玄武巖纖維瀝青混合料水損傷衰變規(guī)律分析

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

我國絕大多數(shù)瀝青路面還未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)了各種病害，如車轍和水損害等，部分是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場性能指標(biāo)的差異。漢堡車轍試驗(yàn)儀可以綜合評價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍和水穩(wěn)性能，且其評價(jià)結(jié)果與實(shí)際路用性能相關(guān)性較高[1]。董澤蛟等[2]研究表明瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)中存在大量自由水時(shí)，重載交通作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞會大大提前。

國外學(xué)者Lubinda等[3]采用漢堡車轍試驗(yàn)分析熱拌瀝青混合料試樣靜置時(shí)間和試驗(yàn)溫度變化對混合料抗車轍和抗水損害的能力影響。Preeda等[4]發(fā)現(xiàn)在水損傷和荷載共同作用下瀝青混合料性能衰減很明顯。國內(nèi)對漢堡車轍試驗(yàn)較少，祝海折等[5]、齊琳等[6]研究發(fā)現(xiàn)，漢堡車轍試驗(yàn)方法能夠有效的評價(jià)不同類型瀝青混合料水穩(wěn)性。崔新壯等[7]研究表明在移動荷載損傷和水壓力損傷的耦合作用下瀝青路面的性能衰減大大加劇。

本研究通過改變水浴溫度和車輪行駛速度對摻加與不摻玄武巖纖維的Superpave瀝青混合料進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，分析隨上述參數(shù)變化時(shí)瀝青混合料的水損傷衰變過程；通過靈敏度分析將水浴溫度試驗(yàn)參數(shù)波動對玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性和抗車轍性能等指標(biāo)影響程度進(jìn)行排序，從而指導(dǎo)在高溫—水浴耦合作用下瀝青混合料材料選擇和設(shè)計(jì)。

1 材料與級配

1.1 原材料

選擇SBS改性瀝青，粗細(xì)集料為鎮(zhèn)江石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，技術(shù)指標(biāo)見表1～表3。選用江蘇天龍的玄武巖纖維(Basalt fiber，BF)，技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table1 MaintechnicalindexesofSBSmodifiedasphalt類別針入度(25℃)/0.1mm軟化點(diǎn)/℃延度(5cm/min,5℃)/cm針入度指數(shù)PI溶解度(三氯乙烯)/%閃點(diǎn)/℃規(guī)范要求60～80≥55≥30-0.4～1.0≥99≥230檢驗(yàn)結(jié)果7164480.599.8329試驗(yàn)方法T0604T0606T0605T0604T0607T0611

表2 粗、細(xì)集料主要性能指標(biāo)Table2 Mainperformanceindexesofcoarseandfineaggregate集料規(guī)格壓碎值/%磨光值BPN磨耗值/%針片狀含量/%石灰?guī)r11.45310.66.9規(guī)范要求≤28≥42≤30≤15

表3 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)Table3 Maintechnicalindexesofmineralpowder類型視密度/(g·cm-3)含水量/%粒度范圍/%<0.6mm<0.15mm<0.075mm親水系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果2.7320.232210097.277.80.600規(guī)范要求≥2.50≤110090～10070～100<1

表4 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)Table4 Technicalindexesofbasaltfibre項(xiàng)目斷裂強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%吸油率/%可燃物含量/%含水率/%可燃性檢驗(yàn)結(jié)果22182.71520.40.13明火點(diǎn)不燃規(guī)范要求≥1200≤3.1≥500.1～1.0≤0.2明火點(diǎn)不燃

1.2 礦料級配

選用Superpave-20級配瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，各篩孔通過率見表5，其馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 瀝青混合料設(shè)計(jì)級配各篩孔通過率Table5 Gradationdesignofasphaltmixtures級配范圍通過各篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限10010080722616128543下限1009062505644332417137SUP-2010092.180.765.042.623.514.09.26.14.74.1

表6 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)匯總Table6 MarshallTestresultsofasphaltmixture混合料膠結(jié)料類型油石比/%空隙率/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mmSUP-20SBS4.35.1015.2864.6410.123.78SUP-20SBS+BF4.54.5714.5368.6013.813.02指導(dǎo)意見要求4～6≥13.060～70≥8.02～4

