纖維微表處性能及影響因素探究

2015-11-22 02:49:12陳巖巖張宏超

華東交通大學(xué)學(xué)報 2015年2期

陳巖巖，張宏超，彭坤

（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

國際稀漿罩面協(xié)會（ISSA）對微表處的定義為：微表處（Micro-surfacing）是一種由聚合物改性乳化瀝青、集料、填料、水和外加劑按合理配比拌和并通過專門施工設(shè)備攤鋪原路面上，達(dá)到迅速開放交通要求的薄層結(jié)構(gòu)。國際上微表處最早是德國于20世紀(jì)60～70年代發(fā)明的，而后迅速在歐美得到推廣。雖然我國對于微表處的應(yīng)用相對較晚，只是在2000年以后才開始推廣使用該技術(shù)，但是發(fā)展迅速，已經(jīng)成為高速公路養(yǎng)護的主要手段。然而從目前我國微表處的使用情況來看，能夠使道路的壽命延長3～4年，而美國微表處能夠?qū)⒌缆肥褂媚晗扪娱L4～7年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國［1-2］。為了提高微表處的路用性能，在普通微表處混合料中加入纖維，從影響微表處混合料的因素出發(fā)，對其性能進行研究以期改善混合料的路用性能。

1 材料及技術(shù)指標(biāo)

1.1 改性乳化瀝青

采用某AH-70#瀝青，及某進口品牌膠乳SBR膠乳A，國產(chǎn)牌膠乳B利用實驗室小膠體磨生產(chǎn)改性乳化瀝青，其各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求，試驗指標(biāo)如下表1所示。

表1 AH70號基質(zhì)瀝青試驗指標(biāo)Tab.1 AH70#matrix asphalt test index

1.2 纖維

纖維采用的是工程中常用的玻璃纖維，其長度在4～12 mm范圍內(nèi)，使用時自行裁剪，實際工程中大多是依據(jù)經(jīng)驗選用纖維的長度為6 mm，以便于纖維的分散不接團。本文在結(jié)合工程實際的基礎(chǔ)上，對纖維長度對混合料性能進行探索，以期在不影響纖維分散狀態(tài)的同時提高混合料低溫性能，故本文的玻璃纖維長度選擇6 mm和12 mm兩種，用量在0.1%-0.3%范圍內(nèi)。

1.3 集料

采用符合規(guī)范要求的玄武巖，集料要求通過4.75 mm篩孔。

2 混合料級配的選取

微表處在我國推廣應(yīng)用中遇到的最突出的問題之一就是行車噪聲比較大。有研究表明［3-5］：構(gòu)造深度是影響路面噪聲的主要因素，級配較細(xì)的微表處混合料（級配Ⅲ）其噪聲小于級配較粗糙的微表處混合料（級配I），聲壓級降低約1.4 dB（A）。同時級配也影響著路面的抗滑性能，細(xì)級配微表處在通車一段時間后表面較光，抗滑性能不足而最初表觀粗糙的微表處效果變得美觀而且保持了良好的抗滑性能［6-9］。由此可見，級配的選取至關(guān)重要，不易過粗也不宜過細(xì)，因此本文連續(xù)級配采用ISSA-Ⅲ型級配，級配范圍見表2；間斷級配采用EUROVIA推薦的Ⅳ級配，級配如下表3，二者級配曲線對比如圖1。

表2 ISSA-Ⅲ型微表處礦料級配（%）Tab.2 Aggregate gradation of ISSA-Ⅲ

表3 EUROVIA推薦用Ⅳ間斷級配Tab.3 Gap grading of EUROVIA-Ⅳ

圖1 連續(xù)級配與間斷級配級配曲線對比Fig.1 Continuous gradation compared with gap grading

由級配表以及級配曲線圖可以明顯的看到，間斷級配在4.75 mm 這檔料處間斷，提高了6.3 mm 這檔料，使得集料級配偏粗，而在間斷級配中加入纖維可以減小空隙率，使得混合料的級配處于三型級配和間斷級配之間，從而改善混合料的性能。

3 混合料試驗

濕輪磨耗試驗是評價微表處混合料性能的重要試驗，其指標(biāo)是在浸水1 h和6 d后，磨耗5 min前后的單位面積的質(zhì)損量作為評價指標(biāo)。該指標(biāo)不僅能衡量混合料各組分間的配伍性而且也是判斷混合料抗水損能力的體現(xiàn)。輪轍變形實驗是衡量混合料高溫抗車轍能力的重要指標(biāo)，以1 000次碾壓后單位寬度上的側(cè)向變形率和單位厚度的車轍深度率作為評價混合料的抗車轍能力。試驗中要求負(fù)重為57 kg。

3.1 級配間斷與否對混合料性能的影響

采用國產(chǎn)膠乳B制成的乳化瀝青，乳化瀝青含量8%，纖維含量0.2%，對混合料進行實驗，進行濕輪磨耗試驗和輪轍變形試驗。其中濕輪磨耗試驗是分別在浸水1 h和6 d的情況下進行，結(jié)果見下圖2和3所示。

圖2 兩種級配濕輪磨耗實驗結(jié)果比較Fig.2 Two kinds of wet wheel abrasion graded experimental results

