不同類型纖維改性O(shè)GFC-13瀝青混合料路用性能研究

肖杰 黃詩(shī)洪 王子威

作者簡(jiǎn)介：

肖?杰（1992—），碩士，工程師，主要從事公路工程建設(shè)管理工作。

為研究不同類型纖維對(duì)OGFC-13瀝青混合料路用性能的影響，文章選取了玻璃纖維、木質(zhì)纖維和玄武巖纖維三種常見(jiàn)纖維，對(duì)纖維改性的瀝青膠漿進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)和三大指標(biāo)性能試驗(yàn)，分析不同纖維摻量下的最佳油石比，研究不同纖維摻量對(duì)OGFC-13瀝青混合料高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性等基本路用性能的改性效果，并采用肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維改性瀝青混合料的抗松散性。結(jié)果表明：三種類型纖維均可明顯改善瀝青膠漿的抗拉拔性能，同時(shí)提高其基本性能；玻璃纖維的添加可顯著提高OGFC-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，且隨著玻璃纖維摻量的增加呈先遞增后減小的趨勢(shì)，針對(duì)不同性能，其最佳摻量存在差異，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)，表現(xiàn)出最佳的高溫抗車轍性能，而低溫性能和水穩(wěn)定性最好時(shí)的纖維摻量為0.4%；添加纖維能有效地提高混合料的抗松散性，但過(guò)量的纖維摻量會(huì)降低其增強(qiáng)效果。

道路工程；纖維改性；瀝青混合料；路用性能；抗松散性能

U414.1A160574

0?引言

OGFC級(jí)配具有20%左右的大空隙率，可快速排出路面上的雨水，并顯著吸收交通噪聲［1］。此外，由于OGFC的粗糙表面，車輛輪胎和路面之間的摩擦力更好，提高了行車在潮濕條件下的行駛安全性。為了實(shí)現(xiàn)較大的空隙率，這種設(shè)計(jì)通常為具有較少的細(xì)顆粒，會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度和耐久性降低。在瀝青混合料中使用纖維不僅可增強(qiáng)抗疲勞和車轍性能，還能提高其抗松散性和水穩(wěn)定性［2］。同時(shí)，纖維的良好吸附能力使其能夠穩(wěn)定OGFC瀝青混合料中過(guò)量的游離瀝青，有效緩解瀝青耐久性問(wèn)題。

為此，許多研究人員專注于纖維改性瀝青效果的研究。高穎等［3］研究結(jié)果表明，玻璃纖維的加入對(duì)排水瀝青混合料的高中低溫性能和水穩(wěn)定性具有良好的改善作用。黃永發(fā)［4］探討了不同玄武巖纖維摻量對(duì)開(kāi)級(jí)配瀝青混合料路用性能的影響，確定了綜合性能最優(yōu)的玄武巖纖維摻量為0.3%。崔世富［5］研究了木質(zhì)纖維對(duì)多孔瀝青混合料各項(xiàng)路用性能的改性效果。查旭東等［6］在OGFC瀝青混合料中摻入不同含量的玄武巖纖維，研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)OGFC混合料的高低溫性能和水穩(wěn)性有增強(qiáng)效果，建議玄武巖纖維的最佳含量為0.4%。劉明金等［7］研究了級(jí)配、鋼渣摻量及油石比對(duì)透水混合料路用性能的影響，結(jié)果表明鋼渣摻量和油石比分別為25%和5%時(shí)，混合料的綜合性能最佳。梁庭熹等［8］采用無(wú)損檢測(cè)手段檢驗(yàn)了OGFC-13在惠清高速公路中的應(yīng)用效果，并進(jìn)行了有限元模型分析。陶志鵬［9］對(duì)纖維改性透水瀝青混合料的空隙率與透水性的關(guān)系進(jìn)行了研究，分析了纖維對(duì)路用性能的改善效果。

盡管已經(jīng)證實(shí)了一些不同纖維的良好性能，但市場(chǎng)上的纖維種類繁多，在原料來(lái)源、密度、抗拉強(qiáng)度和改性效果等方面存在差異。此外，研究者們側(cè)重于多孔瀝青混合料的基礎(chǔ)性能研究，而對(duì)其抗松散性能關(guān)注較少，路面在氧化、氣候條件和行車荷載及動(dòng)水沖刷的綜合影響下，會(huì)使瀝青與集料間的膠結(jié)能力逐步降低，加劇集料的脫落和飛散。

