玻璃纖維長度對不同級配瀝青混合料路用性能影響研究

周強(qiáng)

(湖南交通國際經(jīng)濟(jì)工程合作有限公司，湖南 長沙 410000)

瀝青路面具有行車舒適、建養(yǎng)方便、可回收利用等優(yōu)點，在中國高速公路建設(shè)工程中逐漸得到廣泛應(yīng)用。但在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展伴隨而來的重交通荷載影響下，許多瀝青混凝土路面出現(xiàn)明顯的路面損壞，嚴(yán)重降低了路面的使用性能及壽命。在傳統(tǒng)的瀝青混合料中摻入玻璃纖維，可以達(dá)到改善瀝青混合料路用性能、減少養(yǎng)護(hù)次數(shù)及費用的明顯效果。

玻璃纖維屬于一種無機(jī)纖維材料，具備質(zhì)輕量大、價格低廉、高強(qiáng)耐久等特征，是作為瀝青混合料合適的外摻劑。目前，中國學(xué)者已對玻璃纖維瀝青混凝土開展過相關(guān)研究，其中結(jié)論有：在AC-13型瀝青混合料中，玻纖的最佳摻量為0.2%左右。但關(guān)于玻纖長度對不同公稱最大粒徑、不同級配瀝青混合料各項路用性能的影響等方面研究較少。基于此，該文針對性地選取高速公路常用級配：SMA-13、SUP-20、SUP-25級配，摻入0.2%不同長度的玻璃纖維，研究玻纖長度對其路用性能的影響規(guī)律。最后通過灰色關(guān)聯(lián)分析，確定摻入SMA-13、SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料中玻璃纖維的最佳長度。

1 原材料及礦料級配

1.1 試驗材料

該文選用SBS改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，其技術(shù)指標(biāo)見表1；粗細(xì)集料均選用石灰?guī)r，填料選用由石灰?guī)r磨細(xì)制備而成的礦粉，各指標(biāo)見表2；選用短切無堿原絲玻璃纖維，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 玻璃纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 礦料級配

所選級配的各篩孔通過率見表4～6。

2 玻璃纖維長度對瀝青混合料路用性能影響試驗研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

不同級配瀝青混合料車轍試驗結(jié)果如圖1所示。

表4 SMA-13瀝青混合料設(shè)計級配

表5 SUP-20瀝青混合料設(shè)計級配

表6 SUP-25瀝青混合料設(shè)計級配

圖1 車轍試驗結(jié)果

由圖1可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，其動穩(wěn)定度逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠(yuǎn)低于摻加6 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，其動穩(wěn)定度逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度減小，其動穩(wěn)定度逐漸降低。原因是玻璃纖維具有自身硬度大、較高的彈性模量和有一定的斷裂延伸率的優(yōu)點，摻入瀝青混合料中的不同長度玻璃纖維均能在空間中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠以微加筋的形式有效抑制行車荷載作用下即將滑移的集料，提高其溫度穩(wěn)定性。由于不同級配瀝青混合料的公稱最大粒徑也有所差異，所摻入的玻璃纖維長度要與公稱最大粒徑相匹配，過短的玻璃纖維不能綁住其中的粗集料，過長的玻璃纖維則會在瀝青膠漿中聚成一團(tuán)，無法起到有效的加筋作用。

2.2 低溫抗裂性

不同級配瀝青混合料的破壞應(yīng)變結(jié)果見圖2。

圖2 低溫彎曲試驗結(jié)果

由圖2可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料低溫抗裂性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的低溫抗裂性甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠(yuǎn)低于摻加6 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的低溫抗裂性甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。原因是玻璃纖維的彈性模量遠(yuǎn)高于瀝青，摻入瀝青混合料后相當(dāng)于提高了瀝青膠漿的彈性成分比例，能夠較好地分散傳遞應(yīng)力，摻入玻璃纖維能夠有效抑制低溫條件下裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，再加上玻璃纖維的加筋作用，因此纖維長度對其影響較大。

2.3 水穩(wěn)定性

為研究不同級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，針對瀝青混合料展開凍融劈裂試驗，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 凍融劈裂試驗結(jié)果

由圖3可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料水穩(wěn)定性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高最明顯；且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸降低。這是由于玻璃纖維的比表面積極其巨大，可以吸附大量的瀝青有效增加粗集料的瀝青膜厚度，同時又使得瀝青膠漿的黏性增大，因而玻璃纖維可以有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且纖維長度對其影響較小。

2.4 抗疲勞性能

為探討不同級配瀝青混合料的抗疲勞性能，針對瀝青混合料展開疲勞試驗，得到結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料抗疲勞性能。其中6、9 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的疲勞壽命提高明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。尤其當(dāng)玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的疲勞壽命甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠(yuǎn)低于摻加6、9 mm長度玻璃纖維的瀝青混合料。9、12 mm長度的玻璃纖維對SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料的疲勞壽命提高明顯，遠(yuǎn)高于摻加3、6 mm長度玻璃纖維的瀝青混合料。且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。原因是玻璃纖維能夠延長瀝青膠漿的疲勞壽命。法國道路工作者研究認(rèn)為瀝青混合料的疲勞開裂主要是由于瀝青膠漿的開裂或損傷引起的，疲勞裂縫在膠漿中產(chǎn)生發(fā)展。玻璃纖維的彈性模量遠(yuǎn)高于瀝青，摻入瀝青混合料后，相當(dāng)于提高了瀝青膠漿的彈性成分比例，從而增強(qiáng)了瀝青膠漿的抗疲勞性能。另外，玻璃纖維分散在瀝青混合料中互相搭接形成三維空間網(wǎng)絡(luò)，能抑制部分疲勞裂縫發(fā)展，同時玻璃纖維可有效分散應(yīng)力集中，一定程度地削弱了應(yīng)變能積累，從而增強(qiáng)瀝青混合料的韌性。

