季凍區(qū)玄武巖纖維復(fù)合改性透水瀝青混合料路用性能研究

齊 琳， 劉美鷗

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系， 遼寧 沈陽 110167； 2.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

透水瀝青路面具有良好的排水性能，能夠排除路面積水解決城市內(nèi)澇問題；抗滑性能好，提高車輛雨天出行的安全性；通過減弱車輛輪胎和道路表面的空氣泵作用降低弱噪聲污染[1-3].由于透水瀝青路面大孔隙特點(diǎn)，用于透水路面的瀝青應(yīng)具有較強(qiáng)的黏結(jié)力和耐久性.國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量嘗試，如在基質(zhì)瀝青中摻入樹脂、TPS高黏改性劑、橡膠等制成高黏改性瀝青，使瀝青黏度增大，從而提升了透水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，但是對于低溫性能的提升作用較小[4-5].東北季節(jié)性凍土區(qū)夏季高溫、冬季寒冷，春秋時(shí)間較短，冬季氣溫最低可達(dá)到-32 ℃，路面極易受到溫度變化的影響產(chǎn)生開裂，松散等病害.與密級配瀝青路面相比而言，透水瀝青路面因其骨架結(jié)構(gòu)更易受到溫度、水與行車荷載耦合作用的影響產(chǎn)生病害，所以對透水瀝青混合料的低溫和水穩(wěn)定性能要求更高.

玄武巖纖維是一種綠色環(huán)保的礦物纖維，常被當(dāng)作添加劑和改性劑摻入瀝青混合料中，用來提高瀝青混合料的路用性能.玄武巖纖維摻到瀝青混合料中可以起到加筋、吸附、穩(wěn)定、增黏等作用，特別是對提高瀝青混合料的低溫抗開裂性有明顯效果[6-8].研究人員探究了木質(zhì)纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維等材料的加入對瀝青混合料路用性能的影響.王安[9]在SMA-13混合料中分別摻入6 mm玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維，對比分析出玄武巖纖維對SMA-13混合料各項(xiàng)路用性能改善效果最佳.韋佑坡等[10]在AC-13 混合料中加入玄武巖纖維，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性均有所改善.Arash Davar等[11]對玄武巖纖維與硅藻土復(fù)合物改性瀝青混合料的抗疲勞和低溫性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對于提高瀝青混合料的抗疲勞作用較小，但兩種材料復(fù)合改性可以顯著提高瀝青混合料的低溫性能.

結(jié)合玄武巖纖維能夠改善瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性能的特點(diǎn)，針對透水瀝青混合料在低溫性能和水穩(wěn)定性能的不足，本文提出玄武巖纖維與高黏改性劑復(fù)合改性，研究透水瀝青混合料的路用性能.首先將玄武巖纖維、高黏改性劑與基質(zhì)瀝青制成復(fù)合改性瀝青，研究其性能指標(biāo)，然后進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，進(jìn)而驗(yàn)證復(fù)合改性透水瀝青混合料的路用性能.通過制備玄武巖纖維與高黏改性劑不同摻配比下的復(fù)合改性瀝青，制做復(fù)合改性透水瀝青混合料試件，對不同油石比下的復(fù)合改性透水瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分別評價(jià)其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，進(jìn)行滲水系數(shù)測試試驗(yàn)評價(jià)其排水能力.通過路用性能試驗(yàn)的對比研究，確定其最佳摻配比并推薦油石比.

1 原材料與性能指標(biāo)

1.1 原材料

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗集料、細(xì)集料和礦粉

采用玄武巖作為粗集料，由3檔料組成，分別是9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm.細(xì)集料為堿性的機(jī)制砂，規(guī)格為0.075～2.36 mm.礦粉采用磨細(xì)的石灰?guī)r，占透水瀝青混合料級配組成的5 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

1.3 復(fù)合改性瀝青制備工藝

采用高速剪切機(jī)制備玄武巖纖維復(fù)合改性瀝青，室內(nèi)試驗(yàn)制備步驟如下：

(1) 將基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至(180±5) ℃，然后放入高黏改性劑.

(2) 將高黏改性劑與基質(zhì)瀝青以13 000 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫剪切15 min，然后以22 000 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫剪切15 min.

(3) 將試樣放入180 ℃恒溫烘箱中溶脹10 min后取出，將玄武巖纖維攪拌投入溶脹后的瀝青中，以22 000 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫剪切20 min，觀察瀝青由流動(dòng)狀態(tài)到出現(xiàn)明顯的瀝青泡表明復(fù)合改性瀝青制備完成.為達(dá)到最佳剪切效果，建議剪切1 h左右，控制剪切溫度在180 ℃左右.

