鋼纖維瀝青混合料導(dǎo)熱及路用性能研究

鄧 甲

(南京鐵路建設(shè)投資有限責(zé)任公司 南京市 210000)

0 引言

瀝青路面有著較好的使用性能，但是在日照、車輪摩擦等影響因素作用下，瀝青路面在使用階段溫度會(huì)升高。一方面，瀝青路面由于其顏色是黑色，對(duì)太陽光各種波長的光輻射的吸收能力都較強(qiáng)，導(dǎo)致路面會(huì)吸收很多熱量；另一方面，瀝青路面材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，并且路面的面層、基層、路基導(dǎo)熱系數(shù)差別不大，路面內(nèi)部吸收的熱量不易形成梯度傳導(dǎo)。綜上，瀝青路面內(nèi)部容易積聚熱量，使路面溫度升高，瀝青路面出現(xiàn)高溫失穩(wěn)破壞，產(chǎn)生各種病害，例如擁包、車轍等，影響瀝青路面的使用性能。

目前而言，可以通過向?yàn)r青混合料內(nèi)摻入導(dǎo)熱性較高或較低粉體、纖維來改變?yōu)r青混合料的導(dǎo)熱性能，進(jìn)而形成促進(jìn)路面內(nèi)熱量流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，從而降低路面溫度。一般而言，在設(shè)計(jì)瀝青路面梯度導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該保證導(dǎo)熱性上部比較小，而下部比較大，這樣有利于熱量能較快地在路面內(nèi)流動(dòng)，使得路面內(nèi)部的積熱減少，降低路面溫度[1-2]。

鋼纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用已經(jīng)涉及多個(gè)領(lǐng)域。王昊鵬等[3]利用鋼纖維實(shí)現(xiàn)了瀝青混凝土從絕緣體到導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，基于此開發(fā)的自愈合鋼纖維瀝青混合料隨著加熱時(shí)間的不斷增加，最高可提高混合料自愈合能力20%以上。楊發(fā)等[4]也將鋼纖維用于除冰性能的研究，其制備的混合料能使-5℃下的感應(yīng)加熱速率高達(dá)0.5℃/s，融冰效果顯著；在力學(xué)性能方面，王清華[5]綜合評(píng)價(jià)了鋼纖維瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：鋼纖維在改善混合料抗車轍性能、抗彎拉強(qiáng)度、抗裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等方面均有很好的效果。而對(duì)于采用鋼纖維瀝青混合料進(jìn)行導(dǎo)熱性能改善、路面降溫研究還不多，本文旨在對(duì)鋼纖維瀝青混合料的導(dǎo)熱性能和路用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 原材料

(1)瀝青

瀝青選擇70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

(2)鋼纖維

共選取了四種不同的鋼纖維，長徑參數(shù)見表2。

表2 鋼纖維長徑參數(shù)

(3)集料

實(shí)驗(yàn)所用集料粒徑共分10～20mm、5～10mm、0～5mm三檔，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E42-2005)》測定集料的表觀相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度和吸水率，結(jié)果如表3所示。

表3 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

1.2 瀝青混合料配合比

瀝青混合料級(jí)配類型為AC-13，如表4所示。

表4 AC-13瀝青混合料級(jí)配

本實(shí)驗(yàn)中，鋼纖維摻量相對(duì)于瀝青混合料質(zhì)量來說非常小，因此在實(shí)驗(yàn)中，不考慮鋼纖維對(duì)瀝青的吸附作用，所確定的最佳油石比為5%。

1.3 鋼纖維瀝青混合料試件制作

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行馬歇爾試件的制作，由于添加的鋼纖維達(dá)到一定比例后，在拌和過程中容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，如圖1。因此采取先在集料中加入一定量的鋼纖維，進(jìn)行干拌，然后再加入瀝青，制備出相應(yīng)的混合料，鋼纖維瀝青混合料制作關(guān)鍵點(diǎn)就是要保證拌和過程中鋼纖維能夠盡可能均勻分散于混合料中[6]，如圖2。

圖1 鋼纖維出現(xiàn)明顯結(jié)團(tuán)

圖2 拌和較為均勻的鋼纖維瀝青混合料

2 混合料熱物參數(shù)測試

將制作好的馬歇爾試件使用切割機(jī)進(jìn)行切割，每個(gè)馬歇爾試件切割2個(gè)面，切割時(shí)盡量保證切割面光滑平整，切割完成后，采用DRM-Ⅱ型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，測定制作好的鋼纖維瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)和比熱容(J/(kg·℃))。取三次測試值平均值作為最終結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3 鋼纖維瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)隨鋼纖維種類、比例變化示意圖

圖4 鋼纖維瀝青混合料比熱容隨鋼纖維種類、比例變化示意圖

根據(jù)測試結(jié)果可得出以下結(jié)論：

(1)在0.5%～1.5%的鋼纖維摻量下，隨著添加鋼纖維比例的提高，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)都呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，而瀝青混合料的比熱容都有所下降。原因分析是由于鋼纖維的導(dǎo)熱系數(shù)大于瀝青混合料，比熱容小于瀝青混合料，加入鋼纖維之后，瀝青混合料內(nèi)部形成了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，更有利于熱量的傳遞，因此鋼纖維瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)提高，而比熱容降低。