圖3 兩種級配輪轍實驗結(jié)果比較Fig.3 Two kinds of graded rut experimental results

從圖2、圖3可以看出，在間斷級配和連續(xù)級配中加入纖維，其浸水1 h濕輪磨耗值均小于ISSA要求且間斷級配混合料濕輪磨耗值較低，而浸水6 d的濕輪磨耗值卻大不相同。連續(xù)級配的WTAT值已不滿足ISSA的要求，而間斷級配的WTAT值依然滿足要求。這說明隨著浸水時間延長，連續(xù)級配的纖維混合料性能迅速下降，而間斷級配變化相對較小。由此可見連續(xù)級配纖維混合料對水的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于間斷級配混合料對水的敏感性。間斷級配纖維混合料在抗水損能力提高的同時抗車轍能力也顯著提高，不僅滿足橫向變形率＜5%的規(guī)范要求，而且其橫向變形率僅為連續(xù)級配的1/3。分析原因，一方面可能是由于纖維纖維的加入吸收了混合料中自由流動的瀝青而膨脹，不僅改變了混合料中集料的空隙率，而且使得瀝青在集料空隙中的流動性受到限制，從而使其抗水孫和抗車轍能力有所提高；另一方面，是由于纖維分散在混合料中起到了一定的加筋作用，從而使集料顆粒間能夠共同發(fā)揮作用使得混合料的性能能得以提高。

3.2 膠乳類型的影響

膠乳是影響乳化瀝青性能的重要因素，不同種類的膠乳對乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能的影響不盡相同，進而影響著混合料的性能。本文采用兩種膠乳A、B對其基本指標(biāo)進行測定。見表4。

表4 膠乳種類對殘留物的影響Tab.4 The influence of latex type on the residue

由表可知，膠乳含量的增加可以提高瀝青的延度，而對于軟化點的改善并不是很大。鑒于表4添加3%的膠乳和5%的膠乳時瀝青的延度均大于200 cm，對于瀝青低溫性能的已無實際意義的提高。因此本文采用3%的膠乳進行乳化瀝青的混合料試驗。試驗結(jié)果見表5。

表5 膠乳種類對WTAT值的影響Tab.5 The influence of latex type on the WTAT value

由表5可知，不論間斷級配與否，利用膠乳B制得的乳化瀝青與混合料具有更好的配伍性，具有更好的水穩(wěn)性能。可見不同膠乳類型對瀝青混合料的影響重大，歸根到底是由于膠乳本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定。

3.3 纖維長度的影響

纖維長度對混合料的影響主要是在抗車轍方面，纖維長度影響到其在混合料的分散狀態(tài)，對于纖維長度要適中這樣即利于纖維的分散又不易結(jié)團。本文就考慮了兩種纖維長度，即6 mm 和12 mm，膠乳采用B，含量為3%，乳化瀝青用量為8%。試驗結(jié)果如下表6。

表6 纖維長度對微表處抗車轍能力的影響Tab.6 The influence of fiber length on the micro-surfacing rutting resistance

從表6可以看出，兩種纖維的長度對于橫向變形的影響均不大，一方面由于該試驗具有較大的離散型，另一方面可能是測量輪著試驗橫向變形率的方法并不一定適合用來評價纖維長度對混合料的影響。

3.4 小梁彎曲試驗

雖然在間斷級配中加入纖維可以顯著提高微表處混合料的抗水損和抗車轍性能，但是纖維對于混合料低溫性能的影響卻缺乏研究，并且大多采用低溫劈裂試驗［10-11］，僅僅從力的角度上去衡量混合料的彎拉性能，并未考慮其變形。基于以上問題文章設(shè)計了三點彎曲小梁試，以能量積分作為評價小梁抗彎拉性能的指標(biāo)，依據(jù)工程中最為常見條件：膠乳含量分別取0，3.5%和5%，Ⅲ型級配，乳化瀝青添加量10%，溫度采用0℃。每個水平取6個試件試驗并取其平均值，其試驗結(jié)果見表7。

表7 小梁試驗結(jié)果Tab.7 Trabecular test results

從表7可以看出，膠乳含量的增加，明顯增加了能量積分，模量s有所降低，而形變有所增加，表明混合料抵抗低溫變形能力增強。說明膠乳的存在可以增加混合料整體的膠聯(lián)效果，使其韌性增強，也即提高了混合料的低溫抗裂性能。在此基礎(chǔ)上，選取膠乳含量為3.5%的水平下比較6 mm及12 mm長的纖維微表處混合料的能量積分和模量，試驗結(jié)果如表8。

表8 不同纖維長度試驗結(jié)果Tab.8 The test results of different fiber lengths

可以明顯看出，12 mm長的纖維具有更強的抗低溫彎拉能力。出現(xiàn)此結(jié)果的原因，推測是由于纖維長度的增加，混合料的加筋效果更明顯，抗裂性能更強。但是，由于本實驗試件較小，可在實驗室中精確操作，在實際工程需要考慮纖維的結(jié)團結(jié)塊的問題，12 mm長度的纖維是否真正適合工程實際，還需進一步研究。