玄武巖纖維改善心墻瀝青混凝土性能的最佳摻量研究

楊曼直

(安徽省阜陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，安徽 阜陽(yáng) 236000)

設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，配制心墻瀝青混凝土的骨料宜采用堿性破碎巖石，不宜采用酸性骨料[1]。當(dāng)采用酸性骨料配制心墻瀝青混凝土?xí)r，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)研究，采取改善酸性骨料與瀝青黏附性能的措施并經(jīng)試驗(yàn)論證。玄武巖纖維具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于改善道路瀝青混凝土的高低溫性能[2]，玄武巖纖維作為提高瀝青混凝土性能的有效措施在公路瀝青混凝土中已開(kāi)展了較多研究。陸貴銀等[3]針對(duì)普通PAN纖維、高強(qiáng)PAN纖維和玄武巖纖維3中不同纖維對(duì)瀝青混凝土性能的增強(qiáng)和改善作用進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明高強(qiáng)PAN纖維的改善作用效果最好；袁玉卿等[4]研究了透水瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量，指出玄武巖纖維摻量應(yīng)控制在0.3%～0.4%，并提出了最佳瀝青用量區(qū)間；魏志峰[5]開(kāi)展了類(lèi)似研究，提出玄武巖纖維最佳摻量在0.4%～0.6%；呂耀華[6]、王子楓等[7]通過(guò)研究提出玄武巖纖維最佳摻量在0.3%左右。已有研究中，玄武巖纖維改善瀝青混凝土性能的研究均為道路瀝青混凝土，針對(duì)心墻瀝青混凝土的研究較少。也有學(xué)者針對(duì)路面特殊要求，開(kāi)展了不用纖維對(duì)瀝青混凝土性能的改善作用，如石墨鋼碳纖維[8]、醋酸纖維[9]、玻璃纖維[10]、木質(zhì)素纖維[11]、聚丙烯纖維[12]、聚乙烯醇纖維[13]等，考慮到普適性和心墻瀝青混凝土的工作性能，本文選取摻加玄武巖纖維作為改善花崗巖骨料配制心墻瀝青混凝土的措施，基于瀝青混凝土單軸壓縮、小梁彎曲、拉伸和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，開(kāi)展了玄武巖纖維改善心墻瀝青混凝土性能的最佳摻量研究，試驗(yàn)結(jié)果將為玄武巖纖維在心墻瀝青混凝土中的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的原材料包括粗骨料、細(xì)骨料、填料、瀝青、玄武巖纖維。粗骨料與細(xì)骨料均為自行加工破碎的花崗巖石料，填料為礦粉，瀝青為A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青，玄武巖纖維為購(gòu)買(mǎi)的成品。原材料基本技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1—4，粗細(xì)骨料級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。技術(shù)指標(biāo)要求參照水工瀝青混凝土施工規(guī)范[14]。

表2 填料基本技術(shù)指標(biāo)

表3 瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

表4 玄武巖纖維基本技術(shù)指標(biāo)

圖1 粗細(xì)骨料級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法均參照水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程[15]要求操作，具體試驗(yàn)方法如下。

a)單軸壓縮試驗(yàn)方法。制備瀝青混凝土單軸壓縮試件(高100 mm±3 mm，直徑100 mm±2 mm)，將試件在常溫下靜置24 h以后，再將試件置于10 ℃水中恒溫不少于4 h，恒溫后的試件安裝到試驗(yàn)機(jī)恒溫室中進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率控制在1 mm/min，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每組試驗(yàn)測(cè)定3個(gè)試件，取3個(gè)試件結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)3個(gè)試件測(cè)值中最大值或最小值之一與中間值之差超過(guò)中間值的15%時(shí)，取中間值作為試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)3個(gè)試件測(cè)值中最大值和最小值與中間值之差均超過(guò)中間值的15%時(shí)，應(yīng)重做試驗(yàn)。

b)小梁彎曲試驗(yàn)方法。制備瀝青混凝土小梁彎曲試件(250±2) mm×(40±1) mm×(35±1) mm，將試件置于10 ℃的恒溫水槽中恒溫不少于4 h，將試件置于試驗(yàn)機(jī)支座上，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以1%/min應(yīng)變速率加載。每組試驗(yàn)制備3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取值規(guī)則與單軸壓縮試驗(yàn)相同。

c)拉伸試驗(yàn)方法。制備瀝青混凝土拉伸試件(220±2) mm×(40±1) mm×(40±1) mm，將試件置于10 ℃的恒溫水槽中恒溫不少于4 h，將試件裝置于夾具中，安放到拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，按照1%/min應(yīng)變速率加載。每組試驗(yàn)制備3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取值規(guī)則與單軸壓縮試驗(yàn)相同。

d)水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法。制備瀝青混凝土水穩(wěn)定性試驗(yàn)試件(同單軸壓縮試驗(yàn)試件)，每組試驗(yàn)需制備6個(gè)試件，分為2組，每組3個(gè)，第一組試件放入20 ℃±1 ℃空氣中至少48 h，第二組先放入60 ℃±1 ℃的恒溫水箱中浸水48 h后，再放入20 ℃±1 ℃的恒溫水箱中浸水不少于2 h，將試件安裝到試驗(yàn)機(jī)恒溫室中進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率控制在1 mm/min，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果取值規(guī)則與單軸壓縮試驗(yàn)相同。

