玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料路用性能研究

魏志峰

(河南漢通公路工程有限公司 鄭州 450000)

0 引 言

我國西部地區(qū)地形復(fù)雜，氣候環(huán)境多變，春夏季節(jié)隨著氣溫回暖、雨水沖刷影響易造成路面松散、坑槽、麻面等問題，受超載和重載影響易造成路面車轍、變形和龜裂[1-2].如何提高道路的使用壽命，降低路面病害產(chǎn)生的概率是道路建設(shè)面臨的重要問題.在瀝青混合料中添加玄武巖纖維是提升道路路面質(zhì)量的一個新技術(shù)方向[3-4].

玄武巖纖維是將玄武巖礦石在1 500 ℃熔煉溫度下加工得到的材料，其截面形態(tài)和外觀形貌與普通纖維相像.它可以提高瀝青路面的性能，優(yōu)化道路服務(wù)質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)道路的長期穩(wěn)定健康發(fā)展.玄武巖纖維能夠能夠提升道路質(zhì)量的主要原因在于：①加筋作用，玄武巖纖維以雜亂交錯的形態(tài)分布在混合料中，起到了多向加筋的作用；②阻裂、增韌作用，纖維具有一定的吸油功效，油膜能夠促進(jìn)集料的裹附使得混合料形成整體，能夠緩解外力作用下裂縫的發(fā)展；③粘結(jié)作用，纖維將混合料中的瀝青進(jìn)行結(jié)構(gòu)組建，提高了瀝青的黏聚力從而提高混合料的粘結(jié)力[5-8].

文中選用玄武巖纖維作為外摻劑進(jìn)行瀝青混合料試驗(yàn)研究，探尋SMA-13級配中纖維的適宜摻量，有助于提升瀝青路面的長期使用質(zhì)量.

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 集料和填料

新集料采用河南產(chǎn)石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉.粗細(xì)技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[9]要求.集料和填料的表觀密度和毛體積密度測定結(jié)果見表1.石灰?guī)r作為成本價格較低的集料，大規(guī)模的投入使用會減少成本開銷；其次，相關(guān)研究表明石灰?guī)r用于SMA級配中，其水穩(wěn)性能和低溫抗裂性能有所提升.

表1 新集料和填料密度試驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青

瀝青采用SBS改性瀝青，其性能滿足文獻(xiàn)[9]中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，見表2.

1.3 玄武巖纖維

采用的玄武巖纖維長度分別為9 mm，滿足文獻(xiàn)[10]要求，見表3.

表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

表3 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.4 配合比設(shè)計(jì)

采用SMA-13級配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其中纖維的長度為9 mm，纖維摻量分別為0%，0.2%，0.4%，0.6%和0.8%.SMA-13瀝青混合料級配的設(shè)計(jì)組成結(jié)果見表4.其粗集料骨架是指4.75 mm以上顆粒的集料，4.75 mm篩孔是SMA-13混合料級配的關(guān)鍵性篩孔.

表4 SMA-13瀝青混合料級配的設(shè)計(jì)組成

1.5 最佳油石比

對摻玄武巖纖維的瀝青混合料進(jìn)行組成設(shè)計(jì)時，采用馬歇爾試件的總指標(biāo)綜合確定瀝青混合料的最佳油石比，SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表5.

表5 SMA-13混合料配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

以摻0.4%摻量的玄武巖纖維瀝青混合料(見表6)為例，當(dāng)?shù)V料間隙率及瀝青飽和度等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，選取較高空隙率水平的3.71%所對應(yīng)的油石比6.2%為最佳設(shè)計(jì)油石比.

表6 摻0.4%玄武巖纖維瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 玄武巖纖維瀝青混凝土路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能可通過車轍試驗(yàn)進(jìn)行表征，車轍試驗(yàn)是模擬瀝青路面在特定溫度條件下受車輪反復(fù)碾壓的狀態(tài)，通過碾壓次數(shù)和試件變形程度計(jì)算得的表針參數(shù).該方法較為直觀且容易操作，是目前使用較為廣泛的試驗(yàn)之一.按技術(shù)規(guī)范進(jìn)行車轍試驗(yàn)并選用動穩(wěn)定度作為衡量高溫溫度性能的技術(shù)指標(biāo).不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度見圖1.

圖1 瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由圖1可知，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈先上升后下降的趨勢，摻0.2%，0.4%，0.6%，0.8%摻量的玄武巖纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度較不摻纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提升了12.4%，39.3%，33.9%和23.3%.其中，摻0.4%摻量玄武巖纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度最高.瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性主要取決于混合料的瀝青、級配等，在不改變混合料的空隙率和礦料級配的同時，通過外摻纖維改性的方式改善了瀝青混合料的高溫性能.研究表面：0.4%摻量的玄武巖纖維在混合料中分布較為均勻，故其動穩(wěn)定度較高，抗車轍性能較好.

2.2 低溫抗裂性能

低溫抗裂性能是平均瀝青路面質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，該性能在北方冷凍地區(qū)更顯得尤為重要.低溫抗裂性能是指路面材料在低溫環(huán)境下抵抗開裂的能力，低溫小梁彎曲試驗(yàn)是目前實(shí)驗(yàn)室使用較多且評判較為精準(zhǔn)的試驗(yàn)之一.破壞應(yīng)變是試驗(yàn)主要的輸出參數(shù)結(jié)果，可評價混合料的低溫抗裂性能.不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料試件的破壞應(yīng)變見圖2.