2 漢堡車轍試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案與條件

為評價(jià)2種類型瀝青混合料抗車轍形變能力和抗水損傷衰變性能，選取水浴溫度、車輪行駛速度2個(gè)試驗(yàn)條件，通過漢堡車轍試驗(yàn)分析高溫—水浴耦合作用下?lián)郊优c不摻玄武巖纖維對瀝青混合料抗水損傷衰變及其抗車轍能力的影響。

2.2 試樣制備

前期研究發(fā)現(xiàn)，在Sup-20級配瀝青混合料中摻含量3‰、長度9 mm的短切玄武巖纖維時(shí)，各項(xiàng)路用性能效果相對較優(yōu)。采用輪碾法成型長320 mm、寬260 mm、厚40 mm的板塊式試件，待在室溫下冷卻48 h后脫模，當(dāng)水浴工作取內(nèi)水溫加熱到試驗(yàn)要求溫度后，將板塊試件放入固定容器中，施加輪碾荷載，延時(shí)30 min確保試件內(nèi)部溫度達(dá)到水浴溫度要求且車轍試件完全處于高溫水環(huán)境中，開始輪碾試驗(yàn)。

3 瀝青混合料水損傷衰變分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)選擇與分析

漢堡車轍試驗(yàn)過程中，鋼輪在水浴環(huán)境下對板塊試件來回往復(fù)碾壓，位移傳感器間隔一定作用次數(shù)收集輪跡帶上11個(gè)點(diǎn)處車轍深度變化趨勢，如圖1(a)所示。在系統(tǒng)收集的11個(gè)點(diǎn)中需要剔除一些不合格點(diǎn)位，結(jié)合剩下的點(diǎn)位數(shù)據(jù)評價(jià)混合料的水損傷衰變過程[8]。參考美國蒙大拿州對于板式試件，選取點(diǎn)位3、4、5、6、7、8、9處計(jì)算，剔除試件末端點(diǎn)位[9]。通過車轍形變曲線中剝落拐點(diǎn)(SIP)、剝落斜率和最終車轍深度表征摻加纖維的瀝青膠結(jié)料與集料粘附性的好壞，評價(jià)玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性；蠕變斜率和車轍深度表征玄武巖纖維與瀝青膠漿以及集料之間加筋增韌效果，評價(jià)其抗車轍變形能力。

選擇美國AASHTO T324試驗(yàn)規(guī)范[10]中水浴溫度50℃，車輪行駛速度52次/min，車輪荷載0.7 MPa標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，荷載作用次數(shù)達(dá)到20 000次時(shí)停止試驗(yàn)，分析其試驗(yàn)結(jié)果。從圖2(b)車轍深度變化趨勢圖中可以看出車轍深度曲線先處于壓密緩慢蠕變階段，到達(dá)一定程度(剝落變形拐點(diǎn))車轍曲線處于急劇下降剝離階段，最終達(dá)到試驗(yàn)停止次數(shù)時(shí)的最大車轍深度。在壓密蠕變階段和剝離階段曲線部分別作出2條切線，為蠕變切線和剝落切線，2個(gè)階段的切線交點(diǎn)即為剝落變形拐點(diǎn)(SIP)。式(1)中剝落變形拐點(diǎn)和剝落斜率越大瀝青混合料抗水損傷性能越好，蠕變斜率越大瀝青混合料抗車轍性能越好。

(1)

3.2 水浴溫度

在其它標(biāo)準(zhǔn)條件不變時(shí)，選取水浴溫度(40～60)℃，分析水浴溫度對玄武巖纖維瀝青混合料水損傷衰變的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2中(a)和(b)可以看出，摻玄武巖纖維瀝青混合料在各個(gè)水浴溫度下的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率均大于普通瀝青混合料，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗水損害有一定的提高。隨著水浴溫度提高，2種類型瀝青混合料的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率均減小，說明在溫度增加的情況下瀝青混合料的抗水損害能力下降。這是由于隨水浴溫度升高，瀝青膠結(jié)料逐漸軟化，與集料粘附性變差，導(dǎo)致混合料的水穩(wěn)定性下降。比較水浴溫度40 ℃和60 ℃下的兩種類型瀝青混合料的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率可知，在高溫-水浴耦合作用下玄武巖纖維對瀝青混合料的抗水損傷衰變能力有一定的提高。這是由于玄武巖纖維與瀝青形成纖維膠漿裹附在集料表面，在高溫水浴環(huán)境中延緩纖維瀝青膠漿從集料表面剝落，可提高混合料的抗水損害能力。

(a)11個(gè)變形計(jì)算點(diǎn)

