凍融對(duì)玄武巖纖維瀝青混凝土的高溫性能研究

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130018

0 前言

在夏季溫度較高時(shí)或渠化交通路段處,瀝青路面應(yīng)具有足夠的高溫穩(wěn)定性。倘若路面材料本身具備較強(qiáng)的抗剪切能力,其修成的路面就能承受較高的水平力荷載而不會(huì)發(fā)生車轍病害。高溫穩(wěn)定性不足會(huì)減小瀝青路面的服務(wù)使用年限,造成行車的不舒適,同時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度也有影響。因此提高瀝青混凝土路面的高溫路用性能,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

玄武巖纖維作為新型環(huán)保材料,應(yīng)用到瀝青混凝土中,不僅對(duì)瀝青混凝土的路用性能有所改善,而且對(duì)其強(qiáng)度的基本參數(shù)也產(chǎn)生影響,從微觀上改善了基體的性質(zhì),彌補(bǔ)了高溫下瀝青遷移性的這一缺陷,增強(qiáng)了瀝青混凝土在凍融循環(huán)交替作用下的抵抗外荷載破壞的能力。

1 玄武巖纖維瀝青混凝土高溫路用性能試驗(yàn)方法的確定

高溫路用性能的檢測(cè)試驗(yàn)包括直接試驗(yàn)(實(shí)際路面)和間接試驗(yàn)(室內(nèi)小型車轍板和大型環(huán)道等)。本論文的高溫路用性能研究,因試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限,且間接試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際工程應(yīng)用的相關(guān)性很好,所以選用小型車轍板的動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)。

混合料的級(jí)配類型選為AC-13,輪碾成型試件尺寸為30cm×30cm×5cm。1次凍融循環(huán)條件是將一組試件放入溫度15℃的恒溫水浴中恒溫12小時(shí),然后再放入溫度-10℃恒溫水浴中12小時(shí),每組平行試件為3個(gè)。試驗(yàn)輪為橡膠輪且實(shí)心的,寬50mm,厚15mm,輪的直徑是200mm,車轍板承受的壓強(qiáng)是0.7MPa±0.05MPa,行走速度為42±1次/min,行程為23cm±1cm。試驗(yàn)溫度為60℃,且試驗(yàn)每組試件均在恒溫箱中恒溫6小時(shí)以上。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)規(guī)程中動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算公式,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維對(duì)凍融后瀝青混凝土的高溫路用性能的影響變化規(guī)律。本論文對(duì)5個(gè)凍融循環(huán)后的玄武巖纖維瀝青混凝土和未加入玄武巖纖維的瀝青混凝土各自的動(dòng)穩(wěn)定度和永久變形數(shù)值大小的變化趨勢(shì)進(jìn)行了柱狀圖繪制,具體結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 高溫性能指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

從圖1可知,瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性因?yàn)樾鋷r纖維的加入而得到提高,其中玄武巖纖維瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度最大數(shù)值大約是沒(méi)有加入玄武巖纖維瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度值的1.18倍,而永久變形數(shù)值下降程度最大為28.3%。究其原因有兩個(gè),一方面是玄武巖纖維有效加大了瀝青混凝土材料的粘結(jié)力,其表征參數(shù)c,第二方面是玄武巖纖維具有傳遞應(yīng)力的作用。

瀝青混凝土中分布的玄武巖纖維絲,由于纖維絲直徑以微米單位度量,故其比表面積很大,所以在幾種形式的瀝青中,結(jié)構(gòu)瀝青的比例有所增加,同時(shí)玄武巖纖維絲表面的硅烷偶聯(lián)劑能強(qiáng)烈的與瀝青進(jìn)行吸附,并且不易被水置換,同瀝青有很好的親和性,這幾方面都會(huì)提高瀝青的粘結(jié)力,大大減小水對(duì)石料表面瀝青膜的置換,故經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,玄武巖纖維瀝青混合料的粘結(jié)力基本不會(huì)變化。

在諸多教材中,路面材料的強(qiáng)度判別式可以很好解釋瀝青混凝土在外荷載作用下發(fā)生的車轍深淺。這個(gè)判別公式左端部分是代表活動(dòng)剪應(yīng)力,當(dāng)路面材料處于極限平衡狀態(tài),活動(dòng)剪應(yīng)力等于粘結(jié)力c;當(dāng)路面材料處于粘彈性變形狀態(tài)時(shí),活動(dòng)剪應(yīng)力小于粘結(jié)力c;當(dāng)路面材料將出現(xiàn)塑性變形時(shí),活動(dòng)剪應(yīng)力大于粘結(jié)力c時(shí)。從圖1中可知,加入玄武巖纖維后瀝青混凝土粘結(jié)力c提高的一個(gè)定量間接證明,就是混合料永久變形的試驗(yàn)數(shù)值較小。

玄武巖纖維在瀝青混凝土基體中的分布均勻與否,主要由纖維含量和長(zhǎng)度的合理與否來(lái)決定。合理長(zhǎng)度的纖維和合理的含量,能夠在瀝青混凝土基體中形成穩(wěn)定均勻的空間加筋結(jié)構(gòu),這個(gè)穩(wěn)定均勻的空間加筋結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的有效承擔(dān),會(huì)使瀝青混凝土基體的剪切應(yīng)力提高。

通過(guò)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式中可以知道,如果剪切應(yīng)力提高,同時(shí)材料的粘結(jié)力也增大,那么在這種綜合情況下,材料在外荷載作用下發(fā)生剪切破壞的概率會(huì)大大減小,在宏觀路用性能表現(xiàn)上,就是瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提高。所以玄武巖纖維瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于沒(méi)有加入玄武巖纖維的瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。

從圖1中可知,在玄武巖纖維長(zhǎng)度大于最佳長(zhǎng)度值時(shí),其在瀝青基體中的分布均勻性相對(duì)變差,結(jié)團(tuán)現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn),加大瀝青混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的先天缺陷,所以混凝土中承受外荷載的有效骨架結(jié)構(gòu)減少,對(duì)變形起到?jīng)Q定作用的結(jié)構(gòu)瀝青量也相對(duì)于最佳長(zhǎng)度值下的減少,最后造成瀝青混凝土的高溫路用性能降低。在玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量都是合理值時(shí),玄武巖纖維在瀝青混凝土基體中的分布是較為均勻的,所以就會(huì)形成穩(wěn)定空間骨架結(jié)構(gòu),繼而瀝青混凝土的承載荷載能力就強(qiáng),故其高溫穩(wěn)定性指標(biāo)數(shù)值就會(huì)較大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)5種凍融循環(huán)后的玄武巖纖維瀝青混凝土進(jìn)行了高溫車轍室內(nèi)試驗(yàn)研究,表明合理長(zhǎng)度和合理?yè)搅康男鋷r纖維可以改善瀝青混凝土的高溫路用性能。詳細(xì)體如下:

1.在凍融循環(huán)后,玄武巖纖維瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度其最大試驗(yàn)數(shù)值大約是基質(zhì)瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)值的1.65倍。

2.在凍融循環(huán)后,玄武巖纖維瀝青混凝土的永久變形試驗(yàn)數(shù)值比基質(zhì)瀝青混凝土的永久變形試驗(yàn)數(shù)值降低35.2%。