根據(jù)上述方法制備復(fù)合改性瀝青，其中玄武巖纖維摻量為纖維質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量的比值，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為0、1 %、2 %；高黏改性劑摻量為改性劑質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量的比值，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為12 %，試驗(yàn)試樣3組.對兩種改性材料不同摻配比下復(fù)合改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)測試，測試結(jié)果見表3.由軟化點(diǎn)、135 ℃黏度數(shù)據(jù)可知3種復(fù)合改性瀝青的高溫性能良好；根據(jù)5 ℃延度和瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR試驗(yàn))數(shù)據(jù)確定低溫等級溫度均低于東北季凍區(qū)城市的日均最低溫度(見表4).所以3種復(fù)合改性瀝青均可應(yīng)用于東北季凍地區(qū)使用.

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表3 復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 東北季凍區(qū)氣候條件

2 級配的選擇及配合比設(shè)計(jì)

2.1 透水瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

吳金航[12]通過正交試驗(yàn)對16組透水瀝青混合料配合比進(jìn)行測試、分析，發(fā)現(xiàn)2.36 mm孔徑的通過率對透水瀝青混合料空隙率的影響起決定作用，并建立了預(yù)估空隙率與關(guān)鍵篩孔通過率二者的回歸方程式如下：

y=29.113+0.040 3P13.2-0.02P9.5-

0.678P2.36-0.874P0.075-

0.037Pδ(R2=0.900),

(1)

y=29.990+0.040 1P13.2-

0.677P2.36-0.878P0.075-

0.036Pδ(R2=0.881),

(2)

y=28.724+0.04P13.2-0.677P2.36-

0.878P0.075(R2=0.879),

(3)

y=32.470-0.677P2.36-0.878P0.075

(R2=0.876),

(4)

y=27.644-0.677P2.36(R2=0.874).

(5)

式中：y為混合料空隙率,%；P13.2為13.2 mm篩孔通過率,%；P9.5為9.5 mm篩孔通過率,%；P2.36為2.36 mm篩孔通過率,%；P0.075為0.075 mm篩孔通過率,%；Pδ為4.75 mm與2.36 mm篩孔通過率之差,%.

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2017)，透水瀝青路面的目標(biāo)空隙率為18 %～25 %.考慮東北季凍區(qū)氣候和降雨量條件，為保證路面良好的排水性能及耐久性，擬定透水瀝青混合料的預(yù)估空隙率為(20±1) %.按公式(5)計(jì)算，當(dāng)空隙率為19 %時(shí)，P2.36=12.77 %；當(dāng)空隙率為20 %時(shí)，P2.36=11.29 %；當(dāng)空隙率為21 %時(shí)，P2.36=9.81 %.透水瀝青混合料2.36 mm孔徑的最佳通過率范圍是9.81 %～12.77 %，根據(jù)篩孔通過率計(jì)算結(jié)果及《透水性瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)，確定具體級配曲線并選取合成級配曲線作為本文研究級配，如圖1所示.

圖1 透水瀝青混合料級配曲線

2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1中合成級配曲線，擬定油石比(瀝青與礦料質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù))范圍為4.4 %～5.8 %，對3種復(fù)合改性透水瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定各摻配比下混合料的最佳瀝青用量[13].選取5個(gè)不同油石比分別為4.4 %、4.7 %、5.1 %、5.5 %、5.8 %，在高黏改性劑摻量為12 %的條件下，對不同玄武巖纖維摻量(0、1 %、2 %)、不同油石比下的復(fù)合改性透水瀝青混合料進(jìn)行成型馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn).

不同玄武巖纖維摻量下復(fù)合改性透水瀝青混合料的飛散和析漏試驗(yàn)曲線如圖2、圖3所示.試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)《透水性瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)要求，透水瀝青混合料的飛散損失指標(biāo)≤15 %、析漏損失指標(biāo)≤0.3 %、馬歇爾穩(wěn)定度≥3.5 kN.利用作圖法確定混合料的最佳瀝青用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并測試混合料馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

圖2 復(fù)合改性透水瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)曲線

圖3 不同高黏改性劑與玄武巖纖維摻配比的復(fù)合改性透水瀝青混合料析漏試驗(yàn)曲線

表5 不同玄武巖纖維摻量下復(fù)合改性透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

從圖2、圖3與表5中數(shù)據(jù)分析可知：對高黏改性劑與玄武巖纖維摻配比為(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)的復(fù)合改性透水瀝青混合料進(jìn)行飛散和析漏試驗(yàn)后，通過作圖法得到最佳瀝青用量分別為5.2 %、5.1 %和5.0 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).隨著玄武巖纖維摻量的增加，預(yù)估空隙率上下限值內(nèi)，復(fù)合改性透水瀝青混合料的油石比范圍限值增加；飛散損失值逐漸減小，析漏損失值逐漸增大；馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小.說明玄武巖纖維摻入會(huì)對混合料的空隙率產(chǎn)生一定影響，同時(shí)在混合料中起到了加筋、吸附和增黏的作用，增強(qiáng)了復(fù)合改性瀝青與集料間的黏結(jié)作用.