(b)車轍深度變化

(c)漢堡車轍試驗(yàn)裝置

(d)試件及壓痕圖1 漢堡車轍試驗(yàn)Figure 1 Hamburg wheel-track device test

圖2 不同水浴溫度下試驗(yàn)結(jié)果Figure 2 Test results under different water temperature

由圖2中(c)和(d)可以看出，摻玄武巖纖維瀝青混合料在各個(gè)水浴溫度下的最大車轍深度均小于普通瀝青混合料，且蠕變斜率也大于普通，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗車轍變形能力有一定的提高。隨著水浴溫度提高，2種類型瀝青混合料的最大車轍深度逐漸變大，蠕變斜率逐漸減小，說明在溫度增加的情況下瀝青混合料的抗車轍能力下降。這是由于隨水浴溫度升高，瀝青膠結(jié)料黏結(jié)作用被削弱，集料顆粒在高溫水浴中的嵌鎖能力下降，導(dǎo)致混合料的高溫穩(wěn)定性降低。比較水浴溫度40 ℃和60 ℃下的2種類型瀝青混合料的最大車轍深度和蠕變斜率可知，在高溫-水浴耦合作用下玄武巖纖維對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有較大的提高。這是由于玄武巖纖維在高溫水浴環(huán)境下纖維與集料之間產(chǎn)生應(yīng)力，限制礦料之間的相對滑移，大幅度提高其抗車轍能力。

3.3 車輪行駛速度

在其他標(biāo)準(zhǔn)條件不變時(shí)，選取車輪行駛速度42、46、49和52次/min，分析車輪行駛速度對玄武巖纖維瀝青混合料水損傷衰變的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3中(a)和(b)可以看出，在不同車輪行駛速度條件下?lián)叫鋷r纖維瀝青混合料的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率均大于普通瀝青混合料，說明玄武巖纖維對瀝青混合料的抗水損害有一定的提高。隨著車輪行駛速度提高，2種類型瀝青混合料的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率均增大，說明在較低的行駛速度下瀝青混合料的抗水損害能力下降。這可能是由于在較低車輪速度下，每次車輪來回碾壓時(shí)荷載對于11個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)位的作用時(shí)間相對延長，對于瀝青膠結(jié)料與礦料之間的推移作用更明顯，兩者之間的黏附作用下降得更快，混合料水穩(wěn)定性下降。比較車輪行駛速度52次/min和42次/min下的2種類型瀝青混合料的剝落拐點(diǎn)和剝落斜率可知，在較低車輪行駛速度作用下玄武巖纖維對瀝青混合料的抗水損傷衰變能力較大地提高。這是由于玄武巖纖維起到了橋聯(lián)和加筋的作用，一定程度上限制了瀝青與粗細(xì)集料顆粒之間的剝離，使瀝青膠漿在輪碾反復(fù)作用時(shí)不易從集料表面剝落，提高混合料的抗水損害能力。

由圖3中(c)和(d)可以看出，摻玄武巖纖維瀝青混合料在不同車輪行駛速度條件下的最大車轍深度均小于普通瀝青混合料，且蠕變斜率也大于普通，說明玄武巖纖維瀝青混合料的抗車轍變形能力有一定的提高。隨著車輪行駛速度提高，兩種類型瀝青混合料的最大車轍深度逐漸變小，蠕變斜率逐漸增大，說明在車輪行駛速度增加的情況下瀝青混合料抗車轍能力提高。這可能是由于在較低車輪速度下，每次車輪來回碾壓時(shí)荷載對于11個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)位的作用時(shí)間相對延長，粗細(xì)集料之間的相對滑移更明顯，礦料車轍形變越大，混合料抗車轍性能下降。比較車輪行駛速度52次/min和42次/min下的兩種類型瀝青混合料的最大車轍深度和蠕變斜率可知，在車輪行駛速度較低時(shí)玄武巖纖維對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有較大的提高。這是由于玄武巖纖維在混合料中形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，荷載作用時(shí)間相對延長情況下，纖維以微加筋的形式存在于粗細(xì)集料之間，延緩礦料的縱向位移，較明顯地提高其抗車轍能力。

