預防性養(yǎng)護用纖維微表處性能提升幅度研究

沈云芳

(山西省長子公路管理段,山西 長子 046600)

路面日常養(yǎng)護中,微表處得到大面積的應用,但其致命的缺點則是壽命短,大約1～2年,微表處表面會出現(xiàn)脫皮、車轍、坑槽、開裂等病害,嚴重影響了路面的使用性能。鑒于此,對選擇合理的加筋材料,增強微表處抗裂、抗車轍等進行研究。纖維微表處的出現(xiàn),可大幅度提高瀝青膠體的黏結(jié)性能,增強微表處混合料高、低溫、抗水損壞性能,可明顯減少各種裂縫和車轍等病害的出現(xiàn)。但目前用于混合料拌和的纖維類型較多,如聚酯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等,不同學者在各種纖維的應用研究中意見不一。

黎侃等[1]認為,在普通微表處中添加0.1%～0.3%聚丙烯單絲纖維,可明顯增加混合料的黏附性和綜合路用性能。曹煒等[2]認為,玄武巖纖維拌和的微表處混合料綜合性能優(yōu)于聚丙烯纖維微表處混合料,更優(yōu)于普通微表處混合料。王永紅等[3]認為,微表處混合料中適量增加纖維用量可以提高微表處的綜合性能,但提高后混合料的成本將大幅度上升。岳學軍等[4]認為,纖維微表處可提升材料的抗水損壞、抗疲勞、抗開裂、抗車轍等性能,且改善幅度很大。但少有研究人員對聚酯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等進行系統(tǒng)的研究,并未做出準確的性能提升效果排序及提升幅度的比選。以山西太佳西高速公路養(yǎng)護工程為依托,通過研究聚酯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維微表處在抗磨耗、抗水損、抗車轍、抗低溫開裂方面進行詳細對比研究,提出加入各種纖維相對未摻纖維表處性能方面的提升幅度及排序,最后得出最優(yōu)選擇。

1 纖維微表處作用機理

1.1 纖維高低溫、耐久性能

玄武巖纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維自身耐高溫性能優(yōu),在微表處混合料拌和過程中,拌和溫度遠達不到纖維性能破壞的溫度,其自身的彈性模量和韌性得到了很大的保存。高溫環(huán)境下,微表處混合料的勁度模量降低顯著,此時,纖維微表處混合料的抗車轍性能主要由纖維握裹加勁提供。氣溫驟降后,微表處混合料的脆性變強,此時,纖維的溫度敏感性遠不及微表處混合料,微表處混合料抗拉強度主要由纖維提供。另外,以上纖維的抗腐蝕性能均較優(yōu),與微表處混合料一同拌和后,瀝青包裹于纖維表面,減少了纖維與空氣接觸的機率,進一步保障了纖維的耐久性能。

1.2 纖維對瀝青的吸附作用

玄武巖纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維的直徑約為10～20 μm,該細度下的纖維在微表處混合料中具有極大的比表面積,纖維在如此大面積的瀝青浸潤作用下,纖維對瀝青的吸附更加明顯,形成的纖維-瀝青界面更加廣泛,纖維在微表處混合料中黏結(jié)、加筋、增強效果更加顯著。

1.3 纖維對瀝青的增韌作用

微表處混合料的粘彈性因溫度改變而變化,當玄武巖纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維中的一種加入后,龐大數(shù)量的纖維改變了微表處混合料的性能,尤其在高溫情況下,提高了瀝青膠漿軟化點,提升了瀝青膠漿的黏度,增強了瀝青纖維瀝青混合料的高溫勁度模量,改善了纖維瀝青微表處混合料高溫韌性及抗車轍性能,延長了纖維瀝青混合料的耐久性能。

氣溫的降低,瀝青微表處混合料低溫抗裂性能變差,脆性增加,抗疲勞性能降低,當增加纖維后,均勻分布的纖維在纖維瀝青微表處混合料中起到加筋、增韌、改變混合料低溫敏感性的作用,提升了低溫下微表處混合料的抗裂性。

尤其是玄武巖纖維,其具有極強的彈性模量,對高低溫的敏感性最弱,瀝青的包裹下,對外力有較強的應力吸收作用、可有效抑制裂縫發(fā)生、發(fā)展和擴散,提升了纖維瀝青微表處混合料的整體抗車轍、抗開裂、抗疲勞性能。

