纖維改良橋面鋪裝層瀝青材料路用性能研究

摘要：為了研究纖維改良橋面鋪裝層瀝青材料的路用性能，文章結(jié)合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實(shí)際使用情況，對(duì)橋面鋪裝層的病害特點(diǎn)及其形成機(jī)理進(jìn)行分析，提出采用纖維材料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行改性并評(píng)價(jià)其路用性能。結(jié)果表明：纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變以及凍融水穩(wěn)性，但會(huì)降低瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比。參考文獻(xiàn)：

關(guān)鍵詞：纖維；橋面鋪裝層；路用性能；環(huán)氧瀝青混合料

中圖分類號(hào)：U443.33

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，橋隧工程的建設(shè)也在日益完善。橋面鋪裝層作為大跨徑鋼橋的主體部分之一，起到承上啟下的作用，因此對(duì)強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能要求更高。多數(shù)橋面鋪裝層采用環(huán)氧瀝青混合料，環(huán)氧瀝青混合料具有強(qiáng)度高、抗車轍能力強(qiáng)、抗裂性能差等優(yōu)缺點(diǎn)，若能采用纖維材料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行二次改良，則可提高其抗裂、抗疲勞性能，有助于橋梁工程的建設(shè)與施工，因此研究纖維改良橋面鋪裝瀝青材料路用性能顯得尤為重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)改良瀝青材料的路用性能展開了大量的研究。李沛欣［1］提出將廢棄熱固性復(fù)合材料分別作為瀝青混合料的改性劑與填料，結(jié)果表明改性后瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、耐濕熱性能、抗車轍性能以及抗低溫開裂能力均有不同程度的提高，而將玻璃鋼粉末作為瀝青混合料填料后，瀝青混合料的中、高溫性能、抗車轍性和抗疲勞性能也有不同程度的提高；周銘鈺等［2］采用先乳化后改性的方法制備改性乳化瀝青，并采用不同的顆粒級(jí)配方式制備馬歇爾試樣并評(píng)價(jià)其力學(xué)性能，結(jié)果表明水性環(huán)氧樹脂有助于提高乳化瀝青的路用性能；黃燁旻等［3］采用“滲透性防水劑+水性聚氨酯”復(fù)合強(qiáng)化方式對(duì)RAAM、CRAAM以及NAAM的高低溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明CRAAM路用性能最優(yōu)；燕立柱等［4］采用有限元數(shù)值模擬軟件，建立了橋面瀝青鋪裝層數(shù)值模型，分析了荷載作用下鋪裝層應(yīng)力變化規(guī)律，基于此，進(jìn)一步開展室內(nèi)試驗(yàn)，分析不了同瀝青混合料的路用性能，最終基于試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果確定了橋面鋪裝材料的優(yōu)選原則；賈曉東等［5］提出采用無(wú)機(jī)微粉對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，分析了不同粒徑微粉改性后瀝青混合料的水穩(wěn)定性和疲勞性能，結(jié)果表明粒徑的減小有助于提高混合料的水穩(wěn)性以及疲勞性能;盛善望等［6］研究了高溫重載下不同工況下瀝青混合料的抗車轍能力，結(jié)果表明高溫重載下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定性受NRP摻量的影響最為明顯，而礦料種類的變化難以提高混合料的高溫穩(wěn)定性；李悅、張樹文、劉瑞瑞等［7-9］分別研究了水性環(huán)氧乳液、聚合物彈性體以及蓖麻基生物油改性后瀝青混合料的路用性能。

上述學(xué)者的研究主要集中于改良瀝青材料路用性能的研究，或集中于公路層面，而較少涉及橋梁工程中橋面鋪裝層瀝青混合材料的路用性能研究，因此本文結(jié)合室外調(diào)研以及室內(nèi)試驗(yàn)，探究大跨徑鋼橋鋪裝層病害特點(diǎn)，進(jìn)一步提出采用纖維材料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行改性并評(píng)價(jià)材料的路用性能，該研究為大跨徑鋼橋橋面鋪裝層混合料的選擇提供參考。

1 橋梁鋪裝層結(jié)構(gòu)組成及病害特點(diǎn)

1.1 鋪裝層結(jié)構(gòu)組成

橋面混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)由上至下依次可分為：鋪裝上面層、黏層、鋪裝中面層、黏層、鋪裝下面層、防水粘結(jié)層以及鋼橋面板，其中粘層采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑。

結(jié)合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實(shí)際使用情況，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混合料具有良好的路用性能，相比于常規(guī)的瀝青混合料，環(huán)氧瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)性。

1.2 鋪裝層病害特點(diǎn)

鋪裝層病害主要分為縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂以及坑槽等，其中縱向裂縫主要分為兩類：反復(fù)荷載下鋪裝層層面的疲勞破壞以及薄弱處開裂。