1.3 配合比優(yōu)選

按照均勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行配合比優(yōu)選，依據(jù)級(jí)配指數(shù)、填料用量、瀝青用量3個(gè)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置3個(gè)水平，共9組試驗(yàn)，以馬歇爾穩(wěn)定度和流值為優(yōu)選的參考指標(biāo)，確定配合比。經(jīng)均勻正交試驗(yàn)優(yōu)選后得到的瀝青混凝土設(shè)計(jì)配合比見(jiàn)表5。2組不同礦料設(shè)計(jì)配合比的合成級(jí)配曲線與設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。玄武巖纖維摻量從0%～0.8%共進(jìn)行9組不同摻量的試驗(yàn)研究。

表5 瀝青混凝土設(shè)計(jì)配合比

圖2 合成級(jí)配與理論級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3結(jié)果可以看出，當(dāng)玄武巖纖維摻量由0%增加至0.1%時(shí)，試件壓縮強(qiáng)度提高效果明顯，由2.52 MPa提高到2.98 MPa，提高約18.25%，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.6%時(shí)，以花崗巖骨料配制的瀝青混凝土壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，為3.79 MPa，較玄武巖纖維摻量為0%時(shí)提高50.39%。當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)0.6%時(shí)，壓縮強(qiáng)度數(shù)值開(kāi)始減小。

2.2 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4試驗(yàn)結(jié)果看出，玄武巖纖維對(duì)花崗巖心墻瀝青混凝土抗彎強(qiáng)度的影響趨勢(shì)與壓縮強(qiáng)度結(jié)果近似，玄武巖纖維摻量由0%增加至0.1%時(shí)，試件抗彎強(qiáng)度提高效果明顯，提高約20.41%，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.6%時(shí)，抗彎強(qiáng)度提高約44.22%。當(dāng)玄武巖纖維摻量超過(guò)0.6%時(shí)，摻加玄武巖纖維后對(duì)瀝青混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)效果開(kāi)始減弱，抗彎強(qiáng)度數(shù)值開(kāi)始減小。

圖3 不同纖維摻量壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同纖維摻量抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。摻加玄武巖纖維后配制的花崗巖心墻瀝青混凝土拉伸強(qiáng)度提高最顯著，當(dāng)玄武巖纖維摻量在0.6%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，相較未添加玄武巖纖維的花崗巖心墻瀝青混凝土拉伸強(qiáng)度提高1.5倍以上，由未添加玄武巖纖維時(shí)的0.53 MPa提高至1.35 MPa。

圖5 不同纖維摻量拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

不同玄武巖纖維摻量條件下，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0%時(shí)，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)為0.82，不能滿足規(guī)范的要求。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí)，水穩(wěn)定系數(shù)提高至0.92，與前述力學(xué)性能結(jié)果一致，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.6%時(shí)，以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最大值1.03，較未摻加玄武巖纖維時(shí)提高25.61%，相較力學(xué)性能指標(biāo)改善效果較小。

圖6 不同纖維摻量水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.5 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)單軸壓縮、小梁彎曲、拉伸及水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，玄武巖纖維對(duì)以花崗巖骨料配制的心墻瀝青混凝土各項(xiàng)性能均有不同程度的改善效果。其中，對(duì)抗拉強(qiáng)度的改善效果最好，對(duì)水穩(wěn)定性能的改善效果最小。玄武巖纖維與瀝青混凝土中的骨料形成更為密實(shí)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了瀝青混凝土的整體性。同時(shí)，玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度高，起到了一定的受力作用。玄武巖纖維屬于堿性材料，瀝青屬于酸性材料，在花崗巖心墻瀝青混凝土中摻加玄武巖纖維后增強(qiáng)了骨料與瀝青之間的化學(xué)吸附作用。李志剛等[16]對(duì)玄武巖纖維改善酸性集料瀝青混凝土性能開(kāi)展了一定的研究，提出玄武巖纖維摻量在0.3%～0.4%時(shí)，對(duì)道路瀝青混凝土的高低溫性能改善作用最明顯，效果最優(yōu)。與本文的玄武巖纖維最佳摻量為0.6%的研究結(jié)果存在一定差異，主要是因?yàn)樾膲r青混凝土的瀝青用量通常在6%～7%，道路瀝青混凝土的瀝青用量一般在4%～5%，造成心墻瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量偏高。

3 結(jié)語(yǔ)

a)改善花崗巖心墻瀝青混凝土的玄武巖纖維最佳摻量在0.6%左右。

b)玄武巖纖維由0%增加至0.1%時(shí)，對(duì)花崗巖心墻瀝青混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能有明顯的改善作用，在滿足工程建設(shè)需要的前提下，工程實(shí)踐中玄武巖纖維摻量達(dá)到0.1%即可。

c)玄武巖纖維對(duì)花崗巖心墻瀝青混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能有不同程度的改善作用，對(duì)抗拉強(qiáng)度的改善效果最好，對(duì)水穩(wěn)定性的改善效果最小，分別提高了154.72%和25.61%。