4 基于靈敏度分析的水浴溫度對瀝青混合料水損傷衰變分析

為進(jìn)一步比較水浴溫度對摻加玄武巖纖維Superpave-20瀝青混合料抗水損傷和抗車轍變形能力影響，采用靈敏度分析[11]方法，定量研究試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，并通過水浴溫度變化對2個(gè)性能影響程度進(jìn)行排序，得到水浴溫度影響較大的試驗(yàn)指標(biāo)及其對應(yīng)的性能，從而指導(dǎo)提高瀝青混合料某種相關(guān)性能的設(shè)計(jì)思路。

采用局部靈敏度分析方法[12]，使用因子變化法對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行變換，即將各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)，分別得出其與試驗(yàn)因素Xi的關(guān)系表達(dá)式，設(shè)預(yù)分析的試驗(yàn)因素Xi變化量ΔXi，從而計(jì)算出各試驗(yàn)指標(biāo)的變化量Δηi，最后采用不同ΔXi對應(yīng)下的Δηi值，或采用靈敏度指數(shù)來評價(jià)試驗(yàn)因素對各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。Δηi的計(jì)算公式如式2所示，靈敏度指數(shù)計(jì)算公式如式3所示。

令：ηi=f(Xi)

則：

(2)

(3)

式中：f(Xi)為各設(shè)計(jì)指標(biāo)函數(shù)表達(dá)式；Sη為各指標(biāo)對應(yīng)的靈敏度指數(shù)；ΔXiXi為參數(shù)變化量絕對值；Δηi—ΔXi對應(yīng)的各設(shè)計(jì)指標(biāo)變化量。

以水浴溫度為自變量，剝落變形拐點(diǎn)SIP、剝落斜率、最大車轍深度和蠕變斜率為因變量，首先擬合出4個(gè)試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)因素水浴溫度的函數(shù)關(guān)系式，4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)與水浴溫度呈現(xiàn)良好的二次多項(xiàng)式關(guān)系。將圖2中的關(guān)系表達(dá)式帶入式(2)中，其中Xi設(shè)為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度50 ℃，假設(shè)試驗(yàn)因素ΔXi的波動幅度為±5%、±10%、±20%，計(jì)算后整理可得4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的波動幅度Δηi，將得到的4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)波動幅度與試驗(yàn)因素水浴溫度波動幅度作對應(yīng)關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 水浴溫度與各試驗(yàn)指標(biāo)波動幅度的關(guān)系Figure 4 Relationship between the water temperature and fluctuation of each test index

從圖4中可以看出，剝落變形拐點(diǎn)SIP、剝落斜率、最大車轍深度和蠕變斜率這4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的波動幅度與水浴溫度的波動幅度呈現(xiàn)接近線性關(guān)系，最大車轍深度與水浴溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，另3個(gè)為負(fù)相關(guān)。4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)與水浴溫度波動幅度排序：蠕變斜率>最大車轍深度>>剝落斜率>剝落拐點(diǎn)SIP。

蠕變斜率和最大車轍深度主要用來表征瀝青混合料在高溫水浴環(huán)境中抵抗車轍變形的能力，隨水浴溫度波動影響最大，這是由于高溫水浴耦合下玄武巖纖維瀝青混合料的膠結(jié)料開始剝落，瀝青粘結(jié)力逐漸下降，導(dǎo)致粗細(xì)集料之間的嵌擠能力下降，抗車轍變形能力減小。玄武巖纖維瀝青混合料水損傷衰變加劇，隨著粗細(xì)集料之間的相對滑移增加，特別是水環(huán)境下，瀝青混合料抵抗損傷變形的能力大大下降。

當(dāng)水浴溫度波動+20%時(shí)，4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)波動幅度的絕對值均大于水浴溫度波動-20%下的波動幅度值，特別是最大車轍深度，這主要是因?yàn)樗囟仍礁?，玄武巖纖維瀝青混合料的水損傷更嚴(yán)重，車轍變形更大，且隨著溫度的升高呈現(xiàn)翻倍的增長。因此要注重高溫水浴環(huán)境對瀝青混合料的衰減損傷影響。

5 結(jié)論

a.玄武巖纖維可明顯提高瀝青混合料在高溫—水浴耦合作用下的水穩(wěn)定性能。

b.對于需要滿足高抗車轍性能的交叉路口和急剎車路段，推薦使用玄武巖纖維瀝青混合料延緩路面車轍變形。

c.由靈敏度分析可知，水浴溫度提高幅度越大，玄武巖纖維瀝青混合料的抗車轍變形能力衰減越明顯，在材料設(shè)計(jì)時(shí)要注重高溫水浴下瀝青混合料抗車轍變形能力。