玄武巖纖維改性瀝青混合料性能研究及應(yīng)用

楊文江

(山西省交通科學(xué)研究院 太原市 030006)

0 引言

隨著美國在上世紀(jì)90年代成功鋪設(shè)第一條纖維瀝青路面，纖維開始步入研究者的視野。研究發(fā)現(xiàn)高性能的纖維適量摻入瀝青混合料后，可有效改善其使用性能[1-3]。目前應(yīng)用較為廣泛的纖維有玄武巖纖維、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維及石棉等纖維，這其中尤以玄武巖纖維應(yīng)用最為廣泛[4-5]。玄武巖纖維是玄武巖、珍巖及輝綠巖等礦石加工生產(chǎn)后的產(chǎn)物，具有來源廣泛、高強(qiáng)度、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，國外已有研究及應(yīng)用表明摻入玄武巖纖維后瀝青混合料路用性能得到了不同程度的提高，研究意義十分重大，但玄武巖纖維瀝青混合料在我國的研究與應(yīng)用較少，缺少理論、試驗(yàn)及應(yīng)用支持，難以大范圍推廣[6-7]。

對(duì)比聚酯纖維的改性效果，采用室內(nèi)試驗(yàn)研究了玄武巖纖維改性瀝青混合料的相關(guān)性能，并通過工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料在工程中的具體使用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)玄武巖纖維：拌和的纖維存在最佳長度，纖維過長將會(huì)造成拌和困難，致使纖維打結(jié)成團(tuán)難以分散發(fā)揮其性能，纖維過短難以起到連接作用。參考前人研究[8]，試驗(yàn)采用的玄武巖纖維長度取6mm。其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

(2)瀝青：試驗(yàn)選用國產(chǎn)重交AH-90瀝青，瀝青的主要性能指標(biāo)參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9]檢測如表2所示。

表2 瀝青的主要性能指標(biāo)

(3)集料：試驗(yàn)選用玄武巖集料，礦粉選用磨細(xì)后的石灰?guī)r礦粉，對(duì)集料的物理性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表3所示。

表3 集料物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

(1)礦料級(jí)配

試驗(yàn)選用AC-16型級(jí)配，選用相關(guān)規(guī)范[9]中所規(guī)定的級(jí)配中值作為目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，合成級(jí)配如表4所示。

表4 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)(AC-16)

(2)確定最佳纖維摻量

最佳纖維摻量采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行確定。參考已有研究[8]，初定玄武巖纖維的摻量分別為0.3%、0.4%、0.5%，分別制備試件進(jìn)行試驗(yàn)，可得如表5所示結(jié)果。

表5 混合料試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，相比于基質(zhì)瀝青混合料試件，摻入0.3%玄武巖纖維后的試件動(dòng)穩(wěn)定度提升了15%，但繼續(xù)增加摻量到0.4%乃至0.5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度增長幅度開始放緩，甚至在0.5%摻量時(shí)出現(xiàn)降低，由此確定纖維的最佳摻入量為0.3%。

(3)確定最佳瀝青用量

參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[10]，采用馬歇爾試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，選定玄武巖纖維的摻量為0.3%，并分別取石油比6.0%、5.5%、5.0%、4.5%及4.0%制備馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)綜合分析，確定當(dāng)玄武巖纖維摻量為3%時(shí)，最佳油石比為4.8%。

1.3 試驗(yàn)方案

參照相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[10]所規(guī)定的改性瀝青混合料的試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)以未摻纖維瀝青混合料及0.3%聚酯纖維摻量的瀝青混合料作為對(duì)照組。分別制備三種瀝青混合料試件進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

車轍是瀝青路面常出現(xiàn)的病害形式，采用常用的車轍試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維的高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行檢測，并以動(dòng)穩(wěn)定度及60min時(shí)的車轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。車轍試驗(yàn)時(shí)設(shè)定溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，并確保玄武巖纖維與聚酯纖維的摻量均為0.3%制備試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖1所示。

