì)比-10℃的條件下呈降低趨勢(shì)。礦質(zhì)纖維瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度高于普通瀝青混合料，抗彎拉應(yīng)變值和彎曲勁度模量值均有部分增加；海泡石瀝青混合料的0℃抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量在5種纖維混合料中均較高。

低溫彎曲試驗(yàn)中小梁在發(fā)生破壞時(shí)，裂縫主要是沿著瀝青與礦質(zhì)骨料及骨料之間的粘結(jié)嵌擠界面擴(kuò)展的，當(dāng)瀝青混合料摻入礦質(zhì)纖維后，瀝青混合料中的輕物質(zhì)被纖維吸附而變得粘稠，勁度模量增大。因此，加入纖維的瀝青混合料強(qiáng)度優(yōu)于不加纖維的普通瀝青混合料，其中海泡石的顆粒更加細(xì)小，對(duì)瀝青用量的需求量更大，因此其抗彎拉強(qiáng)度較高。

另一方面，由于纖維對(duì)瀝青的加筋作用，對(duì)試驗(yàn)過程中瀝青混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部微小裂縫的發(fā)展產(chǎn)生一定的抑制作用，所以纖維瀝青混合料的破壞應(yīng)變較之于普通瀝青混合料要更大。因此，纖維的加入使瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度有不同程度的改善作用。

2.3 水穩(wěn)定性

對(duì)礦物纖維瀝青混合料的耐水性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 各種纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，在加入纖維后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值MS0較普通的混合料均有所提高，即纖維可在一定程度上改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。在混合料中加入纖維后，一方面其瀝青用量增加[6]，礦料表面的瀝青膜厚度增加有效阻止了水分子對(duì)瀝青分子粘結(jié)性界面的破壞作用；另一方面，纖維的吸附作用使瀝青變得粘稠，瀝青與礦料之間的界面強(qiáng)度增大[7]，改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。同時(shí)，5種瀝青中，木質(zhì)素纖維、海泡石纖維的殘留穩(wěn)定度MS0提高幅度較大，而聚酯纖維和聚丙烯腈纖維混合料相對(duì)提高較小，這主要是因?yàn)榍罢叩臑r青用量較高。

摻加各纖維混合料經(jīng)凍融循環(huán)后，其劈裂抗拉強(qiáng)度均有所下降，其中摻有木質(zhì)素纖維和海泡石纖維的瀝青混合料下降幅度相對(duì)較大，摻有聚丙烯腈纖維的瀝青混合料下降幅度較小；摻有纖維的混合料凍融劈裂強(qiáng)度比普通混合料的要低，其中摻有聚丙烯腈纖維混合料的最小。凍融循環(huán)試驗(yàn)中，填充試件孔隙的水在低溫下結(jié)冰后對(duì)孔壁產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，混合料的強(qiáng)度會(huì)減小[4]。加入纖維后，瀝青混合料的孔隙率較普通混合料大[6]，凍融循環(huán)后膨脹應(yīng)力會(huì)更大，故而礦質(zhì)纖維混合料的強(qiáng)度下降幅度較大。另外,木質(zhì)素纖維和聚丙烯腈纖維混合料的TSR值最小，可能與其較大的吸水性有關(guān)。

由凍融循環(huán)試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析可知，一方面瀝青混合料的抗水害性能與瀝青薄膜厚度有關(guān)，瀝青膜厚度越大，瀝青混合料的粘結(jié)力越好，因此其抗水害性能越好；另一方面，礦質(zhì)纖維瀝青混合料經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比損失較大，但除海泡石纖維外，凍融前后其余纖維混合料的平均劈裂抗拉強(qiáng)度優(yōu)于普通瀝青混合料，即瀝青混合料中加入纖維，凍融前后即使下降的幅度較大，但是抗水損害能力仍然較高。

3 結(jié)論

1) 5種不同的纖維對(duì)瀝青混合料的高溫性能都有不同程度的改善作用，其中海泡石纖維的改善效果最好，即纖維在混合料中的“加筋”和“橋接”作用可有效提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2) 5種不同的纖維均能改善瀝青混合料的低溫性能，其中海泡石纖維對(duì)低溫性能的改善作用較石棉纖維要好，即混合料的瀝青用量、纖維的分散應(yīng)力和加筋作用對(duì)其低溫性能作用較為明顯。

3) 在水穩(wěn)定性試驗(yàn)中，纖維混合料的殘留穩(wěn)定度都有一定程度的提高；除石棉纖維和聚酯纖維外，其他纖維混合料經(jīng)凍融循環(huán)后TSR出現(xiàn)不同程度的下降。因此，對(duì)于纖維瀝青混合料在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)保證壓實(shí)度。纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度較普通混合料要高，表明加入纖維可以改善瀝青混合料的抗水害性能。

4) 對(duì)于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性來(lái)說,摻有海泡石纖維的瀝青混合料最佳；而聚丙烯腈纖維和海泡石在改善混合料抗水害性能方面最優(yōu)；綜合各因素，海泡石纖維對(duì)瀝青混合料的路用性能改善效果最好。

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1008-844X(2017)02-0112-04

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