圖2 瀝青混合料的破壞應(yīng)變

由圖2可知，瀝青混合料的破壞應(yīng)變整體呈上升趨勢，較不摻纖維瀝青混合料的破壞應(yīng)變有大幅度的提升，纖維摻量從0.2%，0.4%，0.6%和0.8%對應(yīng)的瀝青混合料破壞應(yīng)變較不慘纖維的瀝青混合料破壞應(yīng)變分別提升了34.1%，40.7%，49.9%和43.8%.外摻纖維改性瀝青混合料的用油量高，增強(qiáng)了瀝青混合料的低溫變形能力，纖維與混合料基本材料之間因材料性質(zhì)差異，在瀝青混合料中起到了增韌的作用，從而改善混合料的低溫性能.

2.3 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性能是瀝青路面抵抗水損害的能力，在日常道路運(yùn)營過程中，雨水的沖刷和灌入容易使得瀝青路面產(chǎn)生坑槽，降低了瀝青路面混合料間的握裹力和黏附性，使得混合料剝落和碾碎.浸水馬歇爾試驗(yàn)是模擬普通環(huán)境下混合料的水損害，凍融劈裂試驗(yàn)主要模擬寒冷溫度下混合料的水損害.試驗(yàn)按技術(shù)規(guī)程要求分別進(jìn)行這兩者試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比

由圖3可知，隨著纖維摻量的增加，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均呈先上升后下降的趨勢.當(dāng)纖維摻量在0.4%左右時，浸水殘留穩(wěn)定度達(dá)到最佳；當(dāng)纖維摻量在0.6%左右時，凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到最佳.從整體上看，摻玄武巖纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性能相關(guān)指標(biāo)相差不大，都符合瀝青施工技術(shù)規(guī)范中的技術(shù)要求.

2.4 抗疲勞性能

試件法疲勞試驗(yàn)常采用簡單彎曲試驗(yàn)，四點(diǎn)加載彎曲疲勞試驗(yàn)和劈裂疲勞試驗(yàn)在國內(nèi)應(yīng)用較多，其試件尺寸和制作方法可參見文獻(xiàn)[11].試驗(yàn)在UTM試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)溫度由環(huán)境箱控制，加載頻率為1～10 Hz，不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料試件的疲勞壽命和累積耗散能見表7.

表7 不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料試件的疲勞壽命和累積耗散能

由表7可知，不同纖維摻量下瀝青混合料的疲勞壽命和累積耗散能也有一定的變化規(guī)律，隨著纖維摻量的增加，混合料的疲勞壽命和累積耗散能逐漸增加.其中，纖維摻量在0.6%時，混合料的疲勞壽命達(dá)到最大.將混合料在不同應(yīng)變條件下的疲勞壽命繪制成圖見圖4，由圖4可知，纖維摻量在0.4%～0.6%時，其對應(yīng)的混合料疲勞壽命發(fā)生顯著提升.而纖維摻量達(dá)到0.6%以上時，混合料的疲勞壽命變化不明顯.

圖4 瀝青混合料的疲勞壽命

3 玄武巖纖維摻量波動對路用性能的影響

結(jié)合不同纖維摻量下瀝青混合料的路用性能，采用局部靈敏度分析的方法評價舊料摻量對路用性能的影響程度.以纖維摻量為自變量，各項(xiàng)路用性能指標(biāo)為因變量，整理得出不同纖維摻量與各項(xiàng)路用性能之間的關(guān)系見圖5.

圖5 不同纖維摻量下路用性能變化曲線

由圖5可知，路用性能的關(guān)鍵指標(biāo)均與纖維摻量呈現(xiàn)良好的二次多項(xiàng)式關(guān)系，以纖維摻量為0.4%作為基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行上下波動，波動幅度為±20%，±40%，計(jì)算后整理可得路用性能對應(yīng)的波動，將路用性能指標(biāo)波動幅度與纖維摻量波動幅度的對應(yīng)關(guān)系繪制成表，可更清晰的反映出纖維摻量對路用性能的影響程度，見表8.

表8 纖維摻量與路用性能波動對應(yīng)關(guān)系

由表8可知，在路用性能的幾個指標(biāo)中，動穩(wěn)定度和疲勞壽命的波動幅度較大，說明其受纖維摻量波動的影響較大.因此，在考慮纖維摻量對瀝青混合料的影響時，應(yīng)重點(diǎn)考慮動穩(wěn)定度和疲勞壽命這兩個關(guān)鍵指標(biāo).

4 結(jié) 束 語

玄武巖纖維作為一種新型材料，應(yīng)用到道路工程中具有顯著的使用效果，可大幅度提升道路的使用性能.通過對SMA-13級配中不同玄武巖纖維摻量對瀝青混合料的路用性能影響進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：纖維摻量在0.4%～0.6%范圍內(nèi)，瀝青混合料的路用性能整體呈現(xiàn)最佳狀態(tài)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本效益關(guān)系，建議采用纖維摻量為0.4%.纖維的外摻對混合料的水穩(wěn)定性影響不大，可忽略不計(jì).此外，動穩(wěn)定度和疲勞壽命受纖維摻量波動影響較大，在瀝青路面鋪筑工程中應(yīng)著重關(guān)注這兩項(xiàng)指標(biāo).