不同類型纖維瀝青混合料路用性能研究

譚海勤

(湖南中大設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410075)

纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、模量大、耐高溫、耐久性良好等特點(diǎn)，被廣泛用于增強(qiáng)路面材料的力學(xué)性能。Serfass J. P.等通過相關(guān)試驗(yàn)，分析了3種纖維對混合料性能的影響，指出纖維的摻入可提高瀝青用量，增強(qiáng)水穩(wěn)性能、抗疲勞性能及抗開裂能力。范文孝通過對玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維瀝青混合料進(jìn)行高溫試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、低溫抗裂試驗(yàn)，得出纖維能大大提升混合料的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞及抗開裂能力。郭乃勝等對纖維摻量進(jìn)行研究，結(jié)果表明，聚酯纖維摻量達(dá)到某一值時混合料的路用性能最好。章汪琛通過試驗(yàn)研究玄武巖纖維、聚酯纖維及二者混摻纖維對混合料性能的影響，得出混摻纖維對混合料的路用性能提升最優(yōu)。該文在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究不同摻量碳纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)性能、疲勞性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1) 基質(zhì)瀝青。采用東莞泰和瀝青產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的埃索70#基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

(2) 集料。粗、細(xì)集料均選用石灰?guī)r，其主要技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

(3) 礦粉。采用石灰?guī)r礦粉作為瀝青混合料的填料，其主要技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(4) 纖維。采用聚酯纖維、碳纖維、玄武巖纖維，其性能指標(biāo)見表2。

表2 3種纖維的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

采用AC-13C級配(見表3)，雙面擊實(shí)75次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過馬歇爾試驗(yàn)確定不同纖維(摻量分別為0、0.15%、0.30%、0.45%)瀝青混合料的最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 AC-13C瀝青混合料級配

表4 各纖維摻量下瀝青混合料最佳油石比

2 纖維瀝青混合料路用性能研究

2.1 高溫性能

采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法測試無纖維和不同摻量碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維瀝青混合料在60℃下的動穩(wěn)定度，結(jié)果見圖1。

圖1 纖維摻量與高溫性能的關(guān)系

由圖1可知：1) 相比于普通瀝青混合料，纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高較明顯，表明纖維可顯著增強(qiáng)瀝青混合料的高溫性能。2) 各纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨纖維摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別在纖維摻量約0.28%、0.33%、0.2%時達(dá)到最大。分析其原因，可能是纖維摻量超過一定值時會發(fā)生成束現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮纖維耐高溫、耐久性等作用，甚至對混合料的性能產(chǎn)生一定降低作用。3) 纖維摻量為0.30%時，各混合料的高溫性能最佳。因此，選定纖維摻量0.30%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 水穩(wěn)性能

采用JTG E20-2011中的試驗(yàn)方法對無纖維和纖維摻量為0.30%的不同纖維瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

由表5可知：1) 與無纖維瀝青混合料相比，纖維瀝青混合料浸水后殘留穩(wěn)定度提高較大，其中碳纖維瀝青混合料提高39.9%，玄武巖纖維瀝青混合料提高28.8%，聚酯纖維瀝青混合料提高17.9%，表明加入纖維可提高瀝青混合料的水穩(wěn)性能，碳纖維的提高效果最優(yōu)。原因可能是纖維加入的同時，混合料的最佳瀝青用量增加，礦料表面有效瀝青膜厚度增大，瀝青對礦料的裹覆力大大增強(qiáng)。2) 經(jīng)過凍融循環(huán)后，碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比無纖維瀝青混合料分別提高49.8%、29.6%、6.6%。分析其原因，可能是纖維的加入起到一定的加筋作用，增強(qiáng)了混合料顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度。

表5 AC-13C纖維瀝青混合料水穩(wěn)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 低溫抗裂性能

采用JTG E20-2011中的試驗(yàn)方法評價無纖維和纖維摻量為0.30%的不同纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能，結(jié)果見表6。

表6 AC-13C纖維瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：相對于普通瀝青混合料，碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度分別提高15.6%、11.4%、8.7%，破壞應(yīng)變也有不同程度增加。纖維的添加對混合料低溫抗裂性能有明顯增強(qiáng)效果，其中碳纖維的改善效果最佳。

2.4 混合料疲勞性能

采用式(1)研究不同纖維瀝青混合料的疲勞性能。分別成型長、寬、高為2 400、500、500 mm的無纖維和纖維摻量為0.30%的不同纖維瀝青混合料試件，采用半正弦波應(yīng)力加載模式在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 AC-13C纖維瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

式中：Nj是破壞時荷載作用次數(shù)；σ0為初始彎拉應(yīng)力；k、n為試驗(yàn)回歸系數(shù)，k值反映疲勞壽命大小，n值反映疲勞壽命對應(yīng)力水平變化的敏感程度。

由表7可知：相對于無纖維瀝青混合料，碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維瀝青混合料的疲勞壽命分別提高62.1%、47.1%、35.8%，對應(yīng)力水平變化的敏感度分別降低8.5%、6.4%、9.7%。其原因可能是纖維在混合料內(nèi)黏結(jié)形成一定“蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，“蛛絲”之間的相互連接限制了裂縫的擴(kuò)展，荷載產(chǎn)生的集中應(yīng)力通過“蛛網(wǎng)”四周擴(kuò)散，從而提高混合料的疲勞壽命。

3 結(jié)論

(1) 纖維對混合料高溫性能的提升較顯著，碳纖維摻量為0.28%、聚酯纖維摻量為0.2%、玄武巖纖維摻量為0.33%時混合料高溫性能最好，其中碳纖維對混合料高溫性能的改善最佳。

(2) 纖維能有效增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)性能，與普通瀝青混合料相比，纖維瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度均有不同程度提高，碳纖維對混合料水穩(wěn)性能的提升最佳，其浸水馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度分別提高39.9%、6.4%、49.8%。

(3) 纖維能顯著改善瀝青混合料的低溫開裂性能，碳纖維對低溫開裂性能的改善優(yōu)于聚酯纖維和玄武巖纖維。

(4) 3種纖維均能不同程度提高瀝青混合料的疲勞壽命，其中碳纖維的提升效果最優(yōu)。