基于抗裂功能的纖維瀝青混合料性能研究

大次仁

(西藏天路股份有限公司，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

十幾年來，西藏地區(qū)公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，已初步形成現(xiàn)代化公路運輸格局。瀝青路面因其優(yōu)良的使用性能，成為區(qū)內(nèi)的主要路面形式。但是，由于西藏地處青藏高原地區(qū)，屬青藏高原氣候區(qū)域，常年低溫，降雨集中，太陽輻射強，造成區(qū)內(nèi)瀝青路面病害復(fù)雜多樣，并以低溫開裂造成的裂縫類病害為主，嚴(yán)重影響公路運輸能力及加重養(yǎng)護(hù)成本[1-3]。

瀝青及瀝青混合料的低溫抗裂性能是影響瀝青路面低溫開裂的重要因素[4]，故許多學(xué)者從改性瀝青、級配設(shè)計等方面研究改善瀝青混合料抵抗低溫開裂能力的措施[5-6]。而纖維由于本身的優(yōu)良韌性，可以有效改善混合料的低溫抗裂性，引起道路工作者的關(guān)注[7-9]：Chen發(fā)現(xiàn)需在瀝青混合料中提高瀝青用量以涂覆纖維的表面，在纖維最佳摻量下，纖維瀝青混合料試樣的力學(xué)強度更高；Ahmad發(fā)現(xiàn)黃麻纖維可以有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能；朱春鳳等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%時，可以顯著改善混合料的水穩(wěn)定性以及凍融循環(huán)后的間接拉伸強度，但是當(dāng)摻量大于0.3%時，上述指標(biāo)反而下降，說明過多的纖維影響集料與瀝青的接觸，增大混合料的空隙率；廖芳齡等[11]采用約束應(yīng)力試驗和沖擊韌性試驗，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維瀝青混凝土在低溫下脆性較低，具有較好的柔韌性；李振霞等[12]通過對比研究，發(fā)現(xiàn)摻加木質(zhì)素纖維和玉米秸稈纖維后，瀝青混合料的路用性能明顯提升。

綜上可知，纖維瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗開裂性能?？紤]高寒地區(qū)特殊環(huán)境條件的影響，本文選擇3種纖維，研究不同類型纖維在其最佳摻量下對瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能的影響，為具有優(yōu)良抗裂性能的纖維瀝青混合料在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗

1.1 瀝青與礦料

本文選取90#瀝青作為基質(zhì)瀝青；細(xì)集料和礦粉均采用石灰?guī)r；瀝青與細(xì)集料均符合規(guī)范要求，礦料級配類型為AC-13型，級配組成見表1。

1.2 纖維

本文選用3種纖維：聚酯纖維(Polyester Fiber,簡稱PF)，玻璃纖維(Glass Fiber,簡稱GF)，玄武巖纖維(Basalt Fiber,簡稱BF)，如圖1所示；其性能參數(shù)見表2。

表1 礦料級配組成 %

圖1 試驗選用的3種纖維

1.3 纖維最佳摻量

在確定基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比后，每種纖維選取3組油石比和3組摻量。由于纖維的吸油性，瀝青用量會上升一定幅度，故而將未摻纖維的瀝青混合料最佳油石比上調(diào)，纖維瀝青混合料試驗油石比由此確定。

表2 纖維性能參數(shù)

1.4 纖維瀝青混合料路用性能試驗

根據(jù)纖維的最佳摻量及相應(yīng)的最佳油石比拌合纖維瀝青混合料，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行瀝青混合料車轍試驗、彎曲蠕變試驗、浸水馬歇爾試驗和四點彎曲疲勞壽命試驗，分別對纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能進(jìn)行驗證。

2 確定纖維最佳摻量

經(jīng)試驗，確定普通瀝青混合料的最佳油石比為5.08%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究[13-15]，纖維瀝青混合料的纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%，油石比為5.2%、5.4%、5.6%，兩兩組合進(jìn)行試驗，各纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比及馬歇爾穩(wěn)定度如圖2所示。

圖2 纖維摻量與馬歇爾試驗參數(shù)的關(guān)系

由圖2可知，隨著纖維摻量的上升，最佳油石比先增大后減小。最佳油石比增大是由于纖維本身會吸收部分瀝青，而當(dāng)纖維摻量增加到一定程度時，在纖維瀝青混合料的拌合過程中，可以直觀地看到摻量越高，纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象就越明顯，沒有全部發(fā)揮其本身的吸油性，因此最佳油石比會降低。同時聚團(tuán)的纖維會成為混合料的內(nèi)部缺陷，應(yīng)力易在該處集中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，穩(wěn)定度也隨之降低，故纖維的摻量不宜過高。

由圖2(a)可知，當(dāng)PF摻量為0.2%時，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到峰值11.33 kN，故而確定該纖維的最佳摻量為0.2%，同時確定最佳油石比為5.27%。由圖2(b)可知，當(dāng)GF摻量為0.3%時，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到峰值9.15 kN，故而確定最佳摻量為0.3%，同時取其對應(yīng)的最佳油石比為5.38%。由圖2(c)可知，當(dāng)BF摻量為0.3%時，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到峰值9.42 kN，故將最佳摻量確定為0.3%，同時確定最佳油石比為5.50%。