1.4 纖維對微表處的抗水損壞作用

細小的纖維加入微表處混合料后,微表處混合料的間隙得到進一步搭結(jié)、填充,顯著降低了纖維微表處混合料的施工空隙率,減少了行車作用下動水壓力進入纖維微表處混合料內(nèi)部的機會,降低了水對微表處瀝青油膜的剝離頻次,進而延長了微表處混合料的長期抗水損壞性能。

2 原材料

2.1 普通瀝青

選用克煉70#普通瀝青,瀝青試驗結(jié)果見表1。

表1 70#普通瀝青性能結(jié)果

2.2 乳化劑及其他助劑

乳化瀝青采用SBR改性乳化瀝青,乳化劑采用MQ3,調(diào)酸劑采用鹽酸,拌和用水采用自來水。依據(jù)《公路瀝青路面微表處設計與施工技術(shù)規(guī)范》(DB62T 3129—2017)[6],通過專用設備制作的改性乳化瀝青膠乳,性能指標見表2。

表2 SBR改性乳化瀝青性能結(jié)果

2.3 集料

大于3 mm集料采用玄武巖集料,細集料采用石灰?guī)r集料,水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。集料、水泥的性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.4 纖維

選用聚酯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維進行試驗,纖維性能見表3。

表3 不同纖維的性能

3 纖維微表處混合料設計

3.1 混合料級配設計

采用MS-3型級配范圍設計微表處混合料,合成級配曲線見表4。

表4 MS-3型合成級配設計

3.2 油石比確定

選用6.0%～8.0%,間隔0.5%的油石比,完成最佳油石比的設計,試驗分別開展?jié)褫喣ズ闹怠⒇摵绅ど爸怠挾茸兓屎宛ぞ哿υ囼灐Ｔ囼灲Y(jié)果見表5、表6。纖維選用其中一種纖維,本次采用聚丙烯纖維(混合料質(zhì)量的0.2%)。

表5 濕輪磨耗值與負荷黏砂值測定結(jié)果

表6 黏聚力與寬度變化率測定值

從表5、表6可知,當油石比為7%時,纖維微表處的濕輪磨耗值、負荷黏砂值、黏聚力、寬度變化率均滿足設計要求。選用油石比為7.0%作為聚丙烯纖維微表處的最佳油石比。用水量4.5%,水泥摻量1.5%。

同理,采用以上試驗方法,對聚酯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維微表處混合料進行最佳油石比試驗,試驗結(jié)果與聚丙烯纖維微表處混合料的最佳油石比相同,用水量為4.5%,水泥摻量為1.5%。其原因為以上4種纖維的吸油率非常相近,最佳油石比也可得出相同的結(jié)論。

4 不同纖維微表處混合料性能比較

為進一步研究4種纖維對普通微表處(未摻纖維微表處)混合料性能提升幅度,開展了不同纖維摻量的抗磨耗性能試驗、抗水損壞性能試驗、抗車轍性能試驗、低溫性能試驗,對比、分析4種纖維對普通微表處混合料性能提升效果及排序。

4.1 濕輪磨耗比較

對5種微表處混合料進行1 h濕輪磨耗試驗,試驗結(jié)果見圖1。

圖1 浸水1 h濕輪磨耗試驗結(jié)果

從圖1可知,分別添加0.1%的各種纖維后,均可使各種纖維微表處的抗磨耗性能提高;摻量到0.2%時,4種纖維的抗磨耗性能均大幅度下降,聚酯纖維、玻璃纖維的抗磨耗性能竟不及未摻纖維微表處;摻量到0.3%時,抗磨耗性能下降更為明顯,均不及未摻纖維微表處的抗磨耗性能。從抗?jié)褫喣ズ姆矫嬷v,4種纖維微表處纖維摻量為0.2%時,玄武巖纖維和聚丙烯纖維微表處的抗磨耗性能提升幅度為未摻纖維微表處的7.8%、3.3%,其全他兩種纖維微表處不及未摻纖維微表處。

4.2 抗水損壞性能比較

6 d濕輪磨耗試驗結(jié)果見圖2。

圖2 浸水6 d濕輪磨耗試驗結(jié)果

在6 d的浸水后,隨各種纖維摻量的提高,試樣表現(xiàn)為抗水損壞性能均降低。纖維摻量為0.1%時,4種纖維微表處的抗水損壞性能均比未摻時高;摻量為0.2%時,聚酯纖維、玻璃纖維微表處的抗水損壞性能明顯比未摻纖維微表處差,但添加玄武巖纖維、聚丙烯纖維的微表處抗水損壞性能相對未摻纖維微表處的性能有所提高;摻量為0.3%時,4種纖維微表處的抗水損壞性能均很差。纖維摻量為0.2%時,玄武巖纖維、聚丙烯纖維微表處的抗水損壞性能提升效果為未摻纖維微表處的7.1%、1.8%,其他兩種抗水損壞性能劣于未摻纖維微表處的性能。

