纖維種類(lèi)與摻量對(duì)微表處混合料路用性能的影響

劉建虎 韓素會(huì)

（平山縣暢通公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河北 石家莊 050400）

道路工程運(yùn)行質(zhì)量和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作的開(kāi)展有著密切聯(lián)系，有效的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)能夠延長(zhǎng)道路工程使用壽命，提高路面行駛體驗(yàn)，提高運(yùn)行安全性。目前，我國(guó)道路養(yǎng)護(hù)里程數(shù)達(dá)到600萬(wàn)公里以上，并且仍在不斷增加。如何有效開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，成為道路養(yǎng)護(hù)工作者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)抗車(chē)轍能力較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的耐磨損性能和防滑能力，在瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程中具有廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代后，我國(guó)逐漸引入微表處技術(shù)，但并未第一時(shí)間推廣應(yīng)用，直到90年代后該技術(shù)才逐漸應(yīng)用到工程實(shí)踐中。2000年，微表處技術(shù)在“國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”“西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目計(jì)劃”等一系列文件中被強(qiáng)調(diào)，而后，經(jīng)工程界、學(xué)界共同努力，研發(fā)出一系列改性乳化瀝青、改性劑和乳化劑，相關(guān)技術(shù)內(nèi)容得到快速充實(shí)。2004年，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中進(jìn)一步明確了微表處技術(shù)的原料要求、技術(shù)方法及應(yīng)用要求，規(guī)范了施工流程。

董志宏等[1]分析了復(fù)式加筋微表處中使用玄武巖纖維作為添加劑的應(yīng)用效果，并在試驗(yàn)路段中施工探究其具體性能，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入有效提升了微表處耐磨性能和抗車(chē)轍能力。姚曉光等[2]分析了纖維的摻量、種類(lèi)、油石比等因素對(duì)纖維微表處施工效果的影響，結(jié)果顯示，摻入0.1%～0.25%纖維、選用7.0%～7.5%油石比時(shí)，微表處路用性能最佳。張爭(zhēng)奇[3]通過(guò)構(gòu)建衰變方程分析了纖維微表處加鋪層性能，并比較普通微表處、玄武巖纖維和聚丙烯纖維微表處的路用性能差異，結(jié)果顯示，使用聚丙烯纖維加鋪磨耗層可以延長(zhǎng)道路使用壽命。

劉軍營(yíng)等[4]基于正交試驗(yàn)分析纖維微表處路用性能的主要影響因素，開(kāi)展輪轍變形試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)，結(jié)果顯示，纖維摻量是影響微表處路用性能的關(guān)鍵因素，并驗(yàn)證了文獻(xiàn)[2][3]的結(jié)論。龍旭日[5]等人分析了瀝青微表處中添加外加劑種類(lèi)對(duì)路用性能的影響，結(jié)果顯示，木質(zhì)素纖維施工具有不穩(wěn)定性，聚丙烯纖維施工便利但拌和時(shí)間較長(zhǎng)。

我國(guó)引入應(yīng)用微表處養(yǎng)護(hù)技術(shù)時(shí)間相對(duì)較短，但在工程界和學(xué)術(shù)界共同努力下，微表處技術(shù)應(yīng)用得到快速發(fā)展，精表處、間斷型級(jí)配微表處、降噪型微表處和復(fù)合封層微表處等技術(shù)層出不窮[6]。

但近些年來(lái)瀝青工程應(yīng)用微表處技術(shù)開(kāi)展養(yǎng)護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，微表處混合料經(jīng)常出現(xiàn)抗裂性能不足等問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)微表處而言，纖維微表處路用性能更強(qiáng)[7]。雖然目前學(xué)界已經(jīng)針對(duì)纖維微表處開(kāi)展大量研究，但針對(duì)不同類(lèi)型纖維微表處的對(duì)比研究數(shù)量和質(zhì)量均相對(duì)較少[8]。本文由此出發(fā)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式分析對(duì)比了玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚丙烯纖維在不同摻量條件下的路用性能水平，希望為纖維微表處預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)踐提供參考。

