混雜纖維瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

李向陽 胡軍安 陳月順 蔣雷鳴

[摘 要]將水鎂石纖維和海泡石纖維單獨(dú)及混合摻入AC-13 瀝青混合料中，通過車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)研究了0.3%纖維總摻量下瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明，纖維的加入可以提高瀝青混合料的高溫、低溫和水穩(wěn)定性能；并且混摻纖維瀝青混合料的性能優(yōu)于單摻的。水鎂石和海泡石纖維以質(zhì)量比2∶3的比例混合摻入時(shí)，高溫和低溫性能最好；當(dāng)纖維以3∶2的比例混合摻入時(shí)，水穩(wěn)定性能最好。引入功效系數(shù)法確定了最佳性價(jià)比的纖維摻入方案。水鎂石與海泡石纖維以1∶4的比例加入到混合料時(shí)性價(jià)比最高。

[關(guān)鍵詞]瀝青混合料；混摻纖維；路用性能

[中圖分類號]U414[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

瀝青混凝土路面是我國公路普遍采用的一種路面形式，具有噪音低、穩(wěn)定性高、易維護(hù)、抗損害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，瀝青混凝土的固有缺陷，如石屑剝落、低溫開裂、高溫車轍病害等，嚴(yán)重影響了道路的使用壽命和人們的出行體驗(yàn)。雖然目前在高等級的公路中，改性瀝青混凝土路面得到了廣泛的應(yīng)用；但在城鎮(zhèn)次干道、輔路、人行道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路，普通瀝青混凝土路面仍然被大量使用。

為了有效降低路面病害，纖維瀝青混合料成為常采用的改善路面性能的材料之一^[1]。纖維由于其各自不同的特性，可以在瀝青混合料中發(fā)揮橋接阻裂、界面增強(qiáng)效應(yīng)和穩(wěn)定瀝青的作用^[2]。本文選用的水鎂石纖維以氫氧鎂石為主要生產(chǎn)原料，在中國、俄羅斯等國家均有豐富儲量，纖維易從其中分離、產(chǎn)出量大，作為當(dāng)前石棉纖維的首選替代用品及性能優(yōu)異且價(jià)格低廉的一種礦物纖維，目前在瀝青路面的應(yīng)用較少^[3]；海泡石纖維是一種可以在自然情況下獲得的礦物纖維，具有比表面積大、吸放濕性好、吸附性強(qiáng)、阻燃隔熱、耐高溫，并且在使用過程中不會因?yàn)榄h(huán)境原因而發(fā)生腐蝕^[4]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知^[5-7]，水鎂石纖維由于橋聯(lián)加筋作用對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的性能改善，而海泡石纖維由于比表面積大對瀝青表現(xiàn)極強(qiáng)吸持能力，可以有效調(diào)節(jié)瀝青與膠漿的含量，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均有較好的改善。

因此，將兩種纖維混合摻入到瀝青混合料中，探究其對路面的性能改善效果，為提高普通瀝青混凝土路面質(zhì)量提供參考，并進(jìn)一步探究其性價(jià)比。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料的選擇

瀝青選用湖北某公司生產(chǎn)提供的A級70^#普通瀝青，其主要性能指標(biāo)，見表1。

集料采用湖北京山開采的石料，礦粉來源為石灰?guī)r碾細(xì)過篩得到。本研究選用的水鎂石纖維和海泡石纖維由河北省靈壽縣一家企業(yè)提供。纖維原材料見圖1。兩種纖維性能指標(biāo)見表2。

1.2 礦料級配

試驗(yàn)采用AC-13配比瀝青混合料，礦料級配見表3。合成級配曲線如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的試件共設(shè)計(jì)為七個(gè)組別。分別為不摻纖維，單摻0.3%水鎂石纖維，單摻0.3%海泡石纖維，水鎂石與海泡石纖維占瀝青混合料總重的0.3%的前提下以1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的比例摻入^[8]。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011） ^[9]，采用車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)對七組瀝青混合料試件進(jìn)行高溫、低溫和水穩(wěn)定性試驗(yàn)。

1.3.1 高溫性能測試 依照試驗(yàn)規(guī)程^[9]中T0703-2011介紹的方法制作成型7組瀝青混合料車轍試件，每組3塊。車轍板試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試件成型后需在室溫條件下冷卻12 h，試驗(yàn)溫度為60 ℃，車轍板試件保溫5 h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，輪壓為0.7 MPa，輪碾速率為42次/min。試件成型過程如圖3所示。

1.3.2 低溫性能測試 小梁試件通過試驗(yàn)規(guī)程^[9]制作的車轍試件切制而來，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，小梁跨徑為200 mm。試驗(yàn)溫度-10 ℃，中點(diǎn)加載，加載速率為5 cm/min。小梁彎曲試驗(yàn)如圖4所示。

1.3.3 水穩(wěn)定性能測試 依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程^[9]成型瀝青混合料的浸水馬歇爾試件。文獻(xiàn)[10]研究表明，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)時(shí)，試件是否達(dá)到飽水狀態(tài)對馬歇爾殘留穩(wěn)定度有較大影響，而試件的飽和狀態(tài)取決于浸水時(shí)間和空隙率。本文成型的馬歇爾試件的空隙率在3%～5%之間，空隙率在4%以下的試件采用試驗(yàn)規(guī)程^[9]規(guī)定浸水48h，空隙率在4%以上的試件則浸水72 h后檢驗(yàn)其水穩(wěn)定性。具體做法是將試件隨機(jī)分成兩組，一組放入60℃的水浴保溫箱浸泡0.5 h，另一組相同條件下水浴48 h或72 h，分別測定兩組試件的馬歇爾穩(wěn)定度，試驗(yàn)過程如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能

