摻加玄武巖纖維的AR-SMA設(shè)計(jì)及路用性能研究

作者簡(jiǎn)介：

李文帥 （1987—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。

相較常規(guī)骨架密實(shí)型SMA瀝青混合料，摻加玄武巖纖維會(huì)改變混合料的最優(yōu)級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果、體積參數(shù)指標(biāo)以及路用性能表現(xiàn)。文章在摻加玄武巖纖維的基礎(chǔ)上，利用橡膠瀝青作為粘結(jié)料，制備摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證纖維加入對(duì)混合料穩(wěn)定性及路用性能的影響。

玄武巖纖維;吸油率;油石比;配合比設(shè)計(jì)

U416.21A020063

0 引言

SMA是一種典型的骨架密實(shí)型瀝青混合料，可選用橡膠瀝青作為粘結(jié)料制備得到AR-SMA瀝青混合料，在提升其路用性能表現(xiàn)的同時(shí)，循環(huán)利用廢舊膠粉也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

玄武巖纖維是利用高溫將天然玄武巖加熱至熔融狀態(tài)后經(jīng)拉絲制備所得的巖質(zhì)纖維，其自身強(qiáng)度高，在車船制造、石油化工和建筑材料領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其應(yīng)用展開了諸多研究。何東坡[1]等人在OGFC排水瀝青混合料中摻加了玄武巖纖維，選用4種不同長(zhǎng)度的纖維分別確定最佳油石比并制備了試件，通過飛散試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)等指標(biāo)，確定出6 mm的最佳纖維長(zhǎng)度選擇;楊程程[2]等人通過ABAQUS有限元軟件搭建數(shù)字模型，模擬了隨機(jī)分布狀態(tài)下，玄武巖纖維摻加比例、纖維模量以及纖維不同長(zhǎng)徑比選擇對(duì)混合料小梁有限元模型的抗彎拉模擬結(jié)果的影響，認(rèn)為玄武巖纖維摻量影響程度最明顯，纖維模量影響最小;羅倩[3]研究了玄武巖纖維摻配對(duì)高粘瀝青制備的大孔隙混合料路用性能的影響規(guī)律，認(rèn)為玄武巖纖維的摻加能夠提升其水穩(wěn)定性和低溫抗裂性，但在一定程度上會(huì)影響其透水能力，并確定了0.25%的最佳摻配比例;郭慶林[4]等人在密實(shí)型瀝青混合料中摻入了短切玄武巖纖維，通過半圓彎拉試驗(yàn)檢測(cè)混合料斷裂性能變化規(guī)律，認(rèn)為該纖維的摻加能夠提升混合料的破壞延性和強(qiáng)度;盧祎苗[5]等人設(shè)計(jì)了水浴和高溫兩種模擬條件的耦合作用，摻加玄武巖纖維前后混合料路用性能變化規(guī)律，認(rèn)為玄武巖纖維的摻加能夠提升該耦合作用下混合料的抗車轍能力。

綜上所述，現(xiàn)有針對(duì)玄武巖纖維在瀝青混合料中的摻配研究已有一定的研究基礎(chǔ)，但研究成果主要體現(xiàn)在AC以及大孔隙瀝青混合料結(jié)構(gòu)中，且選用的粘結(jié)材料鮮有涉及橡膠瀝青。為拓展玄武巖纖維在AR-SMA瀝青混合料中的應(yīng)用場(chǎng)景，本文在摻加玄武巖纖維的基礎(chǔ)上，利用橡膠瀝青作為粘結(jié)料，制備摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料，對(duì)比束型、絮型以及分散型狀態(tài)纖維分布狀態(tài)條件的玄武巖纖維吸油特性，分析其加入對(duì)配合比設(shè)計(jì)中油石比變化的影響，并結(jié)合實(shí)體工程建設(shè)，對(duì)摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其穩(wěn)定性及路用性能指標(biāo)。

1 纖維吸油特性分析

為準(zhǔn)確把控后續(xù)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)過程中的瀝青用量，須先對(duì)不同纖維分布狀態(tài)的玄武巖纖維吸油特性進(jìn)行檢測(cè)，以選取適用纖維類別?，F(xiàn)有規(guī)范中對(duì)玄武巖纖維吸油率的規(guī)定要求應(yīng)在50%以上，針對(duì)絮型狀態(tài)的玄武巖纖維則要求>200%。本文分別選取了束型、絮型以及分散型狀態(tài)3種纖維分布狀態(tài)的玄武巖纖維，如圖1所示。

針對(duì)上述三類玄武巖纖維分別進(jìn)行吸油率檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，束型玄武巖纖維的吸油率最小，平均為89%，而絮型和分散型玄武巖纖維的吸油率均在300%以上。在常見的懸浮密實(shí)型瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)過程中，選用的纖維摻配比例通常為0.3%，以上文所述的纖維吸油率為89%進(jìn)行計(jì)算，混合料中需增加0.267%的瀝青，并不會(huì)對(duì)瀝青用量或油石比產(chǎn)生明顯的影響。束型玄武巖纖維摻配比例通常為0.4%，即需要增加0.356%的瀝青用量。對(duì)比0.3%摻量且吸油率為600%的木質(zhì)素纖維，吸附1.8%質(zhì)量的瀝青，0.4%束型玄武巖纖維的摻加須減少一定的瀝青用量，這將可能會(huì)導(dǎo)致骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)SMA的空隙無法得到完全填充，導(dǎo)致空隙率過大而無法保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性。因此在摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)級(jí)配進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以縮小礦料間隙率。

