混雜纖維對改性SMA高溫穩(wěn)定性影響研究

季 度

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境工程學院 武漢 430030)

由于鋼箱梁橋結構相對特殊，其橋面鋪裝問題一直是技術難點。特別是在南方部分高溫多雨地區(qū)，瀝青路面的抗車轍能力缺陷已成為橋面鋪裝主要的損壞原因之一。橋面鋪裝的損壞不僅影響橋梁的美觀，而且會對橋梁的使用性能甚至受力狀態(tài)造成嚴重影響。

纖維作為一種高強、耐久、質輕的增強材料，在道路工程中應用廣泛，其中聚酯纖維在道路中使用較為普遍。將纖維加入瀝青混合料中以加筋的方式提升其強度。在道路應用中，絕大多數(shù)都是采用單一纖維來提高瀝青混合料的路用性能，而對多種纖維共同作用少有研究，玻璃纖維具有優(yōu)良的隔熱性能和耐高溫性能，所以本文將玻璃纖維與聚酯纖維進行混雜，并對混雜纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行研究。張晉龍[1]、梁俊怡[2]分別對加入玻璃纖維和聚酯纖維的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能做了一定的研究，本文通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗對混雜纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進行研究 ，擬尋找出最佳摻配比例，以提高鋼橋面瀝青面層高溫穩(wěn)定性，減少高溫條件下鋼橋面瀝青面層的車轍問題。

1 實驗材料

1.1 瀝青

試驗SBS改性瀝青I-D各性能指標見表1。

表1 瀝青原材料性能指標

1.2 礦料

該試驗采用礦料取自某段國家一級公路施工材料。玄武巖，各級配均取自瀝青攪拌站攪拌樓篩分、除塵后的熱料。保證材料的優(yōu)異性及礦料潔凈、干燥、無雜質。根據(jù)試驗規(guī)程試驗測得各級配符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》性能指標要求[3]，礦粉和粗、細集料性能指標見表2～4。

表2 礦粉性能指標

表3 粗集料性能指標

表2 細集料(粒徑0～3)性能指標 mm

1.3 礦料配合比設計

本文采用SMA-13作為試驗對象，所用礦料粒徑為0～3，>3～6，>6～11，>11～16 mm，通過篩分試驗，得到各礦料的篩孔通過率，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》及篩分結果，通過軟件試算及調整，將各粒徑的級配中值盡量調整到級配上限與級配下限的中間以達到良好的合成效果，合成級配見表5。

表5 合成級配

1.4 纖維

試驗采用聚酯纖維和玻璃纖維，因為聚酯纖維主要起加筋作用，可提高瀝青混合料的穩(wěn)定性，還起到增韌阻裂的作用；玻璃纖維的耐高溫、隔熱性能非常優(yōu)異，同時，具有強度高、伸長小、化學穩(wěn)定性好等特點。本試驗采用的聚酯纖維和玻璃纖維主要指標見表6。

表6 纖維主要指標

2 試驗思路

2.1 纖維作用機理

雖然聚酯纖維與玻璃纖維均對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性等路用性能有一定的提高，但其作用機理不同，聚酯纖維主要是通過相互搭接，形成橋接纖維網絡，從而起到加筋的作用[4]；玻璃纖維是通過巨大的表面吸附了大量瀝青，使瀝青得到充分的浸潤，形成較厚的界面，將其周圍的瀝青黏聚在一起，共同將集料包裹住，從而進一步增強了瀝青與集料之間的吸附能力，改善了瀝青混合料的路用性能[5]。

2.2 試驗方案

在國內，鋼箱梁橋面鋪裝層結構采用最多的是雙層改性SMA鋪裝，其中SMA鋪裝結構中，大多數(shù)摻入質量分數(shù)為0.3%聚酯纖維。盡管大量的試驗和工程實踐表明，聚酯纖維對瀝青混合料的路用性能有很好地改性效果，但許多鋼箱梁橋面仍因高溫穩(wěn)定性不足出現(xiàn)車轍問題。于是本文提出同時摻入聚酯纖維與玻璃纖維，研究其混雜后對高溫穩(wěn)定性的改善能力。

本文采取玻璃纖維與聚酯纖維各占0.1%，0.2%，0.3%的質量比例進行混雜，共3×3，9組試驗。其中對玻璃纖維取0.1%編號B1，聚酯纖維取0.1%編號J1。如玻璃纖維和聚酯纖維各取0.3%的試件編號B3J3。考慮纖維對瀝青混合料的最佳油石比的影響，對9組纖維摻量不同的混合料通過馬歇爾試驗得出最佳油石比。按照JTG E20 -2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[6]的相關要求，對9組瀝青混合料進行車轍試驗，并對試驗結果進行分析，得出最佳纖維摻量，以及該混雜纖維對瀝青混合料路用性能的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 最佳油石比

對不同纖維摻量的瀝青混合料根據(jù)經驗以6.0%油石比，0.3%為間隔，制作5組馬歇爾試件，每組6個，正反擊實75次成型，在標準養(yǎng)護24 h后脫模。對試件進行相關的物理力學試驗，根據(jù)瀝青用量與空隙率、密度、馬歇爾穩(wěn)定度、流值、飽和度的關系曲線，確定最佳油石比，見表7。

表7 最佳油石比

3.2 室內試驗結果

車轍問題是瀝青路面高溫穩(wěn)定性良好與否的集中體現(xiàn),JTJ 014-97《公路瀝青路面設計規(guī)范》[7-8]規(guī)定“對于高速公路、一級公路的表面層和中面層的瀝青混凝土作配合比設計時,應進行車轍試驗,以檢驗瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性”。

對摻入纖維的瀝青混合料在車轍成型儀器上成型，連同試模一同在60 ℃養(yǎng)護5 h后，置于車轍試驗臺上進行試驗，結果見表8。

表8 試驗結果

由表8可見，在摻入混雜纖維后，瀝青混合料動穩(wěn)定度有明顯提升，并且相對應的穩(wěn)定度流值也有一定幅度的優(yōu)化。

1) 雖然穩(wěn)定度流值與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性沒有必然聯(lián)系，但瀝青混合料的馬歇爾強度和流值是混合料設計過程中控制瀝青混合料高溫性能的指標，所以穩(wěn)定度的改善也在一定程度上反應了瀝青混合料高溫穩(wěn)定度性能的提升。

2) 動穩(wěn)定度作為檢測瀝青混合料的主要檢測指標，由試驗結果可以看出混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的提高。證實了在玻璃纖維與聚酯纖維的共同作用下，其瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能的到了實質性提升。

3) 當玻璃纖維、聚酯纖維摻入質量分數(shù)分別為0.3%，0.2%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到最高，穩(wěn)定度流值也達到最優(yōu)。但是當玻璃纖維和聚酯纖維各摻入0.3%質量分數(shù)時，各性能有所降低。這是因為當超過最佳摻量時，混合料中各成分無法充分攪拌均勻，多余纖維反而使纖維整體與礦料之間的黏結力下降，削弱了“加筋”作用，進而影響其各方面性能。

4 結論

通過對玻璃纖維與聚酯纖維混雜后的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進行研究，發(fā)現(xiàn)摻入混雜纖維對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯提升作用。

本實驗中，當玻璃纖維與聚酯纖維的質量分數(shù)分別為0.3%，0.2%，油石比為6.1%時，瀝青混合料高溫性能最優(yōu)，可用于實際工程。