圖4 彎曲疲勞試驗結(jié)果

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

為探討SMA-13、SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料的最佳玻璃纖維長度，試驗基于灰色關(guān)聯(lián)分析對瀝青混合料路用性能下各玻璃纖維長度的影響程度進(jìn)行比較，得出各級配瀝青混合料的玻璃纖維長度最優(yōu)選擇?；疑P(guān)聯(lián)分析是一種衡量各因素間關(guān)聯(lián)程度的常用方法，通過對各因素發(fā)展趨勢及權(quán)重進(jìn)行對比，計算出指標(biāo)值與因素的關(guān)聯(lián)程度并進(jìn)行排序，即可得到影響指標(biāo)值的主次要因素。

3.1 構(gòu)建矩陣

通過對上述4種不同玻璃纖維長度構(gòu)建方案集A，則方案集A={A1,A2,A3,A4}。由于每種玻璃纖維長度對應(yīng)4個試驗指標(biāo)，則指標(biāo)集B={動穩(wěn)定度，破壞應(yīng)變，凍融劈裂強(qiáng)度比，疲勞壽命}。建立各級配的方案集A與指標(biāo)集B矩陣X，則X=(xij)m×n，xij表示i方案中的j試驗指標(biāo)。列優(yōu)選矩陣，可得到不同級配的矩陣X：

3.2 規(guī)范化矩陣

為了便于比較排序，依次將各級配矩陣內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行無量綱化、歸一化處理，使得各試驗指標(biāo)量綱統(tǒng)一化，便于比較排序。

評價指標(biāo)數(shù)據(jù)一般可分為成本型和效益型兩類，其中成本型指標(biāo)的數(shù)值越小表征效果越好，而效益型則反之。

(1) 成本型指標(biāo)：

yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(1)

(2) 效益型指標(biāo)：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(2)

式中：maxxj、minxj分別為j試驗指標(biāo)中的最大、最小值。

由于指標(biāo)集B均表現(xiàn)為效益型指標(biāo)，因此選用式(2)分別計算各級配的正規(guī)化矩陣Y：

3.3 權(quán)重確定

確定評價指標(biāo)的熵，定義第j個評價指標(biāo)的熵Hj：

(3)

且假定fij=0時，fijlnfij=0。

則熵權(quán)可表示為：

(4)

參照式(3)計算出各指標(biāo)的熵Hj:

HSMA-13=[0.62,0.60,0.74,0.54]

HSUP-20=[0.65,0.49,0.745,0.66]

HSUP-25=[0.75,0.61,0.74,0.65]

參照式(4)計算出各指標(biāo)的熵權(quán)Wj，同時構(gòu)造各級配的熵權(quán)矩陣Wj:

3.4 優(yōu)化選擇

(1) 求屬性矩陣

選用式(5)分別將各級配的矩陣Y規(guī)格化成屬性矩陣R:

R=Y×WJ

(5)

則有：

(2) 求理想點

理想點P:

P=[p1,p2,p3,…,pn]

式中:pj=max{rij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}。

即在矩陣R中選出理想點P:

PSMA-13=[0.25,0.27,0.17,0.31];PSUP-20=[0.14,0.20,0.10,0.13];PSUP-25=[0.20,0.31,0.21,0.28]

(3) 求距離

計算每個方案到理想點距離L：

L=[l1,l2,…,lm]

計算得：

LSMA-13=[0.41,0.04,0.28,0.51]T

LSUP-20=[0.27,0.2,0.02,0.29]T

LSUP-25=[0.51,0.4,0.21,0]T

從SMA-13級配看：L29 mm>3 mm>12 mm)；從SUP-20級配看：L36 mm>3 mm>12 mm)；從SUP-25級配看：L49 mm>6 mm>3 mm)。

4 結(jié)論

(1) 摻加3、6、9、12 mm 4種長度玻璃纖維均可以明顯提高瀝青混合料的各項路用性能，其中高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂性、抗疲勞性能受玻璃纖維長度影響較大。

(2) 由灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，不同長度玻璃纖維對不同混合料提升效果不同，推薦在SMA-13級配中使用6 mm長度的玻璃纖維，在SUP-20級配中使用9 mm長度的玻璃纖維，在SUP-25級配中使用12 mm長度的玻璃纖維。

(3) 不同級配瀝青混合料所摻入的最佳玻璃纖維長度存在明顯差異，隨著瀝青混合料級配中公稱最大粒徑的增加，摻加的玻璃纖維最佳長度也隨之增大。