玄武巖纖維透水瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

王 勝，吳正光，伏偉俐，肖 鵬，康愛(ài)紅，寇長(zhǎng)江

（1.揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.滑鐵盧大學(xué)路面和運(yùn)輸技術(shù)中心，安大略 滑鐵盧 N2L3G1）

0 引 言

透水瀝青混合料作為一種具有相互連通空隙的開級(jí)配瀝青混合料，以其顯著的透水性、良好的抗滑性和降低路面溫度的功能在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維在增強(qiáng)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、耐久性等方面均有顯著效果。因此，研究玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響成為解決透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)問(wèn)題的主要方案之一。Voskuilen等人通過(guò)研究認(rèn)為，大空隙透水路面集料的飛散原因主要是由于瀝青的黏度以及其與集料的黏附性不足，用于透水路面的改性瀝青要具有較高的黏度［1］。Kimberly等研究了不同添加劑對(duì)大空隙瀝青路面穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)添加劑可顯著提高混合料的耐磨性能，但會(huì)影響透水路面的空隙率，因此應(yīng)進(jìn)行充分試驗(yàn)，在控制空隙率的同時(shí)提高路面的耐久性［2］。肖鵬選取AC-20C級(jí)配對(duì)基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、單摻玄武巖纖維瀝青混合料、高模量瀝青混合料以及摻玄武巖纖維的高模量瀝青混合料等5種混合料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)，并對(duì)混合料的馬歇爾指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，玄武巖纖維能夠進(jìn)一步提高高模量瀝青混合料的穩(wěn)定度，降低流值［3］。

本文擬通過(guò)設(shè)計(jì)摻加4種不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維PAC-13透水性瀝青混合料，并進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)，研究玄武巖纖維長(zhǎng)度對(duì)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，為玄武巖纖維在透水性瀝青路面的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與級(jí)配

1.1 原材料

本文采用江陰寶利生產(chǎn)的SBS成品改性瀝青，粗細(xì)集料均為鎮(zhèn)江玄武巖，礦粉為磨細(xì)的鎮(zhèn)江石灰?guī)r，瀝青、集料、礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)分別如表1～4所示，均滿足規(guī)范要求。選用的江蘇天龍玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱BF），其主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。選用的HVA改性劑是由交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院開發(fā)的，HVA改性劑摻量為瀝青用量的8.7%，其基本性能參數(shù)如表6所示。

表1 SBS改性瀝青的性能檢測(cè)結(jié)果

表2 粗集料的主要性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料的主要性能指標(biāo)

表4 礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)

表5 玄武巖纖維的技術(shù)指標(biāo)

表6 HVA高黏度改性劑的基本特性

1.2 透水性瀝青混合料級(jí)配

透水瀝青混合料PAC-13的級(jí)配設(shè)計(jì)參照《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 190—2012）中所規(guī)定的礦料級(jí)配范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)空隙率為20%。確定的摻入玄武巖纖維PAC-13透水瀝青混合料的合成級(jí)配見表7。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 最佳油石比的確定

為提高透水瀝青混合料的抗松散能力，可以在混合料中添加纖維，纖維添加量控制在混合料質(zhì)量的0.1%～0.5%，對(duì)于木質(zhì)素纖維或玄武巖纖維，用量約為0.3%［4－7］。謝倫堡析漏試驗(yàn)是檢測(cè)瀝青膠結(jié)料在高溫狀態(tài)下從瀝青混合料中析出的多余游離瀝青的數(shù)量，目的在于限定瀝青用量以保證瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，并防止混合料在搬運(yùn)、施工過(guò)程中發(fā)生瀝青的滴漏、流淌現(xiàn)象而堵塞孔隙［8－11］。本文透水性瀝青混合料的最佳油石比采用謝倫堡析漏試驗(yàn)來(lái)確定。根據(jù)礦料表面吸附瀝青膜厚度確定初始油石比為4.5%，在初始油石比4.5%的基礎(chǔ)上以±0.5%為變量設(shè)置7種油石比用量，對(duì)不摻入玄武巖纖維和摻入0.3%玄武巖纖維的透水瀝青混合料分別進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)，得出不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維下透水瀝青混合料油石比與析漏損失的關(guān)系曲線，如圖1所示。

表7 PAC-13透水瀝青混合料級(jí)配各篩孔通過(guò)率

由圖1可見，析漏損失隨油石比的增大而增大，當(dāng)油石比大于拐點(diǎn)處的油石比時(shí)，析漏損失率驟然增大，表明瀝青混合料中的自由瀝青含量明顯增多。因此，拐點(diǎn)處的油石比為最佳油石比，即不摻入玄武巖纖維和摻入長(zhǎng)度為3、6、9、12mm的玄武巖纖維透水瀝青混合料最佳油石比分別為4.6%、4.8%、4.8%、4.9%、4.95%。通過(guò)飛散試驗(yàn)驗(yàn)證，飛散損失都小于15%，滿足相關(guān)要求。綜上所述，摻入玄武巖纖維透水瀝青混合料的最佳油石比，隨著摻入玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加而提高。