水鎂石和海泡石纖維的摻入對瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和相對變形率的影響見圖6和圖7。與普通瀝青混合料相比，摻入纖維后的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度增大（圖6），車轍試件相對變形率減?。▓D7），高溫穩(wěn)定性能得到不同程度的提升。單摻水鎂石纖維時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高35.3%，相對變形率降低15.4%；單摻海泡石纖維時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高27.8%，相對變形率降低23.0%；當(dāng)水鎂石與海泡石纖維以2∶3的比例混合摻入時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度和相對變形率指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，這種情況下的高溫穩(wěn)定性能最好，其中動(dòng)穩(wěn)定度比不加纖維試件組提高48.4%，相對變形率比不加纖維試件組降低30%。

2.2 低溫性能

水鎂石和海泡石纖維摻量對瀝青混合料的低溫性能試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖8所示。

由表4和圖8可知：纖維的加入使小梁試件的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變得到不同程度的提高。與不摻纖維的試件相比較，單摻海泡石纖維試件的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變提升比單摻水鎂石纖維要大，抗彎拉強(qiáng)度提升11.2%，最大彎拉應(yīng)變提升14.3%；混摻纖維的小梁試件的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變的提升則更加明顯，其中以2∶3混摻水鎂石纖維和海泡石纖維時(shí)小梁的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變提升效果最好，比未摻加纖維時(shí)抗彎拉強(qiáng)度提升12.7%，最大彎拉應(yīng)變提升23.0%。

2.3 水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗(yàn)下，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度結(jié)果如表5和圖9所示。

由表 5和圖9可知，與浸水前相比，浸水后標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的穩(wěn)定度均有不同程度的下降。與未添加纖維的情況相比，纖維的摻入對瀝青混合料水穩(wěn)定性均有所改善，但改善效果不明顯，改善幅度約為4%～7%。其中水鎂石與海泡石纖維以3∶2和1∶4的比例混合摻入時(shí)，穩(wěn)定性下降的比例最小，均為10%，但對于3∶2混合摻入的瀝青混合料，浸水前后的穩(wěn)定度均高于1∶4混合摻入的瀝青混合料，因此水鎂石和海泡石纖維以3∶2混合摻入瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好。

由上述試驗(yàn)結(jié)果知：水鎂石纖維和海泡石纖維加入瀝青混合料后，可能是由于纖維的橋聯(lián)加筋、吸附等作用，發(fā)揮了正混雜效應(yīng)，使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能得到了提高。

3 成本性能分析

利用功效系數(shù)法，結(jié)合總成本以及路用性能兩個(gè)因素確定最佳的纖維摻入方案^[11]。對各項(xiàng)指標(biāo)按照公式1進(jìn)行合成，得出總功效系數(shù)（圖10）?？偣π禂?shù)的數(shù)值越大，表示混合料的性價(jià)比越高。

式中：D為總功效系數(shù)d^w_ii為加權(quán)后的系數(shù)；w_i為權(quán)數(shù)。

由圖10可以看出，當(dāng)水鎂石纖維和海泡石纖維以1∶4的比例加入時(shí)，總功效系數(shù)最大，性價(jià)比最高。

4 結(jié)論

本文研究了水鎂石纖維和海泡石纖維單獨(dú)及混合摻入對于瀝青混合料高溫，低溫，水穩(wěn)定性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）與不摻或單獨(dú)摻加水鎂石或海泡石纖維相比，混摻水鎂石／海泡石纖維可提升瀝青混合料的路用性能。

2）在所有七組不同配比中，水鎂石與海泡石纖維以2∶3混合摻入時(shí)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能最好，與未摻加纖維相比，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變分別提升48.4%、12.7%、23.0%。

3）水鎂石和海泡石纖維的摻入對于瀝青混合料的水穩(wěn)定性提升效果不明顯，效果最好的是水鎂石和海泡石纖維以3∶2混合摻入瀝青混合料的試件組，其馬歇爾試件的殘留穩(wěn)定度與沒有加入纖維的試件組相比提高7.1%。

4）引入功效系數(shù)法對其路用性能和總成本進(jìn)行分析。得到水鎂石纖維與海泡石纖維以1∶4的比例加入到混合料中時(shí)性價(jià)比最高。

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Experimental Study on Road Performance of Brucite Fiber

and Sepiolite Fiber Asphalt Mixture

LI Xiangyang¹，HU Junan¹，CHEN Yueshun¹，JIANG Leiming²

（1 School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China;

2 China Construction First Bureau（Group） Co.， Ltd. Northwest Company， Xian 710065，China）

Abstract：Brucite fiber and sepiolite fiber were separately and mixed into AC-13 asphalt mixture. The pavement performance of asphalt mixture with 0.3% total fiber content was studied by rutting test， trabecular bending test and soaking Marshall test. The results show that the high temperature， low temperature and water stability of asphalt mixture can be improved by adding fiber. The performance of mixed fiber asphalt mixture is better than that of single mixture. When brucite and sepiolite fibers are mixed at a mass ratio of 2∶3， their properties are the best at high and low temperatures. Water stability is best when fibers are mixed in a ratio of 3∶2. In addition， the efficiency coefficient method was introduced to determine the optimal fiber incorporation scheme. The ratio of brucite to sepiolite fiber was 1∶4 when it was added to the mixture.

Keywords：asphalt mixture; mixed fibers; pavement performance

[責(zé)任編校：裴 琴]