3 復(fù)合改性透水瀝青混合料路用性能分析

為了方便進(jìn)一步研究復(fù)合改性透水瀝青混合料的路用性能規(guī)律，在確定混合料最佳瀝青用量的基礎(chǔ)上，選定油石比分別為4.4 %、4.7 %、5.1 %、5.5 %、5.8 %對3種復(fù)合改性透水瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)驗(yàn)證分析.

3.1 高溫性能

采用車轍試驗(yàn)對復(fù)合改性透水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行測試，以動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評價(jià)在高黏改性劑摻量為12 %條件下，考察不同玄武巖纖維摻量及不同油石比對復(fù)合改性透水瀝青混合料高溫性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出：在不同玄武巖纖維摻量下，復(fù)合改性透水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著油石比的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)高黏改性劑摻量為12 %時(shí)，摻入1 %玄武巖纖維的復(fù)合改性透水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度在油石比為5.1 %的情況下達(dá)到最大，為8675次/mm.而當(dāng)油石比為5.1 %時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨著玄武巖纖維摻量的增大，先增大后減小，(12 %、1 %)動(dòng)穩(wěn)定度>(12 %、2 %)動(dòng)穩(wěn)定度>(12 %、0)動(dòng)穩(wěn)定度，說明摻入玄武巖纖維可以提高混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，車轍深度明顯減小.玄武巖纖維摻量增大動(dòng)穩(wěn)定度下降的原因是本文采用“濕法”工藝制備的復(fù)合改性瀝青在相同油石比下，纖維摻量增加，而瀝青含量下降，在與集料拌和后，復(fù)合改性透水瀝青混合料內(nèi)部分集料間形成薄弱連接，導(dǎo)致混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降.

圖4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫性能

瀝青路面的主要破壞形式之一是低溫開裂，是道路建設(shè)中普遍存在的問題.尤其是東北季凍地區(qū)的透水瀝青路面，因其大空隙率特點(diǎn)，承受長期荷載、水和溫度變化等因素的綜合作用，路面容易出現(xiàn)開裂破壞.路面產(chǎn)生裂縫后，水分會(huì)沿著路表裂紋滲入下層，引起基層乃至路基的破壞，最終導(dǎo)致路基路面結(jié)構(gòu)承載力下降，降低透水瀝青路面的使用壽命[14].本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)方法對不同油石比、不同玄武巖纖維摻量下的復(fù)合改性透水瀝青混合料的低溫抗開裂性能進(jìn)行研究.將車轍板按照規(guī)程中T 0703—2011的試驗(yàn)方法切割成尺寸為長250 mm、寬30 mm、高35 mm的小梁試件進(jìn)行低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖5分析可知：不同玄武巖纖維摻量下復(fù)合改性透水瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變隨油石比的增大而增大，說明隨著混合料中復(fù)合改性瀝青含量的增加，復(fù)合改性透水瀝青混合料在低溫狀態(tài)下抵抗破壞的能力增強(qiáng).當(dāng)油石比較小時(shí)，高黏改性劑摻量與玄武巖纖維摻量的摻配比為(12 %，0)時(shí)，混合料中無玄武巖纖維摻入，復(fù)合改性透水瀝青混合料空隙率較大，空隙間瀝青的黏結(jié)力較弱；摻配比為(12 %，1 %)和(12 %，2 %)時(shí)，混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變有明顯的提升.說明摻入玄武巖纖維，可以幫助低溫狀態(tài)混合料抵抗裂縫在荷載作用下的進(jìn)一步擴(kuò)展；也可以抵御在加載過程中集料間由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的彎拉破壞.

當(dāng)油石比從4.4 %增加到5.5 %時(shí)，摻配比為(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)的最大彎拉應(yīng)變分別增長了34.5 %、56.1 %、57.6 %；當(dāng)油石比從5.5 %增加到5.8 %時(shí)各摻配比下的最大彎拉應(yīng)變快速增加，增長幅度分別為18.8 %、17.3 %、22.8 %，說明增大油石比和玄武巖纖維摻量可以改善復(fù)合改性透水瀝青混合料的低溫性能.在東北季凍地區(qū)鋪筑透水瀝青路面時(shí)，混合料的瀝青用量不應(yīng)局限于規(guī)范中以析漏試驗(yàn)確定的最佳瀝青用量及限值的要求.

