鹽分對(duì)AC-13C纖維瀝青混合料性能影響的研究

劉向杰, 李文凱

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450000; 2.河南交院工程技術(shù)有限公司)

氯鹽由于其成本低且融雪效果好，是目前北方雨雪天氣最常用的融雪劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年會(huì)使用上千萬(wàn)噸的氯鹽融雪劑來(lái)保證雨雪天氣道路的正常通行，Cl-會(huì)通過(guò)路面內(nèi)部的空隙滲透進(jìn)去加快瀝青的老化，降低瀝青與礦料之間的黏結(jié)能力，加快瀝青路面病害的形成，同時(shí)大量氯鹽遺留在綠化帶內(nèi)會(huì)嚴(yán)重影響植被的生長(zhǎng)。在瀝青混合料中摻入纖維來(lái)改善瀝青路面的抗水毀能力，在中國(guó)現(xiàn)階段高等級(jí)公路建設(shè)中正在慢慢被推廣，常見(jiàn)的纖維種類包括：木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維等。瀝青瑪蹄脂主要使用的是木質(zhì)素纖維，靠纖維吸附瀝青混合料中的自由瀝青，從而提高瀝青路面的使用性能。木質(zhì)素纖維抗拉強(qiáng)度較低，對(duì)混合料性能的改善程度有限，近年來(lái)，力學(xué)性能較強(qiáng)的聚合纖維以及玄武巖纖維正在被推廣。封基良等對(duì)纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能進(jìn)行研究，提出纖維的技術(shù)指標(biāo)和要求，促進(jìn)了纖維在瀝青混合料中的推廣應(yīng)用；湯寄予等研究了玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，同時(shí)進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及車轍試驗(yàn)確定纖維最佳摻量為0.4%；熊銳等分析了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下影響瀝青混合料耐久性的因素，試驗(yàn)表明：在硫酸鹽侵蝕下，瀝青混合料的性能衰減比清水更快，且瀝青混合料的性能隨鹽溶液濃度的增加而減小。現(xiàn)有關(guān)于鹽溶液對(duì)纖維瀝青混合料的研究不多，該文在前人研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾以及凍融劈裂試驗(yàn)研究，評(píng)價(jià)不同類型纖維混合料力學(xué)性能及抗水毀能力受鹽溶液的影響程度，對(duì)延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命具有指導(dǎo)意義。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 礦料及瀝青

該文粗集料選擇玄武巖碎石，粒徑分別為10～15、5～10、3～5 mm；細(xì)集料為0～3 mm石灰?guī)r碎石；填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。粗、細(xì)集料以及礦粉相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。選用的改性瀝青為SBS I-D，參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)SBS I-D瀝青進(jìn)行相關(guān)性能的檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SBS I-D性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

續(xù)表1

1.2 纖維

該文選用木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚醋纖維。3種纖維的摻量均為瀝青混合料的0.3%。3種纖維的示意圖見(jiàn)圖1，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖1 3種纖維示意圖

表2 3種纖維主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及混合料拌和工藝

參照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，該文選用的AC-13C混合料目標(biāo)級(jí)配見(jiàn)表3，關(guān)鍵篩孔2.36 mm的通過(guò)百分率為36.7%。瀝青混合料拌和工藝：粗、細(xì)集料及礦粉加熱溫度為190 ℃，BS I-D改性瀝青加熱溫度為170 ℃，粗、細(xì)集料干拌時(shí)間為40 s，然后加入纖維拌和20 s，再加入瀝青濕拌30 s，最后加入礦粉拌和30 s。

表3 AC-13C瀝青混合料礦料級(jí)配

2 馬歇爾試驗(yàn)

瀝青混合料馬歇爾試件通過(guò)飽和NaCl(濃度27%)和飽和Na2SO4(濃度17%)溶液浸泡后開(kāi)展馬歇爾試驗(yàn)，并用飲用水作為參照。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以得出：

(1) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的穩(wěn)定度高，表明3種纖維的摻入能夠增強(qiáng)混合料的抗高溫性能；在飲用水作用時(shí)，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料的穩(wěn)定度較普通混合料分別提高4.1%、8.6%、12.7%，在飽和NaCl溶液作用時(shí)，3種纖維混合料的穩(wěn)定度較普通混合料分別提高8.0%、13.8%、16.9%，在飽和Na2SO4溶液作用時(shí)，3種纖維混合料的穩(wěn)定度較普通混合料分別提高6.0%、7.4%、19.3%，其中玄武巖纖維對(duì)混合料穩(wěn)定度的提高效果最優(yōu)。