鋪裝層病害成因分析：

（1）裂縫成因。早期裂縫先出現(xiàn)于基層位置，當(dāng)基層出現(xiàn)早期裂縫后，瀝青面層由于受到汽車等交通工具的動(dòng)力荷載作用以及外界溫度變化的綜合影響，進(jìn)一步導(dǎo)致瀝青材料出現(xiàn)老化現(xiàn)象，抗裂性能大幅下降，同時(shí)裂縫擴(kuò)展形式呈現(xiàn)由兩頭向中間發(fā)展。

（2）車轍成因。路面車轍形成初期，各面層仍具有良好的抗車轍性能，但隨著路面車轍深度的增加，鋪裝上面層逐漸壓密，上面層抗車轍性能增強(qiáng)，當(dāng)車轍深度達(dá)到某一限值時(shí)，此時(shí)中面層抗車轍性能下降。

（3）老化成因。橋梁鋪裝層長(zhǎng)期受溫度、濕度、腐蝕以及紫外線的影響，導(dǎo)致其使用壽命大幅降低，同時(shí)相比于其余瀝青混合料，鋪裝層瀝青混合料更易出現(xiàn)老化，當(dāng)鋪裝層老化后，其材料強(qiáng)度將大幅降低，使用壽命縮短。

2 改性瀝青混合料

2.1 原材料

原材料主要包括集料與填料、纖維以及環(huán)氧瀝青。參考文獻(xiàn)：

2.1.1 集料與填料

根據(jù)規(guī)范要求，本次試驗(yàn)集料采用玄武巖與石灰?guī)r礦料，集料表面粗糙、質(zhì)地堅(jiān)硬，較為潔凈。填料選用石灰?guī)r礦粉，礦粉干燥、細(xì)膩，其基本性能如表1所示。

2.1.2 纖維

本次試驗(yàn)選用短切玄武巖纖維，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。參考文獻(xiàn)：

2.1.3 環(huán)氧瀝青

環(huán)氧瀝青由環(huán)氧樹脂、瀝青基團(tuán)、增韌劑與偶聯(lián)劑混合而成，其具有固結(jié)速度快、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，常被用于橋面鋪裝層材料，可有效改善橋面鋪裝層的縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂以及坑槽等病害。

環(huán)氧樹脂是一種高分子聚合物，其由多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)聚合而成，環(huán)氧基團(tuán)在氰化物的催化下易與瀝青結(jié)合，產(chǎn)生固化反應(yīng)，形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02-2019）的相關(guān)要求，對(duì)EA-10瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，選與級(jí)配中值相近的級(jí)配曲線作為本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1所示。

根據(jù)規(guī)范中最佳油石比的確定方法，本文結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，擬定EA-10級(jí)配下瀝青混合料的初始油石比為7.5%，通過調(diào)整油石比進(jìn)一步確定環(huán)氧瀝青最佳用量，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)油石比為7.5%時(shí)，瀝青混合料的性能與參數(shù)均滿足規(guī)范要求，基于此進(jìn)一步開展各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：EA-10級(jí)配下，當(dāng)瀝青混合料的油石比為7.5%時(shí)，車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定為35 000次/mm，＞6 000次/mm，低溫小梁彎曲試驗(yàn)中破壞應(yīng)變?yōu)? 268 με，＞3 000 με，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度為96.8%，＞85%，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

如表5所示為不同纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同纖維摻量下瀝青混合料的路用性能，本文對(duì)瀝青混合料開展了車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂抗拉試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了不同纖維摻量下瀝青混合料的抗老化性能。

3.1 車轍試驗(yàn)

依據(jù)《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3364-02-2019）規(guī)范要求，制作試驗(yàn)試塊，試塊尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)溫度為70 ℃，輪壓為0.7 MPa，用試驗(yàn)中的動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，并分別記錄45 min與60 min的車轍深度。

3.2 彎曲試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，制作24個(gè)250 mm×30 mm×35 mm的標(biāo)準(zhǔn)條狀試件，將試件放置于-10 ℃恒溫箱中保溫＞3 h，將試件取出并進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，加載速率為50 mm/min，測(cè)得各試件抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變以及彎曲勁度模量。

3.3 馬歇爾水穩(wěn)性試驗(yàn)

制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件后，將其放置于恒溫水槽中48 h，利用馬歇爾擊實(shí)儀以及馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀測(cè)定浸水后試件的殘留穩(wěn)定度，評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性。對(duì)溫度進(jìn)行處理后也可進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。

3.4 抗紫外老化試驗(yàn)

制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件后，將其放置于紫外老化儀中，試驗(yàn)溫度為40 ℃，試驗(yàn)時(shí)間分別為7 d以及15 d，紫外線波長(zhǎng)為290～400 nm，待試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行穩(wěn)定度試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 高溫穩(wěn)定性分析