3.3 水穩(wěn)定性

在東北季凍區(qū)，瀝青路面發(fā)生水損害普遍存在.透水瀝青路面空隙率較大，瀝青在集料間的填充程度較差，春融季節(jié)路面在水以及汽車荷載的反復(fù)作用下，瀝青面層空隙中不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力，加劇路面原有裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展[15]，促使水份逐漸滲入到瀝青與集料的界面區(qū)域，降低瀝青與集料的黏結(jié)力，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青從集料表面剝離，發(fā)生掉粒、松散、坑槽等病害現(xiàn)象.

透水瀝青混合料與密級配瀝青混合料相比空隙率較大，如果凍融時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致其性能受到較大影響，因此文章通過TORRIE溫度傳感器觀測試件在凍融循環(huán)狀態(tài)下溫度隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖6所示.根據(jù)圖6數(shù)據(jù)對凍融劈裂試驗(yàn)條件進(jìn)行改進(jìn)：第1組試件按規(guī)范方法真空飽水15 min，使水完全充滿混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙，形成完全飽水狀態(tài)，在-18 ℃條件下冷凍6 h后取出放入60 ℃水浴中保溫2 h；第2組試件常溫放置；最后將兩組試件在25 ℃水中恒溫放置2 h.以此試驗(yàn)條件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，對復(fù)合改性透水瀝青混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行評價(jià).試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.由圖7可知：在高黏改性摻量為12 % 條件下，玄武巖纖維摻量為1 %和2 %的復(fù)合改性透水瀝青混合料的凍融強(qiáng)度劈裂比隨油石比的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢.而不摻玄武巖纖維的復(fù)合改性透水瀝青混合料的凍融強(qiáng)度劈裂比隨油石比的增大而增大，當(dāng)油石比大于5.5 %時(shí)，增長幅度減小.當(dāng)油石比為5.5 %，摻配比為(12 %，1 %)時(shí)，復(fù)合改性透水瀝青混合料的凍融強(qiáng)度劈裂比達(dá)到92.32 %，比玄武巖纖維摻量為0時(shí)增大了3 %.說明增大混合料中油石比和玄武巖纖維摻量都可提高復(fù)合改性透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但玄武巖纖維摻量要在合理的范圍內(nèi)使用，過量的纖維摻入會(huì)影響瀝青與集料之間的黏結(jié)平衡，拌和時(shí)易凝結(jié)成塊狀，從而降低混合料的水穩(wěn)定性.

圖6 溫度-時(shí)間變化規(guī)律

圖7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

3.4 滲水系數(shù)

對不同玄武巖纖維摻量下的復(fù)合改性透水瀝青混合料分別制作成不同油石比的車轍板試件.采用變水頭測試方法，測量水面從 100 mL下降到500 mL所需要的時(shí)間計(jì)算滲水系數(shù)[16]，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

結(jié)果表明：隨玄武巖纖維摻量增加，滲水系數(shù)增大，但增大幅度較?。磺译S著油石比的增大，3種摻配比下的復(fù)合改性透水瀝青混合料滲水系數(shù)呈現(xiàn)逐漸靠近的趨勢.說明油石比越大，玄武巖纖維摻量的大小對混合料滲水系數(shù)的影響越小.

圖8 滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 適量的玄武巖纖維可以提高季凍區(qū)透水瀝青路面的低溫性能和水穩(wěn)定性能.

(2) 基于預(yù)估空隙率及配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，隨著玄武巖纖維摻量的增加[(12 %，0)、(12 %，1 %)、(12 %，2 %)]復(fù)合改性透水瀝青混合料的最佳瀝青用量減小，分別為5.2 %、5.1 %、5.0 %.

(3) 根據(jù)復(fù)合改性透水瀝青混合料路用性能試驗(yàn)對比分析結(jié)果，(12 %,2 %)復(fù)合改性透水瀝青混合料在油石比為5.1 %時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度最大，高溫性能最好；(12 %,1 %)復(fù)合改性透水瀝青混合料在油石比大于等于5.5 %時(shí)，低溫性能和水穩(wěn)定性較好；玄武巖纖維摻量對混合料滲水系數(shù)的影響較小.在東北季凍區(qū)應(yīng)用復(fù)合改性透水路面時(shí)，推薦高黏改性劑的摻量為12 %，玄武巖纖維的摻量為1 %,油石比為5.5 %.