2.2 馬歇爾試驗(yàn)方案

玄武巖纖維的加入，會(huì)影響透水瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值［12－15］。因此，對(duì)摻加不同長(zhǎng)度玄武巖纖維的透水瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，并與普通透水瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)［16－18］。混合料類型如表8所示。

圖1 摻不同長(zhǎng)度纖維瀝青混合料的油石比與析漏損失的關(guān)系曲線

表8 瀝青混合料類型

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)定，對(duì)5組透水瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

3.1 玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響

由圖2可見，5種透水瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度由大到小依次為：A5、A4、A3、A2、A1。摻入玄武巖纖維的透水瀝青混合料穩(wěn)定度相對(duì)普通透水瀝青混合料（A1）有所提升，其中摻入6、9、12mm三種長(zhǎng)度玄武巖纖維的透水瀝青混合料穩(wěn)定度提高明顯。玄武巖纖維在瀝青混合料中的作用與鋼筋在混凝土中的作用類似，玄武巖纖維和鋼筋一樣都有較高的抗拉強(qiáng)度，其與瀝青混合料之間以一定方式黏結(jié)在一起，從而提高了透水瀝青混合料的力學(xué)性能，改善了透水瀝青混合料的穩(wěn)定度［19－20］。

圖4 不同長(zhǎng)度玄武巖纖維透水瀝青混合料的空隙率與連通空隙率對(duì)比

3.2 玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料流值的影響

由圖3可見，5種透水瀝青混合料流值由大到小依次為：A1、A3、A4、A2、A5。摻入玄武巖纖維的透水瀝青混合料的流值比普通透水瀝青混合料的有所降低，其中摻入3mm和12mm兩種長(zhǎng)度玄武巖纖維的透水瀝青混合料的流值降低明顯。玄武巖纖維的加入，可以發(fā)揮橋接與加筋作用，提高瀝青混合料的抗塑性變形能力，對(duì)透水瀝青混合料的流值起改善作用。

3.3 玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料空隙率與連通空隙率的影響

透水混合料的空隙主要由封閉空隙、半連通空隙以及連通空隙組成，這3種空隙之和稱為全空隙。因?yàn)檫B通空隙上下都貫穿，不但可以儲(chǔ)存水，而且還可以排除路面的積水，路面結(jié)構(gòu)中連通空隙越多，進(jìn)入路面的水分就越容易及時(shí)地排出到路面以外，從而減少路面水損害發(fā)生。因此，對(duì)透水瀝青混合料的空隙率和連通空隙率開展研究十分有意義。

由圖4可見，5種透水瀝青混合料的空隙率由大到小依次為A3、A4、A1、A2、A5，連通空隙率由大到小依次為A3、A4、A1、A2、A5。其中摻入3mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維透水瀝青混合料（A2）和摻入12mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維透水瀝青混合料（A5）的空隙率比普通透水瀝青混合料（A1）稍有降低，摻入其他長(zhǎng)度玄武巖纖維的透水瀝青混合料（A3、A4）的空隙率有所提高。摻入不同長(zhǎng)度玄武巖纖維的透水瀝青混合料連通空隙率的變化與空隙率一樣，摻入玄武巖纖維的透水瀝青混合料（A2～A5）的連通空隙率相對(duì)普通透水瀝青混合料（A1）有所降低，但差值較小。透水性瀝青混合料屬于一種開級(jí)配瀝青混合料，其空隙率范圍為18%～25%，主要由粗集料骨架間隙決定，受細(xì)集料、瀝青、纖維填充的影響。試驗(yàn)中的集料級(jí)配不變，玄武巖纖維的長(zhǎng)度增大，最佳油石比因此產(chǎn)生變化，但變化不大，纖維和瀝青對(duì)粗集料骨架間隙的填充程度影響偏小，因此摻入玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料的空隙率影響不明顯。

4 玄武巖纖維透水瀝青混合料在工程中的應(yīng)用

本文所研究的玄武巖纖維透水瀝青混合料在2016年鹽靖高速公路排水型瀝青混合料罩面工程中得到應(yīng)用。

鹽靖高速公路全長(zhǎng)168km，建成通車運(yùn)營(yíng)已十多年，瀝青路面的主要病害為車轍及橫向裂縫。本次應(yīng)用的路段為鹽靖高速公路罩面養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)段，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯的車轍、開裂、剝落、松散等病害情況，體現(xiàn)了摻玄武巖纖維的PAC-13透水瀝青混合料優(yōu)良的路用性能。養(yǎng)護(hù)工程自實(shí)施以來(lái)，路面性能保持良好，驗(yàn)證了玄武巖纖維在排水瀝青路面工程中應(yīng)用的可行性。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）摻入玄武巖纖維的透水瀝青混合料的最佳油石比，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加而提高。

（2）摻入玄武巖纖維提高了透水瀝青混合料的力學(xué)性能，改善了透水瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值，其中摻入長(zhǎng)度為12mm玄武巖纖維的混合料穩(wěn)定度提高最明顯。

（3）摻入玄武巖纖維對(duì)透水瀝青混合料的空隙率影響不明顯。