(2) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的流值高，表明3種纖維的摻入能夠增強(qiáng)混合料抵抗變形的能力，減緩瀝青路面在荷載及溫縮應(yīng)力作用時(shí)裂縫的產(chǎn)生；在飲用水作用時(shí)，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料的流值較普通混合料分別提高7.4%、14.8%、22.2%，在飽和NaCl溶液作用時(shí)，3種纖維混合料的流值較普通混合料分別提高7.7%、15.4%、19.2%，在飽和Na2SO4溶液作用時(shí)，3種纖維混合料的流值較普通混合料分別提高8%、16%、24%；通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，玄武巖纖維對(duì)混合料增韌效果較優(yōu)。

3 水穩(wěn)定性

抗水毀能力是評(píng)價(jià)瀝青路面水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，瀝青路面在車輛軸載及冬季凍融循環(huán)作用下會(huì)加速結(jié)構(gòu)層的開(kāi)裂，研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性，對(duì)延長(zhǎng)道路使用壽命及行車舒適性顯得尤為重要。常見(jiàn)的水損害包括：松散、裂縫、麻面等。評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性的方法有多種，主要包括：浸水車徹試驗(yàn)、凍融劈裂及浸氷馬歇爾試驗(yàn)等。該文選用凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抗水毀能力，普通混合料及3種纖維混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以得出：

(1) 在飲用水的作用下，3種纖維混合料馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度均得到了提高，其中玄武巖纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度到達(dá)最大95%，表明玄武巖纖維對(duì)混合料抗水毀能力改善效果最優(yōu)。

(2) 飽和NaCl溶液浸泡后的浸水馬歇爾穩(wěn)定度較飲用水均降低，普通混合料、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料降低幅度分別為18.0%、15.3%、14.4%、20.5%；飽和NaCl溶液浸泡后，3種纖維混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度較普通混合料分別提高10.3%、19.4%、18.6%，其中聚酯纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到最大90%。

(3) Na2SO4溶液浸泡后的浸水馬歇爾穩(wěn)定度較飲用水和NaCl溶液均降低，表明Na2SO4溶液對(duì)瀝青路面水損害程度最大；飽和Na2SO4溶液浸泡后，3種纖維混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度較普通混合料分別提高8.8%、12.6%、22.2%，其中聚酯纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到最大89%；從浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析，聚酯纖維對(duì)瀝青路面抗水毀能力改善效果最優(yōu)。

(4) 在飲用水浸泡作用時(shí)，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均較普通混合料大，且玄武巖纖維混合料達(dá)到最大89%，這主要因?yàn)槔w維的摻入使混合料最佳油石比變大，進(jìn)而使礦料表面瀝青膜的厚度變大，提高了混合料的黏結(jié)效果，很好地改善了混合料的抗水毀能力；由于木質(zhì)素纖維長(zhǎng)徑比較小且抗拉強(qiáng)度較低，對(duì)混合料抗水毀能力改善效果不明顯，因此其凍融劈裂殘留強(qiáng)度比較低；另外兩種纖維長(zhǎng)徑比較大且抗拉強(qiáng)度高，能夠很好地起到加筋增韌的效果，因此水穩(wěn)定性能較好。

(5) 在飽和NaCl及飽和Na2SO4溶液浸泡作用時(shí)，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均比普通混合料大，且玄武巖纖維混合料最大，分別達(dá)到84%、79%；但4種混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均較飲用水浸泡時(shí)降低較多，其中飽和Na2SO4溶液浸泡作用時(shí)降低幅度最大，這主要因?yàn)镹a+與瀝青作用生成極其不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層，減弱了瀝青與礦料之間的黏附性，另外Na2SO4在失水和吸水的過(guò)程中，體積會(huì)出現(xiàn)反復(fù)脹縮的現(xiàn)象，降低了混合料的黏結(jié)能力，最終導(dǎo)致抗水毀能力降低。

4 結(jié)論

選用AC-13C型瀝青混合料，通過(guò)不同鹽溶液對(duì)不同纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的穩(wěn)定度及流值高，表明3種纖維的摻入能夠增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度及抵抗變形的能力，其中玄武巖纖維對(duì)混合料穩(wěn)定度及流值改善效果最優(yōu)。

(2) 在飽和NaCl及飽和Na2SO4溶液浸泡作用下，3種纖維混合料及普通混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度均出現(xiàn)不同程度的降低，其中Na2SO4溶液浸泡作用下降低幅度最大，從浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析可知，聚酯纖維對(duì)混合料抗水毀能力改善效果最優(yōu)。

(3) 在3種溶液浸泡作用下，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均比普通混合料大，從凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分析可知，玄武巖纖維對(duì)混合料抗水毀能力改善效果最優(yōu)。