表7 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表7、圖1可知，相比于未摻纖維的試件，摻入纖維后，瀝青混合料試件的車轍深度明顯減少，動(dòng)穩(wěn)定度顯著提高。其中摻入玄武巖纖維的試件車轍深度減少了35%，動(dòng)穩(wěn)定度提高了17.2%；摻入聚酯纖維的試件車轍深度減少了16.4%，動(dòng)穩(wěn)定度提高了11.6%。可以看出，纖維的摻入可以有效地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，并且玄武巖纖維的增強(qiáng)效果更好。

2.2 低溫抗裂性

低溫開裂會(huì)造成瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重病害，當(dāng)氣候發(fā)生劇烈變化時(shí)，溫度應(yīng)力將會(huì)造成路面開裂影響路面的整體性，裂縫一旦形成將會(huì)不可逆轉(zhuǎn)，水分由此進(jìn)入路面基層，沖刷路基，裂縫由此擴(kuò)大，出現(xiàn)重大路面病害。

對(duì)于瀝青混合料，小梁彎曲試驗(yàn)是檢測其低溫抗裂性能的重要方法，試驗(yàn)選用MTS試驗(yàn)機(jī)，分別制備三種類型瀝青混合料的小梁試件，其中玄武巖纖維與聚酯纖維的摻量均取0.3%，試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)機(jī)加載速率為50mm/min，分別測定三類試件的低溫破壞應(yīng)變以評(píng)定低溫抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖2所示。

表8 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8、圖2試驗(yàn)結(jié)果可知，相比于未摻纖維的試件，摻入玄武巖纖維與聚酯纖維試件的破壞應(yīng)變分別提高了17.8%、13.9%。這是因?yàn)槔w維本身具有較好的低溫抗拉伸強(qiáng)度，在瀝青混合料中分布均勻的纖維對(duì)其起到了良好的加筋作用，增大了其柔韌性，間接提高了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

由以上分析可知，纖維的摻入可有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，且玄武巖纖維的增強(qiáng)效果更佳。

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是瀝青路面性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。其以浸水條件下混合料在物理上的力學(xué)性能降低程度進(jìn)行表征，國內(nèi)外多通過浸水馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行測定，并以殘留穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

分別制備3種不同類型瀝青混合料試件，兩種類型纖維的摻量均取0.3%，每種試件制備8個(gè)，分為2組，其中一組以60℃水浴養(yǎng)護(hù)48h后進(jìn)行試驗(yàn)，另一組以60℃水浴養(yǎng)護(hù)35min后進(jìn)行試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)結(jié)果如表9、圖3所示。

表9 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖3 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表9及圖3可知，三種不同類型瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。摻入纖維后的試件，其殘留穩(wěn)定度得到了有效的提高，其中摻玄武巖纖維的試件提高了18.1%；摻聚酯纖維的試件提高了10.2%。由此可知，纖維的摻入可以有效地改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并且玄武巖纖維的增強(qiáng)效果更好。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某新建高速公路設(shè)計(jì)為雙向四車道，路面結(jié)構(gòu)如圖4所示。考慮到該公路建成后將面臨不利氣候條件，復(fù)雜行車荷載及交通量。該工程大面積采用AC-16型玄武巖纖維瀝青混合料作為瀝青路面上面層，其中玄武巖纖維的摻量為0.3%。施工時(shí)所采用的材料類型、級(jí)配組成、配合比設(shè)計(jì)均同室內(nèi)試驗(yàn)。施工過程中，采用傳統(tǒng)拌和樓設(shè)備對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行拌和，并嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)施工工藝及施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

圖4 路面結(jié)構(gòu)組成

3.2 施工要點(diǎn)

(1)拌和

為確保玄武巖纖維在集料中均勻分散，應(yīng)相應(yīng)延長干拌與濕拌的時(shí)間。拌和前應(yīng)先加入集料、纖維干拌30s并確保纖維已分散均勻，再加入瀝青進(jìn)行濕拌，濕拌時(shí)間控制在25～30s。