4.3 抗車轍性能比較

將拌和好的纖維微表處混合料均勻裝入50 mm×300 mm×300 mm的車轍試模,常溫下放置30 min,隨后通過車轍成型機成型車轍板,再放入已達到60 ℃的烘箱中養(yǎng)生1 h,最后常溫冷卻16 h后開展試驗。對5種纖維微表處進行車轍試驗,見圖3。

圖3 車轍試驗結(jié)果

由圖3可知,纖維摻量為0.2%時,4種纖維的動穩(wěn)定度最大。相對未摻纖維微表處,玄武巖纖維微表處抗車轍性能提升幅度為100%,聚丙烯纖維提升幅度為85.7%,玻璃纖維提升幅度為78.6%,聚酯纖維提升幅度為47.4%。玄武巖纖維提升幅度最大,聚丙烯纖維次之。

4.4 抗低溫開裂性能比較

在3.3新成型的車轍板基礎上,切割250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[7]進行試驗。對5種纖維微表處進行低溫開裂試驗,試驗結(jié)果見圖4。

圖4 低溫彎曲試驗結(jié)果

由圖4可知,從最大彎拉應變方面講,隨纖維摻量的提高,微表處混合料的抗彎拉應變能力整體提升,聚酯纖維表現(xiàn)最為明顯,聚丙烯纖維次之。從最大彎拉應變提升效果來講,提升效果由大至小排序為聚丙烯、聚酯纖維、玄武巖纖維。

5 經(jīng)濟社會效益

采用玄武巖纖維或聚丙烯纖維改性微表處混合料后,可明顯提高瀝青路面的使用年限,在太佳西高速公路瀝青路面設計周期15年內(nèi),至少可減少1次中修(銑刨重鋪上面層),維修處治費用估算:1 000 m×22.5 m×150元/m2×1次=337.5萬元,節(jié)約養(yǎng)護費用337.5萬元/km,經(jīng)濟效益可觀。另外,減少一次大面積銑刨重鋪,可減少由于養(yǎng)護施工引起的交通擁堵問題,提升了行車舒適性及便捷性,社會效益顯著。

6 結(jié) 論

(1)隨纖維摻量的增加,4種纖維微表處1 h抵抗?jié)褫喣ズ男阅芙档?6 d抵抗?jié)褫喣ズ男阅芙档?動穩(wěn)定度表現(xiàn)為先增加后降低,最大彎拉應變均表現(xiàn)為增加。當纖維摻量為0.2%時,聚酯纖維、玻璃纖維微表處混合料的抗磨耗性能、抗水損壞性能均比未摻纖維微表處的性能差,玄武巖纖維和聚丙烯纖維的抗磨耗性能和抗水損壞性能略比未摻纖維微表處性能高。

(2)以未摻纖維微表處為比較對象,纖維摻量為0.2%,1 h濕輪磨耗性能提升效果由大至小依次為玄武巖纖維(7.8%)、聚丙烯纖維(3.3%)、聚酯纖維(-17.9%)、玻璃纖維(-25%);抗水損壞性能提升效果由大至小排序為玄武巖纖維(7.1%)、聚丙烯纖維(1.8%)、聚酯纖維(-13.8%)、玻璃纖維(-21.4%);動穩(wěn)定度提升效果排序由大至小依次為玄武巖纖維(121.4%)、聚丙烯纖維(107.1%)、玻璃纖維(96.4%)、聚酯纖維(47.4%);最大彎拉應變提升效果由大至小排序為聚丙烯纖維(39.1%)、玻璃纖維(34.8%)、聚酯纖維(34.3%)、玄武巖纖維(30.4%)。所以,微表處混合料中選擇纖維時,首選玄武巖纖維,其微表處抗水損害方面可提升約7%,抗車轍方面可提升約120%,低溫抗裂方面可提升約30%,其次為聚丙烯纖維,其微表處抗水損害方面可提升約2%,抗車轍方面可提升約107%,低溫抗裂方面可提升約39%,其他2種纖維不選。

(3)纖維微表處中玄武巖纖維和聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.2%。