為此，本研究選擇玻璃纖維、木質(zhì)纖維和玄武巖纖維，制備了三種纖維改性瀝青，進(jìn)行了拉拔強(qiáng)度、針入度、軟化點(diǎn)和延度性能測(cè)試，綜合確定最佳的纖維類型，并據(jù)此對(duì)纖維改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以確定不同纖維含量下的最佳油石比；同時(shí)對(duì)混合料的基本路用性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過(guò)肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同纖維改性O(shè)GFC瀝青混合料的抗松散性能，確定各性能下最佳纖維摻量，以期為同類工程建設(shè)提供參考。

1?原材料與試驗(yàn)方法

1.1?原材料

1.1.1?瀝青

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94%的SBS改性瀝青，并摻6%的高黏改性劑，制備高黏SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，其主要性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.1.2?集料

試驗(yàn)所用粗細(xì)集料均為輝綠巖，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.1.3?纖維

選擇瀝青路面行業(yè)常用的三種代表性纖維，即玻璃纖維、木質(zhì)纖維、玄武巖纖維，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

1.1.4?集料級(jí)配

OGFC-13瀝青混合料的合成級(jí)配見(jiàn)表4。

1.2?試驗(yàn)方法

1.2.1?纖維類型比選

（1）粘附性試驗(yàn)。采用拉拔儀［10］測(cè)試不同纖維與瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度。

（2）纖維改性瀝青膠漿性能試驗(yàn)。將瀝青和纖維分別加熱至接近150 ℃和105 ℃，以保持其充分干燥；然后，將不同類型和含量的纖維加入瀝青中，通過(guò)攪拌機(jī)高速攪拌，以確保纖維的分散均勻性，完成纖維改性瀝青膠漿的制備。隨后進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)。

1.2.2?路用性能及抗松散性能試驗(yàn)

根據(jù)纖維比選試驗(yàn)結(jié)果，基于OGFC-13級(jí)配制備纖維改性瀝青混合料。選擇不同含量的纖維（0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，從而確定不同纖維含量下的最佳油石比。同時(shí)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）進(jìn)行高低溫性能、水穩(wěn)定性等基本路用性能試驗(yàn)，并采用肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維改性瀝青混合料的抗松散性。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?纖維類型比選

2.1.1?纖維改性瀝青拉拔性能

不同纖維與瀝青拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，不同的纖維及其埋入深度對(duì)瀝青的粘結(jié)性能有一定的影響，隨著纖維埋入深度的增加，纖維與瀝青之間的強(qiáng)度顯著提高，但不同纖維類型的改善程度不同，玻璃纖維具有最好的改善效果，其次是玄武巖纖維和木質(zhì)纖維，表明玻璃纖維與瀝青具有良好的粘結(jié)力。

2.1.2?纖維改性瀝青膠漿性能

2.1.2.1?針入度

三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿在25 ℃的針入度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，三種纖維改性瀝青膠漿的針入度值隨著纖維含量的增加而降低。這是因?yàn)樘砑永w維后形成的纖維網(wǎng)絡(luò)會(huì)限制瀝青結(jié)合料的流動(dòng)性，從而提高瀝青結(jié)合料的稠度，降低結(jié)合料的溫度敏感性。與玄武巖纖維和木質(zhì)素纖維相比，玻璃纖維對(duì)瀝青膠漿的針入度影響最大，即具有更顯著的增黏作用。

2.1.2.2?軟化點(diǎn)

三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？芍N纖維改性瀝青膠漿的軟化點(diǎn)隨纖維含量的增加基本呈線性增加，說(shuō)明纖維的加入增強(qiáng)了瀝青的高溫穩(wěn)定性。纖維對(duì)瀝青的高溫改進(jìn)效果依次為：玻璃纖維＞玄武巖纖維＞木質(zhì)纖維。

2.1.2.3?延度

圖4給出了三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿的5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯鋈N纖維改性瀝青膠漿的延度隨著纖維含量的增加而下降，這意味著應(yīng)為每種纖維選擇合適的含量，因?yàn)槔w維含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致低溫性能變差。

對(duì)三種纖維改性瀝青膠漿性能綜合比選后，選擇玻璃纖維作為有利的纖維類型。

2.2?最佳油石比確定及路用性能

2.2.1?最佳油石比

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同玻璃纖維含量的馬歇爾試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，最終得到不同玻璃纖維含量下的最佳油石比如圖5所示。由圖5可知，最佳油石比隨玻璃纖維摻量增加而增加，這可能是由于玻璃纖維吸附到瀝青上造成的，加入玻璃纖維后，瀝青的一部分質(zhì)量被玻璃纖維吸收，說(shuō)明瀝青混合料需要更多的瀝青來(lái)補(bǔ)充損失的質(zhì)量，才能達(dá)到最佳性能。

