纖維摻量對(duì)纖維微表處路用性能的影響研究

曾永亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

微表處作為常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施在山西省各條高速上大規(guī)模使用。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)微表處使用壽命相對(duì)較短，一般壽命在1～2年[1]。分析其中原因，主要是高溫和重載的相互作用下，微表處表面骨料位置和形態(tài)發(fā)生重新排布，導(dǎo)致輕微變形，構(gòu)造深度和摩擦力同時(shí)下降，尤其是在雨水的侵蝕加速作用下，微表處表面易與原瀝青路面發(fā)生片狀剝離[2]?；诖?，嘗試在微表處混合料中添加少量纖維以增大微表處的強(qiáng)度。纖維具有比表面積大、吸油量大的特點(diǎn)。它能在微觀表面吸附足夠的瀝青，減少路面的孔隙率，有效地改善瀝青膠體的結(jié)構(gòu)，起到增強(qiáng)作用[3]。本文借助對(duì)纖維微表處的施工性能和應(yīng)用效果進(jìn)行考察，研究纖維微表處中纖維的摻量范圍。

1 主要原材料

1.1 乳化瀝青

微表處主要用于舊路翻新的磨耗層、抗滑表層，作為路面抗滑層對(duì)微表處的黏結(jié)力、感溫性具有較高的要求。本文采用陽(yáng)離子慢裂快凝乳化劑制備改性乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 集料

集料的技術(shù)參數(shù)對(duì)微表處的應(yīng)用效果具有較大影響，因微表處主要用作路面表層，對(duì)集料的抗滑性、耐磨性要求較高，故需選擇硬度大、磨耗損失小、抗滑性能好的集料。本文采用輝綠巖作為集料，分0～3 mm、3～5 mm、5～9.5 mm三檔料。集料的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 改性乳化瀝青試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表2 粗細(xì)集料試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.3 纖維

纖維有玻璃纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維、有機(jī)纖維等多種類型。綜合各種纖維的施工成本、拌合效果，本文選用聚丙烯纖維。聚丙烯纖維質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性好、耐磨損，是纖維微表處最理想的纖維，聚丙烯纖維性能指標(biāo)見表3。

表3 纖維的技術(shù)參數(shù)

2 級(jí)配

級(jí)配按照MS-3型的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)對(duì)3檔料的篩分處理后，各檔料的摻配比例為礦粉∶0～3 mm∶3～5 mm∶5～9.5 mm=6∶53∶16∶25，具體級(jí)配曲線見圖1，合成級(jí)配滿足規(guī)范要求。

圖1 微表處合成級(jí)配

3 纖維對(duì)微表處施工性能的影響

本文主要目的是考察纖維用量對(duì)微表處的影響，試驗(yàn)中纖維以外摻的形式來(lái)加入，在纖維加入之前，已經(jīng)確定好微表處混合料的油石比、用水量等關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合本文材料性能和集料級(jí)配，采用的油石比為7%，用水量5%，水泥摻量2%。聚丙烯纖維用量為混合料總體質(zhì)量份的 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%，考察以上不同質(zhì)量份纖維摻量的微表處性能指標(biāo)。

3.1 可拌合時(shí)間

微表處的可拌合時(shí)間對(duì)施工性能具有重要影響，可拌合時(shí)間受到材料性能、施工季節(jié)、拌合設(shè)備、拌合方法等因素的干擾。聚丙烯纖維作為添加劑，在其中起到填充和加筋的作用。聚丙烯纖維質(zhì)輕，相同質(zhì)量下纖維數(shù)量較多。按照微表處拌合試驗(yàn)對(duì)0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%纖維添加量的可拌合時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 纖維摻量對(duì)拌合時(shí)間的影響

結(jié)合圖2的試驗(yàn)結(jié)果，未添加纖維時(shí)微表處混合料的可拌合時(shí)間達(dá)到152 s。隨著纖維用量的增多，可拌合時(shí)間逐漸減少，可拌合時(shí)間的減少與纖維用量基本呈線性關(guān)系。在拌合試驗(yàn)中，由于可拌合時(shí)間要大于120 s，當(dāng)纖維添加量達(dá)到0.3%質(zhì)量份時(shí)其拌合時(shí)間已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。從拌合的角度來(lái)選擇，聚丙烯纖維的添加量應(yīng)低于0.3%質(zhì)量份。

3.2 黏聚力

微表處在路面養(yǎng)護(hù)工程中最大的特點(diǎn)是可快速通車，一般要求施工完成1 h之后即可開放交通，減小對(duì)施工路段交通擁堵的影響。微表處初始成型效果應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。借助黏聚力試驗(yàn)測(cè)定微表處的初凝時(shí)間和開放交通時(shí)間，考察。固定其他參數(shù)，以纖維摻量為變量測(cè)試不同纖維添加量下的30 min黏聚力和60 min黏聚力，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 纖維摻量對(duì)黏聚力的影響

