不同類型廢金屬纖維瀝青混合料的性能

孫建勛

(中交第四公路工程局有限公司，北京 101101)

0 引 言

目前，廢舊輪胎鋼纖維及鋼鐵加工過程中產(chǎn)生的鋼刨花等廢金屬纖維通常選擇填埋處理或焚燒供能，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。若能將輪胎鋼纖維和鋼刨花等金屬纖維摻加到普通瀝青混合料中，將其轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的瀝青混合料，可有效降低道路養(yǎng)護(hù)成本，增加道路行車的安全性，減少環(huán)境污染[1-5]。

為研究廢金屬纖維摻加到瀝青混合料中的可行性，明確其是否損害或提高瀝青混合料的路用性能和安全性能，本文從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性等方面，研究不同長度和不同摻量的輪胎鋼纖維和鋼刨花2種廢金屬纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響，并提出廢金屬纖維瀝青混合料應(yīng)用的合理性建議，為廢金屬纖維瀝青混合料的應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青混合料材料

本文選用的粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉，集料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，級(jí)配選用常用的AC-13級(jí)配，合成級(jí)配如表1所示，最佳油石比為4.8%。

表1 AC-13瀝青混合料級(jí)配

1.2 廢金屬纖維類型

(1)輪胎鋼纖維。本文選用廢舊輪胎中的鋼纖維作為第一類廢金屬纖維材料。加工抽離后的輪胎鋼纖維表面含有橡膠雜質(zhì)，處理后得到平均直徑為0.2 mm的試驗(yàn)用輪胎鋼纖維。

(2)鋼刨花。本文選用機(jī)械加工廠的大宗鋼刨花金屬廢料作為第二類廢金屬纖維材料。螺旋形狀的鋼刨花未經(jīng)處理隨機(jī)取樣，清理其表面的金屬潤滑油，保證試驗(yàn)用鋼刨花無雜質(zhì)。測(cè)得鋼刨花的平均厚度為0.3 mm。

2 廢金屬纖維瀝青混合料的制備

2種廢金屬纖維準(zhǔn)備完畢后，由于輪胎鋼纖維直徑和鋼刨花厚度不統(tǒng)一，故分別選取平均長度為4 mm和6 mm、摻量為3%和5%的廢金屬纖維摻加到瀝青混合料中，攪拌過程中注意避免廢金屬纖維出現(xiàn)團(tuán)簇現(xiàn)象。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，制備評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性和抗滑性的車轍板試件、評(píng)價(jià)低溫抗裂性的小梁試件、評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性的馬歇爾試件。

3 廢金屬纖維瀝青混合料的性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)廢金屬纖維瀝青混合料性能的關(guān)鍵指標(biāo)[6-7]，本文基于瀝青混合料車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)廢金屬纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同廢金屬纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能

由圖1可知，2種廢金屬纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)的要求值(1 000 次·mm-1)，且均高于未摻加廢金屬纖維的瀝青混合料。相同纖維長度、相同摻量條件下，摻加輪胎鋼纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于摻加鋼刨花的瀝青混合料；相同纖維類型、相同摻量條件下，纖維長度為4 mm的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于纖維長度為6 mm的瀝青混合料；而相同纖維類型、相同長度條件下，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨纖維摻量的增加表現(xiàn)出先提高后下降的趨勢(shì)。摻量為3%的2種廢金屬纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均處于最大狀態(tài)：輪胎鋼纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大達(dá)1 580 次·mm-1，較普通瀝青混合料提高了39.8%；鋼刨花瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最大達(dá)1 320 次·mm-1，較普通瀝青混合料提高了16.8%。這表明2種廢金屬纖維均可提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，且廢金屬纖維的長度和摻量均應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，否則其混合料的高溫穩(wěn)定性達(dá)不到理想效果。

3.2 低溫抗裂性

為評(píng)價(jià)摻加不同類型廢金屬纖維對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)范要求，通過低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)試-10 ℃溫度條件下小梁試件破壞應(yīng)變的大小[8-10]，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同廢金屬纖維瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，2種廢金屬纖維的摻入均導(dǎo)致瀝青混合料破壞應(yīng)變降低，且隨著廢金屬纖維摻量的增加，破壞應(yīng)變降低更加明顯，但仍能夠滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)的要求。分析原因?yàn)椋狠喬ヤ摾w維、鋼刨花與瀝青混合料在-10 ℃低溫環(huán)境中的溫度收縮系數(shù)差異較大，引起廢金屬纖維瀝青混合料表現(xiàn)出不同的低溫抗裂性能，且出現(xiàn)顯著降低現(xiàn)象。