1 原材料

1.1 改性乳化瀝青

該試驗(yàn)采用70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，摻入4%的SBS，選用慢裂快凝型陽(yáng)離子瀝青乳化劑，獲得SBS改性乳化瀝青。該材料蒸發(fā)殘留物含量試驗(yàn)為62.8%，大于60%規(guī)范值，篩余量為0.03%，在0.1%的規(guī)范要求以?xún)?nèi)，1d存儲(chǔ)穩(wěn)定性和5d存儲(chǔ)穩(wěn)定性分別為0.55、2.9，軟化點(diǎn)和延度、針入度分別為60℃、27cm和59mm，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 礦料

試驗(yàn)選用礦料為石灰石料，粒徑包含5mm～10mm、3mm～5mm和0mm～3mm，各組礦料性能水平均符合工程規(guī)范要求。

1.3 纖維

試驗(yàn)選用纖維材料分別為聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維，長(zhǎng)度均為6mm。其中，玄武巖纖維密度為2.64g/cm3，當(dāng)量直徑為6mm，斷裂延伸率為3.2%，抗拉強(qiáng)度為1260MPa；木質(zhì)素纖維密度為2.47g/cm3，當(dāng)量直徑為10mm，斷裂延伸率為9.3%，抗拉強(qiáng)度為310MPa；聚丙烯纖維當(dāng)量直徑為30mm～40mm，密度為0.92g/cm3，斷裂延伸率高于15%，抗拉強(qiáng)度大于270MPa。

1.4 填料

試驗(yàn)填料包含石灰石礦粉、P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

2 纖維微表處混合料的配合比設(shè)計(jì)及其制備

2.1 配合比設(shè)計(jì)

使用MS-3型級(jí)配作為上述三種纖維混合料的級(jí)配類(lèi)型，設(shè)定用水量、最佳油石比和水泥摻量分別為7%、0.2%和0.2%，使用不同纖維摻量，具體為0.3%、0.25%、0.2%、0.15%、0.1%、0.05%和0。具體級(jí)配如表1所示。

表1 纖維微表處混合料級(jí)配

2.2 微表處混合料試件制備

將前期準(zhǔn)備的不同組纖維、礦粉和水泥加入粒徑為0mm～3mm的石灰石料中，攪拌均勻后再加入粒徑為3mm～5mm、5mm～10mm的石灰石料，分別攪拌均勻后加水，放入SBS改性乳化瀝青并繼續(xù)攪拌，直到所得混合料具有良好流動(dòng)狀態(tài)為止，制備并測(cè)試試件路用性能。

3 纖維微表處混合料路用性能分析

以《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》為依據(jù)，對(duì)三組纖維微表處混合料開(kāi)展?jié)褫喣ズ脑囼?yàn)，其中抗磨耗能力評(píng)價(jià)指標(biāo)以1h濕輪磨耗值為依據(jù)，抗水損害能力評(píng)價(jià)指標(biāo)以6d磨耗值為依據(jù)[9]。

3.1 抗磨耗性能

對(duì)三組材料開(kāi)展1h濕輪磨耗試驗(yàn)，結(jié)果顯示，三種纖維微表處混合料1h濕輪磨耗值均隨纖維摻量增加而表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，其中，纖維微表處磨耗值在纖維摻量0.3%時(shí)快速增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)均超出《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》明確的540g/m2，究其原因在于，摻入適量纖維時(shí)，纖維材料吸附了微表處混合料中存在的過(guò)量瀝青，有效提升了集料黏聚力，進(jìn)而提高了微表處混合料抗磨耗能力[10]。而隨著纖維摻量進(jìn)一步增加，瀝青已經(jīng)難以完全包裹纖維材料，降低了集料黏聚力，宏觀表現(xiàn)為微表處混合料抗磨耗性能下降。

3.2 抗水損性能

對(duì)三組材料開(kāi)展6h濕輪磨耗試驗(yàn)，具體結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著纖維摻量增加，三種纖維微表處混合料6d濕輪磨耗值的變化趨勢(shì)均為先減小后增加。其中，纖維摻量從0%增加至0.1%時(shí)，三組纖維微表處混合料6d磨耗值均有所降低，原因在于在混合料中摻入適量纖維后，混合料內(nèi)部多余瀝青包裹纖維，強(qiáng)化黏結(jié)力的同時(shí)降低磨耗值。而當(dāng)混合料中纖維摻量增加至0.3%時(shí)，纖維微表處磨耗值顯著增加，其中，聚丙烯纖維、玄武巖纖維磨耗值均小于800g/m2，符合相關(guān)規(guī)定要求[11]。該線(xiàn)性原因在于摻入過(guò)量纖維后瀝青已經(jīng)難以完全包裹纖維材料，纖維分散性能下降，最終表現(xiàn)為材料抗水損能力下降。