(2)攤鋪與壓實(shí)

區(qū)別于普通瀝青混合料的攤鋪與壓實(shí)，由于玄武巖纖維本身密度較小且具備一定彈性，其分散在混合料后會(huì)相應(yīng)增大混合料體積，因此需相應(yīng)提高玄武巖改性瀝青混合料的壓實(shí)溫度與壓實(shí)功，以提高其密實(shí)度。

初壓時(shí)應(yīng)采用鋼輪壓路機(jī)靜壓，復(fù)壓時(shí)采用較高振幅鋼輪壓路機(jī)振壓使得骨料充分嵌入，終壓采用鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行靜壓，整個(gè)碾壓遍數(shù)應(yīng)比普通瀝青混合料碾壓時(shí)多2～3遍。

(3)溫度

現(xiàn)場對(duì)玄武巖纖維瀝青混合料在施工過程中各工序的溫度進(jìn)行研究后建議各工序的溫度控制應(yīng)符合表10的規(guī)定。

表10 各施工工序的溫度控制

3.3 檢測及評(píng)價(jià)

現(xiàn)場對(duì)拌和好的混合料抽樣制備試件進(jìn)行了相關(guān)性能的試驗(yàn)檢測。檢測結(jié)果如表11所示。

表11 現(xiàn)場抽樣檢測結(jié)果

由表11可知，現(xiàn)場所拌和的玄武巖纖維瀝青混合料的相關(guān)路用性能均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，且要稍優(yōu)于室內(nèi)試驗(yàn)，路用性能優(yōu)異。

該新建高速公路路面鋪筑完成后，抽樣對(duì)其相應(yīng)路段進(jìn)行了驗(yàn)收檢測，檢測結(jié)果表明：抽檢路段的平均壓實(shí)度為98.3%、構(gòu)造深度為0.66mm、平均抗滑摩擦系數(shù)BPN達(dá)到了62.5、滲水系數(shù)為25ml/min。各項(xiàng)檢測指標(biāo)均較好滿足規(guī)范要求[9]，表明該新建高速公路路面施工質(zhì)量優(yōu)異。

該新建高速公路建成通車后的4年內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)觀測，結(jié)果表明：該新建高速路所處地區(qū)氣候變化復(fù)雜，凍融循環(huán)天氣較多，年氣溫在-23～38℃之間。且通車的4年內(nèi)，行車荷載復(fù)雜，重載車較多。但該公路未出現(xiàn)車轍等早期病害，通車4年內(nèi)路面平整度較好，未出現(xiàn)明顯裂縫。表明該公路路面上面層結(jié)構(gòu)在采用玄武巖纖維改性瀝青混合料后實(shí)際應(yīng)用效果優(yōu)異，玄武巖纖維改性瀝青混合料應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)論

(1)在摻入0.3%玄武巖纖維后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了17.2%，車轍深度降低了35%，高溫穩(wěn)定性得到了一定的提升。

(2)摻入0.3%玄武巖纖維后的瀝青混合料，其低溫破壞應(yīng)變提高了17.8%，表明玄武巖纖維的摻入可有效提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(3)在摻入0.3%玄武巖纖維后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度達(dá)到了95.9%，相應(yīng)提高了18.1%。水穩(wěn)定性得到了有效提升。

(4)同等0.3%纖維摻入量下，玄武巖纖維瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性能均要優(yōu)于聚酯纖維瀝青混合料。

(5)工程應(yīng)用實(shí)例表明：瀝青路面在采用玄武巖纖維瀝青混合料進(jìn)行鋪筑后，未出現(xiàn)車轍等早期病害，通車4年內(nèi)路面平整度較好，未出現(xiàn)明顯裂縫，實(shí)際應(yīng)用效果優(yōu)異，玄武巖纖維改性瀝青混合料應(yīng)用前景廣闊。