圖2所示為車轍試驗(yàn)結(jié)果。

由圖2可知，不同纖維摻量下瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均＞30 000次/mm，高于規(guī)范規(guī)定的6 000次/mm，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性先增大后減小。當(dāng)纖維摻量0.4%時(shí)，改良瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最佳，其主要原因是，環(huán)氧基團(tuán)在氰化物的催化下易與瀝青結(jié)合，發(fā)生固化反應(yīng)，形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，受熱不軟化，同時(shí)適量纖維的摻入使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，而摻入過量的玄武巖纖維，則會(huì)影響其分布形式，降低了纖維在材料連接處錨固端的效果，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度下降。

4.2 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

圖3、圖4所示分別為低溫小梁彎曲試驗(yàn)所測(cè)得不同纖維摻量瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度以及最大彎拉應(yīng)變。

由圖3、圖4可知，環(huán)氧瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均大于規(guī)范規(guī)定的3 000 με。隨著纖維摻入量的增加，改良瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，與未摻入纖維瀝青混合料相比，其抗彎拉強(qiáng)度分別提高了13%、29%以及11%，其最大彎拉應(yīng)變提高了5.5%、22%、10%，說(shuō)明纖維的摻入有助于提高瀝青混合料的抗裂性能，與高溫穩(wěn)定性結(jié)果相似的是過量的摻入纖維將影響瀝青混合料自身的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得其抗彎拉強(qiáng)度與應(yīng)變不增反降。

4.3 水穩(wěn)性分析

圖5所示為瀝青混合料浸水后試件殘留穩(wěn)定度。由圖5可知，環(huán)氧瀝青混合料浸水后試件殘留穩(wěn)定度均大于規(guī)范規(guī)定的80%。隨著纖維摻入量的增加，改良瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨之減小，這是由于未經(jīng)改良的瀝青混合料，自身空隙率＜3%，不透水，因此殘留穩(wěn)定度高，而經(jīng)過纖維改良后瀝青混合料，空隙率增加，透水性增強(qiáng)，參考文獻(xiàn)：

以至于水穩(wěn)性出現(xiàn)下降，但下降幅度有限，最大下降幅度僅為2%。

圖6所示為瀝青混合料凍融劈裂水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果。

由圖6可知，隨著纖維摻量的增加，改良瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，而凍融劈裂強(qiáng)度比則不斷減小，說(shuō)明纖維的摻入有助于提高瀝青混合料凍融水穩(wěn)性，但影響幅度較小。

4.4 抗紫外老化性

圖7為瀝青混合料抗紫外老化試驗(yàn)結(jié)果。

由圖7可知，隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，而隨著老化時(shí)間的增加，馬歇爾穩(wěn)定度不斷減小。紫外老化7 d后，0纖維摻量、0.1%纖維摻量、0.4%纖維摻量以及0.7%纖維摻量的瀝青混合料穩(wěn)定度分別降低了3.35%、3.53%、3.23%以及3.68%；紫外老化14 d后，0纖維摻量、0.1%纖維摻量、0.4%纖維摻量以及0.7%纖維摻量的瀝青混合料穩(wěn)定度分別降低了4.60%、4.09%、4.21%以及4.45%。由此可知纖維摻量的多少對(duì)瀝青混合料抗紫外性能的影響不大，其強(qiáng)度衰減均＜5%，考慮其主要原因是玄武巖纖維屬于無(wú)機(jī)纖維，紫外線難以改變無(wú)機(jī)纖維的物理力學(xué)性質(zhì)，因此瀝青混合料難以受紫外線影響而發(fā)生老化現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過室外調(diào)研以及室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)大跨徑鋼橋鋪裝層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，同時(shí)結(jié)合廣西各大橋橋面瀝青混合料的實(shí)際使用情況，進(jìn)一步對(duì)橋面鋪裝層的病害表現(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)，提出采用纖維材料對(duì)環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行改性，并對(duì)改良后瀝青混合料開展了車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂抗拉試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了不同纖維摻量下瀝青混合料的抗老化性能。

得到如下主要結(jié)論：

（1）鋪裝層病害主要分為縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂以及坑槽，其中縱向裂縫主要分為兩類：反復(fù)荷載下鋪裝層層面的疲勞破壞與薄弱處開裂。

（2）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性、抗彎拉強(qiáng)度以及最大彎拉應(yīng)變均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為0.4%時(shí)，改良后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性、抗彎拉強(qiáng)度以及最大彎拉應(yīng)變最大，其值分別為45 000次/mm、28.44 MPa、3 877 με。

（3）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比均出現(xiàn)不同程度的下降，而凍融前后試樣的劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明纖維的摻入會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料浸水穩(wěn)定度降低，但有助于提高瀝青混合料凍融水穩(wěn)性。

（4）隨著纖維摻量的增加，改良后瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，而隨著老化時(shí)間的增加，瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度不斷減小。

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