3.3 水穩(wěn)定性

本文采用瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)廢金屬纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性[11]，浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同廢金屬纖維瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同廢金屬纖維瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、4可知，2種廢金屬纖維瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)要求，且摻加纖維平均長度4 mm、摻量3%的廢金屬纖維瀝青混合料的抗水損害能力最強(qiáng)。輪胎鋼纖維瀝青混合料的最大殘留穩(wěn)定度和最大殘留強(qiáng)度比較未摻加纖維的普通瀝青混合料分別提高了6.5%和4.5%，鋼刨花瀝青混合料的最大殘留穩(wěn)定度和最大殘留強(qiáng)度比較普通瀝青混合料分別提高了4.2%和3.8%。但隨著纖維摻量增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比均明顯降低，其中鋼刨花瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)甚至低于未摻加纖維的普通瀝青混合料。分析原因?yàn)?，輪胎鋼纖維和鋼刨花在測(cè)試溫度下有助于抵抗混合料內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，但纖維過長、摻量過多則會(huì)造成混合料內(nèi)部集料黏附力損失，導(dǎo)致其水穩(wěn)定性能相對(duì)減弱。

3.4 抗滑性

本文選用能夠評(píng)價(jià)高速公路或潮濕瀝青路面抗滑性能的鋪沙法評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗滑性能[12]。不同廢金屬纖維瀝青混合料的車轍板構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同廢金屬纖維瀝青混合料的車轍板構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，摻加2種廢金屬纖維后的瀝青混合料的構(gòu)造深度與未摻加纖維的混合料相比均有不同程度的提高，且同等條件下，輪胎鋼纖維瀝青混合料較鋼刨花瀝青混合料的構(gòu)造深度更高。廢金屬纖維平均長度為6 mm、摻量為5%時(shí)2種混合料構(gòu)造深度最大，且較未摻加纖維的瀝青混合料分別提高51.0%和38.6%；廢金屬纖維平均長度為4 mm、摻量為3%時(shí)對(duì)應(yīng)的混合料最小構(gòu)造深度也較未摻加纖維的瀝青混合料分別提高29.4%和14.4%。這表明摻加2種廢金屬纖維的瀝青混合料具有規(guī)范要求的路面安全性能。

綜上所述，2種廢金屬纖維的摻加可提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗滑性能，可以作為綠色新型材料應(yīng)用于道路建設(shè)中。其中纖維平均長度為4 mm、摻量為3%的輪胎鋼纖維瀝青混合料性能最佳。但由于輪胎鋼纖維瀝青混合料車轍板表面表現(xiàn)出不同程度的尖銳突出，應(yīng)用于瀝青路面上面層時(shí)會(huì)影響行車安全，且金屬纖維遇水環(huán)境易氧化腐蝕，建議將其應(yīng)用于瀝青面層以下各層，若應(yīng)用于上面層時(shí)可設(shè)置薄層罩面等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，減少尖銳突出的影響。鋼刨花瀝青混合料車轍板表面尖銳較少，可應(yīng)用于瀝青路面面層及其他各層。

4 結(jié) 語

(1)摻加輪胎鋼纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于摻加鋼刨花的瀝青混合料，纖維長度越長、摻量越多，混合料高溫穩(wěn)定性越差，但均高于未摻加金屬纖維的混合料。

(2)2種廢金屬纖維的摻加均導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗裂性的降低，且隨著纖維摻量增加，混合料低溫抗裂性降低更加明顯。同等條件下，輪胎鋼纖維瀝青混合料的低溫抗裂性優(yōu)于鋼刨花混合料。

(3)纖維平均長度4 mm、摻量3%的廢金屬纖維的瀝青混合料的抗水損害能力最強(qiáng)，其抗水損害性能同樣隨纖維摻量的增加而減弱，鋼刨花摻量5%的混合料的抗水損能力甚至低于未摻加纖維的混合料。

(4)纖維平均長度越長、摻量越多，廢金屬纖維瀝青混合料的抗滑性能越高，可用于具有較高防滑要求的瀝青路面。

(5)平均纖維長度為4 mm、摻量3%的輪胎鋼纖維瀝青混合料的路用性能最佳，但因其表面尖銳突出及遇水易腐蝕，適用于瀝青面層以下各層，鋼刨花瀝青混合料性能次之，但可應(yīng)用于瀝青路面面層及其他各層。