3.3 抗輪轍變形能力

以《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》中描述為依據(jù)，對(duì)三種纖維微表處混合料開(kāi)展抗輪轍變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 纖維微表處混合料輪寬變形率變化曲線(xiàn)

由圖2可知，纖維摻量相同條件下，玄武巖纖維微表處變化最小，聚丙烯纖維微表處和木質(zhì)素纖維微表處依次增大。該結(jié)果說(shuō)明玄武巖纖維微表處具有最強(qiáng)的抗車(chē)轍變形能力。究其原因在于木質(zhì)素纖維吸油量曲線(xiàn)呈分散性排布，且吸油量較大，而聚丙烯纖維、玄武巖纖維吸油量呈線(xiàn)性排布，吸油量較小，因而具有較強(qiáng)的抗車(chē)轍變形能力[2]。三組微表處混合料輪轍寬度變形率隨纖維摻量增加均表現(xiàn)出先降低后增加的發(fā)展趨勢(shì)。其中，纖維摻量從0%提升至2%的過(guò)程中，三組纖維微表處混合料車(chē)轍寬度變形率就有所降低，而纖維摻量進(jìn)一步增加至0.3%時(shí)，車(chē)轍寬度變形率顯著提升，原因在于摻加適量纖維后，纖維吸附混合料中存在的自由瀝青，增加了集料表面瀝青膜厚度，進(jìn)一步提高了微表處抗車(chē)轍變形能力。而瀝青摻量增加后，混合料中瀝青不能完全包裹集料，降低瀝青膜寬度的同時(shí)，削弱了微表處混合料抗車(chē)轍變形能力。

3.4 低溫抗裂性能

使用MTS室內(nèi)小梁彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)w維微表處混合料低溫抗裂性能，將試驗(yàn)機(jī)加載速度設(shè)定為50mm/min，處理三組纖維微表處混合料后獲得其彎拉強(qiáng)度、最大拉應(yīng)力變化情況，如圖3、圖4所示。

圖3 彎拉強(qiáng)度

圖4 最大彎拉應(yīng)力

由圖4可知，隨纖維摻量增加，三種纖維微表處混合料彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)力均不斷增大。其中，未摻加纖維微表處混合料最大彎拉應(yīng)力為3248μ∈，抗彎拉應(yīng)力為3.49MPa。摻加纖維量達(dá)到3%時(shí)，聚丙烯纖維、玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維的抗彎拉強(qiáng)度分別提高至5.31MPa、5.47MPa和4.65MPa，最大彎拉應(yīng)力分別提升至5059μ∈、4937μ∈和4326μ∈。這一結(jié)果表明，在微表處混合料中摻入纖維，能夠有效改良其低溫抗裂性能。究其原因在于摻入適量纖維后，微表處混合料裂紋擴(kuò)展得到抑制，混合料抗變形能力、韌性都顯著提升，進(jìn)而強(qiáng)化了微表處低溫抗裂性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

微表處混合料抗水損性能、抗磨耗性能和抗車(chē)轍變形能力均會(huì)隨纖維摻量增加而表現(xiàn)出先降低后增加的變化，其中，摻加0.1%纖維時(shí)，混合料的抗水損性能、抗磨耗性能達(dá)到最高值，摻加0.2%纖維時(shí)，混合料微表處抗車(chē)轍變形性能達(dá)到最大值。纖維含量提升，微表處混合料低溫抗裂性能不斷提升，原因在于纖維的摻入限制了微表處混合料裂紋發(fā)展。結(jié)合低溫抗裂性能測(cè)試、抗車(chē)轍變形能力測(cè)試、抗水損性能和抗磨耗性能來(lái)看，摻加0.2%玄武巖纖維的微表處混合料具有最好的路用性能，推薦應(yīng)用該材料開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程。