微表處30 min黏聚力在聚丙烯纖維加入后基本呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢(shì)，但是在纖維添加量少于0.1%質(zhì)量份時(shí)，黏聚力的變化態(tài)勢(shì)較不明顯。纖維添加量從0.15%質(zhì)量份增加到0.25%質(zhì)量份的過(guò)程中，黏聚力增長(zhǎng)幅度較大，添加量超過(guò)0.3%質(zhì)量份以后，黏聚力增長(zhǎng)幅度降低。在0.15%～0.3%質(zhì)量份的范圍內(nèi)，所摻纖維的用量對(duì)30 min和60 min的黏結(jié)性能有明顯的影響，纖維對(duì)微表處的開放交通時(shí)間具有促進(jìn)作用。分析其中原因，一方面是由于纖維在成型后混合料得到增強(qiáng)，提高了黏結(jié)強(qiáng)度。另一方面，纖維對(duì)瀝青具有較強(qiáng)的吸附性。

4 纖維微表處的路用性能研究

4.1 濕輪磨耗值

微表處的濕輪磨耗試驗(yàn)主要用于測(cè)試微表處混合料的抗磨耗能力和抗水損能力。分別測(cè)試試件浸水1 h和6 d的磨耗損失量，對(duì)1 h的磨耗損失值應(yīng)小于540 g/m2，對(duì)6 d的磨耗損失值應(yīng)小于800 g/m2?？疾炀郾├w維摻量0～0.35%質(zhì)量份范圍內(nèi)的磨耗損失值，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 纖維摻量對(duì)磨耗值的影響

纖維微表處混合料的濕輪磨耗試驗(yàn)表明，纖維能提高混合料抗磨損的能力，試驗(yàn)中試件磨耗值均出現(xiàn)大幅度的下降。不過(guò)這種下降的趨勢(shì)隨著纖維的持續(xù)增加會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，即纖維在最佳摻量下出現(xiàn)最小的磨耗值。超過(guò)這個(gè)范圍，所測(cè)磨耗值不會(huì)降低，反而出現(xiàn)小幅回彈?？傮w來(lái)看，纖維對(duì)混合料抗磨耗的作用隨時(shí)間的延長(zhǎng)效果愈發(fā)明顯，其中在纖維摻量0.05%時(shí)，6 d磨耗值的降低幅度較1 h磨耗值的降低幅度更大。同時(shí)，1 h和6 d的測(cè)試結(jié)果均在纖維摻量0.2%時(shí)達(dá)到最小值，在這過(guò)程中，纖維的加筋作用逐漸增強(qiáng)，但在纖維摻量繼續(xù)增加后，纖維在混合料中的分布出現(xiàn)雜亂和結(jié)團(tuán)，整體均勻性下降，故而出現(xiàn)磨耗值不降反升的現(xiàn)象。纖維摻量宜控制在0.25%以內(nèi)。

4.2 抗松散性能

參考瀝青試驗(yàn)規(guī)程T0733關(guān)于SMA的抗松散性能評(píng)價(jià)方法，采用肯塔堡飛散試驗(yàn)在磨耗試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試[4]，分別考察聚丙烯纖維摻量0～0.35%質(zhì)量份范圍內(nèi)的質(zhì)量損失量。60℃養(yǎng)生2 d后進(jìn)行常溫1 h和6 d浸水處理后的飛散性能測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 纖維摻量對(duì)抗松散性能的影響

從圖5可以看出，在常溫下1 h或6 d浸泡時(shí)，加入聚丙烯纖維可以大大提高微表處混合物的抗松散性能。纖維微表處較未添加纖維的微表處其質(zhì)量損失率降低效果超過(guò)50%。纖維摻量超過(guò)0.25%質(zhì)量份以后質(zhì)量損失率趨近于平穩(wěn)。

4.3 高溫穩(wěn)定性

乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物較原熱瀝青在各項(xiàng)性能指標(biāo)上都會(huì)有所降低，在進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)時(shí)，如繼續(xù)按照熱瀝青車轍試驗(yàn)溫度60℃進(jìn)行，其動(dòng)穩(wěn)定性普遍偏低，試驗(yàn)效果不明顯。為了更好地評(píng)價(jià)不同纖維摻量對(duì)乳化瀝青微表處高溫穩(wěn)定性的影響，在高溫車轍試驗(yàn)中，其試驗(yàn)溫度選為45℃[5]。微表處混合料需經(jīng)過(guò)破乳后在60℃烘箱中烘干20 h，后放入車轍板中碾壓成型，室溫24 h后放入車轍試驗(yàn)機(jī)中于45℃下養(yǎng)護(hù)并進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖6 不同纖維摻量的高溫穩(wěn)定性測(cè)試

相比未添加纖維的微表處混合料，纖維微表處的動(dòng)穩(wěn)定更高，輪跡深度更淺，高溫穩(wěn)定性更好，纖維摻量0.25%質(zhì)量份時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度接近2 000次，接近未添加微表處動(dòng)穩(wěn)定度的兩倍。分析其中原因，主要是纖維在混合料中以三維立體分布，纖維與石料的咬合效果更好，摩擦角更大，加之纖維的吸油作用，增加了瀝青和礦料的黏結(jié)力。在遇到外力作用時(shí)，纖維在混合料中連接的形式傳導(dǎo)應(yīng)力，提高了混合料整體的黏結(jié)效果，從而提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

根據(jù)所研究的纖維微表處混合料施工性能和路用性能，聚丙烯纖維的加入不會(huì)影響微表處的和易性和施工性。短切聚丙烯纖維的加入可提高微表處混合料的抗車轍性、抗松性和耐磨性。由于纖維用量對(duì)微表處混合料的路用性能具有較明顯影響，本文推薦聚丙烯纖維在纖維微表處的摻加量在0.15%～0.25%范圍內(nèi)。