2.2.2?高溫性能

對(duì)5種不同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料在最佳油石比含量下進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。玻璃纖維摻入明顯提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨玻璃纖維摻量的增加先增加后降低。在0.2%玻璃纖維摻量下達(dá)到峰值，較未摻玻璃纖維的增加了30.3%。這可能是因?yàn)椴ＡЮw維摻量較低時(shí)，纖維可以充分分散在瀝青混合料中。在最佳摻量之前，混合料的高溫穩(wěn)定性隨玻璃纖維含量增加而迅速提高，當(dāng)其含量超過(guò)最佳摻量時(shí)，由于在瀝青混合料中分散不均勻和瀝青的過(guò)度吸附導(dǎo)致纖維結(jié)塊現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)降低高溫穩(wěn)定性。因此，就高溫性能而言，最佳玻璃纖維摻量為0.2%。

2.2.3?低溫性能

圖7為低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果，由圖可知玻璃纖維改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與未改性試件相比，在添加玻璃纖維后略有改善。隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的最大拉應(yīng)力和應(yīng)變呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中劈裂強(qiáng)度和破壞拉伸應(yīng)變?cè)诓ＡЮw維摻量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值。主要是因?yàn)椴ＡЮw維摻量相對(duì)較低，通過(guò)在瀝青混合料中均勻分布并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以提高瀝青混合料的低溫力學(xué)性能。但玻璃纖維含量較高時(shí)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，降低了低溫下的強(qiáng)度，但性能仍優(yōu)于未摻加纖維。

2.2.4?水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖8所示，可知所有試件的殘留穩(wěn)定度值均＞80%。隨著玻璃纖維摻量的增加，整體上殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均先升高后降低，且均在玻璃纖維摻量為0.4%時(shí)出現(xiàn)峰值。當(dāng)玻璃纖維摻量＜0.4%時(shí)，纖維和瀝青之間的界面粘附性將得到提高，并且水分敏感性也會(huì)得到改善。然而，一旦超過(guò)最佳摻量，過(guò)多的瀝青含量可能會(huì)損害混合料骨架結(jié)構(gòu)，降低潮濕條件下的強(qiáng)度。

2.2.5?抗松散性

圖9給出了肯塔堡飛散試驗(yàn)的結(jié)果。由圖9可知，未經(jīng)玻璃纖維改性的OGFC混合料的飛散損失值超過(guò)了20%，不符合規(guī)范要求，說(shuō)明其易散開(kāi)。添加玻璃纖維有效地提高了混合料的抗松散性，但不同玻璃纖維摻量的改善程度不同。當(dāng)玻璃纖維摻量＞0.4%時(shí)，其抗松散性較最佳摻量降低了14.6%。過(guò)量纖維的這種負(fù)面影響可歸因于兩方面：（1）過(guò)多的纖維吸收了更多瀝青，導(dǎo)致骨料之間的粘合不足；（2）在制備時(shí)纖維結(jié)塊過(guò)多，導(dǎo)致纖維分散不均勻。

3?結(jié)語(yǔ)

（1）玻璃纖維、木質(zhì)纖維和玄武巖纖維三種類型的纖維均可明顯改善瀝青膠漿的抗拉拔性能，同時(shí)提高其基本性能。通過(guò)比選，確定最有利的纖維類型是玻璃纖維。OGFC-13瀝青混合料的最佳油石比隨著纖維摻量的增加而增加，可能是由于纖維吸附到瀝青上造成的。

（2）玻璃纖維的添加可顯著提高OGFC-13瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能，且隨著玻璃纖維摻量的增加呈先遞增后減小的趨勢(shì)，針對(duì)不同性能，其最佳摻量存在差異，當(dāng)纖維摻量為0.2%時(shí)，表現(xiàn)出最佳的高溫抗車轍性能，而低溫性能和水穩(wěn)定性最好時(shí)的纖維摻量為0.4%。

（3）肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果表明，添加玻璃纖維能有效提高混合料的抗松散性，但過(guò)量纖維摻量會(huì)降低改善效果，說(shuō)明過(guò)多的纖維吸收了更多的瀝青，導(dǎo)致骨料間粘合不足，同時(shí)在進(jìn)行制備時(shí)纖維結(jié)塊過(guò)多，導(dǎo)致纖維分散不均勻也是一個(gè)主要原因。

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