(2)對(duì)于不同種類的鋼纖維來說，導(dǎo)熱系數(shù)的上升程度有所不同，由圖3可以看出同等摻量下，2#、3#、4#三種鋼纖維提升導(dǎo)熱性能更加明顯，最高分別可提高39.5%、43.2%、45%。其中2#、3#鋼纖維的密度完全相同，3#鋼纖維長度為2#鋼纖維的一半，而3#鋼纖維瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)提升比加入2#鋼纖維瀝青混合料多，結(jié)合4#鋼纖維細(xì)粉狀的特點(diǎn)，可得出推論：越細(xì)越小的鋼纖維導(dǎo)熱性能越好，原因可能是在這種情況下鋼纖維分布更為均勻，更容易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

3 力學(xué)性能測試

3.1 單軸壓縮試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，不同種類的鋼纖維按照0.5%、1%和1.5%混合料質(zhì)量的摻量，分別制作馬歇爾試件。將制作好的馬歇爾試件放置于恒溫水槽中(20℃)保溫2.5h后取出，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，以2mm/min的加載速率均勻加載，直至馬歇爾試件破壞，讀取荷載峰值P。

根據(jù)記錄下的荷載峰值，按下式計(jì)算瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度：

(1)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5 鋼纖維瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 劈裂試驗(yàn)與抗剪強(qiáng)度計(jì)算

同上，制備好馬歇爾試件，使用萬能試驗(yàn)機(jī)，以50mm/min的速率加載，直至試件破壞。記錄最大荷載P。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，采用單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合的方法計(jì)算抗剪強(qiáng)度，使用的計(jì)算方法如式(2)、式(3)、式(4)所示：

(2)

φ=sin-1(tanα1)

(3)

(4)

式中：σUCS為單軸壓縮強(qiáng)度；σIDT為間接拉伸強(qiáng)度；α1為斜率參數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 鋼纖維瀝青混合料馬歇爾劈裂試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，鋼纖維加入之后，隨機(jī)分布在集料顆粒之間，相對(duì)于原始的瀝青混合料而言，減小了空隙率，且由于鋼纖維表面較為粗糙，能夠更好地吸附包裹瀝青，進(jìn)一步穩(wěn)固了集料之間的位置關(guān)系，限制了集料自由滑移，因此提高了瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度[8]，其中4#鋼纖維最高可提高抗壓強(qiáng)度30.7%。

(2)對(duì)于抗剪強(qiáng)度而言，和抗拉強(qiáng)度提升機(jī)理類似，加入鋼纖維之后，空隙率變小，瀝青混合料變得更為密實(shí)，一定程度上增大了間接拉伸強(qiáng)度。但更大影響在于，加入鋼纖維后，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度由鋼纖維的抗拉能力、瀝青的粘結(jié)力和集料的摩阻力共同承擔(dān)[9]，其中，4#鋼纖維最高可提高抗剪強(qiáng)度31.8%。

3.3 車轍試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)鋼纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行車轍板的制作，車轍板尺寸為30cm×30cm×5cm。制備中添加4#鋼纖維，添加比例為0.5%～5%。動(dòng)穩(wěn)定度測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 動(dòng)穩(wěn)定隨鋼纖維摻量變化關(guān)系圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于原始瀝青混合料，添加鋼纖維之后的瀝青混合料，在一定比例范圍內(nèi)，動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)上升的現(xiàn)象，但是在鋼纖維摻量達(dá)到一定限度后，動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，整體來看，在鋼纖維摻量1%時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，增幅為64.9%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是鋼纖維瀝青混合料作為一種組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的黏彈性復(fù)合材料，鋼纖維摻量和瀝青含量交互作用，影響瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度[10]。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，鋼纖維摻量應(yīng)與瀝青含量相匹配。若想要制備大比例鋼纖維摻量的瀝青混合料時(shí)，瀝青用量必須進(jìn)行相應(yīng)的增加，否則，鋼纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)大幅度下滑，嚴(yán)重影響鋼纖維瀝青混合料的路用性能。

4 結(jié)語

通過向?yàn)r青混合料中加入鋼纖維進(jìn)行改性，通過添加不同比例的鋼纖維，進(jìn)行瀝青混合料的熱物參數(shù)試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料的降溫性能和路用性能。主要研究結(jié)論如下：

(1)在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行添加了鋼纖維的瀝青混合料的熱物參數(shù)試驗(yàn)，在添加鋼纖維比例為0.5%～1.5%的范圍內(nèi)，鋼纖維含量越高，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，比熱容越小，添加鋼纖維能夠有效地提高瀝青混合料的導(dǎo)熱性能。

(2)外加鋼纖維會(huì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能造成影響，在添加鋼纖維比例為0.5%～1.5%的范圍內(nèi)，鋼纖維瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都得到了提高，但是動(dòng)穩(wěn)定度隨鋼纖維比例的提高呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。主要是鋼纖維含量較少時(shí)，鋼纖維對(duì)集料顆粒間的相對(duì)位置關(guān)系具有加強(qiáng)作用，限制了集料相對(duì)滑移，使瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增大；而在鋼纖維摻量過多時(shí)，需要包裹更多瀝青，原始的瀝青用量相對(duì)來說就顯得不足，瀝青混合料密實(shí)度降低，動(dòng)穩(wěn)定度降低。

(3)相比于其他三種鋼纖維，4#鋼纖維對(duì)瀝青混合料熱物參數(shù)、抗壓和抗剪強(qiáng)度提升最為顯著，因此推薦使用4#鋼纖維對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性。最佳添加比例為1%，此時(shí)可提高動(dòng)穩(wěn)定度64.9%，并且導(dǎo)熱系數(shù)增幅達(dá)38.2%。