3 纖維瀝青混合料的路用性能

3.1 高溫性能

圖3為不同類型纖維瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果。摻入纖維后，基質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有不同程度的提高，說明纖維可以有效地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。PF、GF、BF混合料的動穩(wěn)定度分別提高8.6%、11%和9.8%，其中GF占優(yōu)。纖維分散填充在瀝青與集料的界面時，其較大的比表面積可以充分吸收瀝青并與之結(jié)合，交錯互織，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混合料結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固；當(dāng)溫度較高時，這個結(jié)構(gòu)在限制瀝青流動的同時，亦使瀝青混合料在受熱發(fā)生體積變化時存在一定的收縮趨勢，防止混合料發(fā)生高溫變形[16]。對于西藏高寒地區(qū)而言，纖維對混合料高溫性能的提升更有助于延長路面的使用壽命。

圖3 不同類型纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度試驗

3.2 低溫抗裂性能

圖4為不同類型纖維瀝青混合料試件的彎曲蠕變試驗結(jié)果。相較于基質(zhì)瀝青混合料，不同類型纖維瀝青混合料的彎拉破壞強度和彎拉破壞應(yīng)變均有所提高，表明摻入纖維可以有效提高瀝青混合料在低溫條件下所能承受的極限荷載和抵抗變形的能力，即改善了混合料的低溫抗裂性能。這是由于纖維本身可以吸收部分撕裂拉伸應(yīng)力，約束瀝青混合料內(nèi)部缺陷和裂紋的擴(kuò)展，從而增強、增韌，改善瀝青混合料的低溫抗裂性能[17]。其中BF對強度的增幅最大，達(dá)到51.8%，GF和PF分別為37.7%和14.5%；BF的增韌效果也是最好的，為19.7%，PF和GF分別為5.4%和2.1%?？傮w而言，利用纖維可以有效提高混合料的低溫抗裂性能。因此，對于地處西藏高寒地區(qū)的道路，釆用纖維瀝青混合料是避免瀝青路面在低溫條件下由于強度和韌性不足而引起的開裂破壞，延長路面使用壽命的合理途徑。

圖4 不同類型纖維瀝青混合料的彎曲蠕變試驗

3.3 水穩(wěn)定性

圖5為不同類型纖維瀝青混合料試件的浸水馬歇爾試驗結(jié)果。PF和GF對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有明顯的改善作用，與基質(zhì)瀝青混合料相比，2種纖維瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別提高13.9%和4.5%，而BF卻使殘留穩(wěn)定度下降5.7%。相較于其他纖維，BF不利于瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但其殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范的要求(大于75%)，可以在西藏地區(qū)使用。

圖5 不同類型纖維瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗

3.4 疲勞性能

為了更好地反映不同荷載的作用效果，選擇在不同的應(yīng)力比(σ/σt，σ為剪切應(yīng)力，σt為極限剪切應(yīng)力)條件下進(jìn)行四點彎曲疲勞試驗，結(jié)果如表3所示。對其進(jìn)行回歸分析，得到不同級配的疲勞方程及其相關(guān)參數(shù)，如圖6與表4所示。

表3 纖維瀝青混合料的疲勞試驗結(jié)果

圖6 不同類型纖維瀝青混合料的彎曲疲勞試驗

表4 不同級配的疲勞方程及相關(guān)參數(shù)

其中，Nf為疲勞壽命；Km表示疲勞曲線位置的高低，其值越大，說明混合料的疲勞性能越好；n表示疲勞曲線斜率的陡緩程度，其值越大，混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化越敏感，表示混合料的疲勞性能越差[18-19]。由表4可知，BF瀝青混合料的Km值最大，其疲勞性能較優(yōu)，其次為GF、PF；PF瀝青混合料的n值最大，表明其對應(yīng)力水平的變化較敏感，GF和BF則相差不大。在疲勞試驗過程中，重復(fù)荷載作用會引起混合料微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而纖維在混合料中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可有效限制裂紋的擴(kuò)展，且瀝青用量的增加也有利于細(xì)裂紋的自愈合，從而提高了混合料的耐疲勞性能[20]?？傮w而言，BF對混合料耐疲勞性能的改善效果最優(yōu)。

4 結(jié) 語

(1)不同類型纖維的最佳摻量及對應(yīng)的油石比不同，PF、GF、BF的最佳摻量分別為0.2%、0.3%和0.3%，對應(yīng)的油石比分別為5.27%、5.38%和5.50%。

(2)GF可使混合料的高溫性能提高11%，改善效果最好，PF和BF分別提高8.6%和9.8%。

(3)BF可顯著提高混合料的低溫抗裂性能，使低溫彎拉破壞強度和破壞應(yīng)變分別提高最多51.8%和19.7%，；PF和GF分別提高14.5%和5.4%、33.7%和2.1%。

(4)BF會在一定程度上削弱混合料的水穩(wěn)定性，但仍能滿足規(guī)范要求。PF和GF分別使殘留動穩(wěn)定度提高13.9%和4.5%，即PF最有利于混合料的水穩(wěn)定性。

(5)BF對混合料疲勞性能的改善效果最優(yōu)，其次為GF和PF。

(6)綜合各項路用性能，考慮到高原高寒地區(qū)的特殊環(huán)境條件，建議使用BF摻量為0.3%的瀝青混合料。