2 玄武巖纖維AR-SMA技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合上文的玄武巖纖維吸油率測(cè)試結(jié)果，對(duì)常規(guī)的SMA瀝青混合料級(jí)配選擇進(jìn)行調(diào)整，確保4.75 mm等關(guān)鍵篩孔通過率在中值以上。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及大量室內(nèi)試驗(yàn)提出適合玄武巖纖維AR-SMA的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如表2所示。

3 工程概況

文章試驗(yàn)依托某高等級(jí)公路改擴(kuò)建工程展開研究，其中采用摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料面層的試驗(yàn)段長(zhǎng)度為11.54 km，原路面上面層結(jié)構(gòu)為SMA-13瀝青混合料材料，試驗(yàn)段僅將上面層材料替換為等厚度的摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料，其余各層保持不變。

4 配合比設(shè)計(jì)

4.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。在擬定級(jí)配組成時(shí)，共擬定三組級(jí)配進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。而摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料級(jí)配須確保4.75 mm等關(guān)鍵篩孔通過率在中值以上，因此最終確定的級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

4.2 最佳油石比確定

在確定最佳油石比試驗(yàn)中，選用橡膠瀝青作為粘結(jié)材料，初擬油石比為6.4%，并以此為中值共擬定三組油石比，分別為6.1%、6.4%以及6.7%，按照三組油石比分別制備對(duì)應(yīng)的馬歇爾試件，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。確定最佳油石比確定為6.4%。

4.3 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

4.3.1 謝倫堡析漏試驗(yàn)

考慮到粘結(jié)材料選用的是橡膠瀝青，確定謝倫堡析漏試驗(yàn)的加熱保溫溫度為180 ℃，保溫時(shí)間確定為60 min，保溫完成后立刻進(jìn)行析漏檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

4.3.2 肯塔堡飛散試驗(yàn)

將按上文配合比設(shè)計(jì)結(jié)果制備的馬歇爾試件置于20 ℃水浴中保溫24 h，利用洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)其展開飛散試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

4.4 路用性能檢驗(yàn)

在車輛荷載的反復(fù)作用以及自然環(huán)境的不斷侵蝕下，為確保摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料具備良好的路用性能表現(xiàn)，文章針對(duì)高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性重點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

4.4.1 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照上文設(shè)計(jì)的級(jí)配和最佳油石比，制備車轍試件并進(jìn)行車轍試驗(yàn)檢測(cè)，以驗(yàn)證其高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，按照同樣的級(jí)配，重新通過試驗(yàn)獲得對(duì)應(yīng)最佳油石比，制備一組常規(guī)AR-SMA-13瀝青混合料試件作為對(duì)照組，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可以發(fā)現(xiàn)，二者均能滿足規(guī)范的要求。相較于未摻加玄武巖纖維的AR-SMA-13瀝青混合料，玄武巖纖維的摻加可顯著提升混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，提升量達(dá)15%，增強(qiáng)了高溫穩(wěn)定性。

4.4.2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果如表7～8所示。

摻加玄武巖纖維前后的AR-SMA-13瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR值均可滿足規(guī)范要求。玄武巖纖維的加入能在一定程度上提升其殘留穩(wěn)定度和TSR值，增強(qiáng)混合料的水穩(wěn)定性。

5 施工拌和要點(diǎn)

因玄武巖纖維的加入，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中須著重

關(guān)注混合料的拌和過程控制。摻加玄武巖纖維的AR-SMA瀝青混合料應(yīng)采用間歇式拌和設(shè)備進(jìn)行均勻拌和，為確保纖維能夠均勻分布于混合料中，應(yīng)確保生產(chǎn)周期在60 s以上，且應(yīng)先將粗細(xì)集料和玄武巖纖維干拌15 s。

6 結(jié)語

本文依托某高等級(jí)公路改擴(kuò)建工程，設(shè)計(jì)了玄武巖纖維AR-SMA-13上面層。首先對(duì)比不同纖維分布狀態(tài)條件的玄武巖纖維吸油特性，進(jìn)而分析玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料油石比變化特征，對(duì)摻加玄武巖纖維的AR-SMA的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了混合料穩(wěn)定性及路用性能指標(biāo)，得出如下主要結(jié)論：

（1）摻加玄武巖纖維AR-SMA瀝青混合料應(yīng)對(duì)級(jí)配進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以縮小礦料間隙率。

（2）摻加玄武巖纖維的AR-SMA-13最佳油石比為6.4%。

（3）玄武巖纖維的摻加能增強(qiáng)AR-SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。

（4）應(yīng)確保混合料拌和生產(chǎn)周期在60 s以上，且應(yīng)先將粗細(xì)集料和玄武巖纖維干拌15 s。

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