玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料性能影響

羅 涌

(福州高新區投資控股有限公司,福建 福州 350000)

高模量超薄改性瀝青混合料常被用于瀝青超薄磨耗層中,由于其改性瀝青的高黏度使高模量瀝青混合料的剛度較大,路面不易產生塑性變形,提升瀝青路面的平整度與行車舒適性,降低了瀝青路面的養護和維修成本[1]。但是隨著我國經濟發展,公路交通車流量、車輛軸重進一步的增加。以及隨著全球變暖,極端氣候事件頻發,給公路交通事業發展造成了阻礙。高模量超薄改性瀝青混合料因為剛性較高,在溫度變化大、重載車輪的反復碾壓之下容易產生裂縫,裂縫在雨季中又進一步的發展成水損害。

國內外學者們通過研究發現,纖維能夠連接瀝青混合料中骨架之間的空隙,纖維與瀝青混合料膠結形成的拉力,能夠分擔部分車輪荷載。同時纖維能夠增加瀝青與礦料之間的黏附性,從而提升瀝青路面的水穩定性。郝孟輝等[2]發現短切玄武巖能夠顯著提升AC-13C基質瀝青混合料的動穩定度、-10 ℃彎曲破壞應變、抗疲勞性能。徐剛等[3]發現0.2%摻量的礦物棉纖維對AC-16C瀝青混合料的抗裂性和抗形變能有著較大幅度提升。劉向杰[4]發現0.3%摻量玄武巖纖維能夠很好地提升瀝青的稠度與瀝青膠漿的抗剪強度。李祖仲等[5]使用堿、硅改性的蔗渣纖維摻入基質瀝青混合料,發現其動穩定度和殘留穩定度分別提升了15.0%,7.5%。為了探究纖維對高模量改性瀝青混合料是否也具有積極作用,同時確定其最優摻量,以Sulp-10高模量改性瀝青混合料為基礎,加入不同摻量的短切玄武巖纖維,通過一系列路用性能試驗評價改性效果。

1 瀝青混合料配合比設計

1.1 原材料性能

1.1.1 瀝青

試驗采用上海繽德新材料科技有限公司生產的DTO高延性改性瀝青,主要技術指標如表1所示。

表1 DTO高延性改性瀝青的技術指標

1.1.2 集料

試驗采用閩清廠輝綠巖,其主要技術指標如表2所示。

表2 細、粗集料技術指標

1.1.3 纖維

將玄武巖作為主要原料,經過高溫融化后拉絲并噴灑親油劑浸潤,最后聚攏纏繞短切成條狀纖維。其具有親油性好、不易拉斷、化學性質穩定等優點,主要技術指標如表3所示。

表3 玄武巖纖維技術指標

1.1.4 礦粉

礦粉由巖漿巖中強基性憎水性石料磨細制成,其主要技術指標如表4所示。

表4 礦粉技術指標

1.2 合成級配確定

集料混合料級配采用Sulp-10型,各材料比例情況見表5,集料混合料通過篩孔百分率見表6。

表5 各材料比例情況

表6 集料混合料通過篩孔百分率

1.3 最佳油石比確定

根據初試油石質量比(下同)5.8,上下各調整兩個0.5%,雙面各擊實75次成型標準馬歇爾試件,根據表7中所示的馬歇爾體積參數指標確定最佳油石比。

表7 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

經綜合比較,選用油石比為5.8%。

2 不同短切玄武巖纖維摻量下高模量改性瀝青混合料的路用性能

選取瀝青混合料質量的0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%短切玄武巖摻入高模量改性瀝青混合料參照未摻纖維對照,通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗等來評價短切玄武巖纖維不同摻量下高模量改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 高溫穩定性能評價

通過車轍試驗來評價短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料的高溫穩定性的影響。不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料車轍試驗結果見圖1。

可以看出當短切玄武巖纖維摻量為0.3%時,動穩定度達到峰值,比未摻纖維的對照組提升了58.1%。這是因為當瀝青混合料中纖維的含量較少時,纖維能夠很好地被分散在瀝青混合料的骨料間隙之中,提升瀝青與礦料的黏附性能。同時纖維可以增強瀝青混合料的韌性,使其在高溫和反復輪壓環境下不容易出現大量塑性變形。當短切玄武巖纖維摻量超過0.3%時,動穩定度迅速下降。這可能是因為,當纖維摻量超過臨界點時,纖維無法很好地被分散在瀝青膠結料之中,而成團的纖維不僅會影響粗細集料原本的組成級配,還會使瀝青混合料變得硬脆,容易從成團的纖維處開裂,降低高溫穩定性。

2.2 低溫抗裂性能評價

采用低溫小梁彎曲試驗來評價短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料的低溫抗裂性的影響。不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料車轍試驗結果如圖2所示。

從圖2中可以看出當短切玄武巖纖維摻量為0.3%時,-10 ℃破壞彎拉應變達到峰值,比未摻纖維的對照組提升了29.4%。這是因為高模量改性瀝青混合料,由于其剛度高在低溫環境下容易變得硬、脆,受荷易發生脆性斷裂。同時在低溫環境下,混合料內部會受到凍脹影響,削弱了瀝青與粗集料的黏結力,易產生不均勻裂縫。而隨著纖維的加入,在高模量改性瀝青磨耗層裂縫未發生時,可以通過連接骨料之間的空隙使其變得更有韌性,從而延緩裂縫的產生。在裂縫發生后,纖維也具有分散車輪荷載以及凍脹應力的能力,阻止裂縫的進一步擴張。但是當纖維的摻量超過臨界點,過于過多的纖維堆積,加大了瀝青混合料之間的空隙率,降低了低溫抗裂性。其次過多的纖維,就無法起到分散內部和外在應力的作用,反而在車輪碾壓之下會生產脆性斷裂。最后,過多的纖維會使本身已經經過了高模量改性的瀝青過稠,限制了其流動,降低了高模量改性瀝青磨耗層在低溫下的延伸能力。

2.3 水穩定性評價

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料低溫抗裂性的影響。

2.3.1 浸水馬歇爾試驗

不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果如圖3所示。

從圖3中可以看出當短切玄武巖纖維摻量為0.3%時,殘留穩定度達到峰值,比未摻纖維的對照組提升了6.4%。未摻纖維的高模量改性瀝青磨耗層,其高模量改性瀝青雖具有較強的黏聚性,但是在多雨季節可能會由于水分無法很快的排出,水在瀝青混合料中滯留,消弱瀝青的黏結能力,使礦料脫落最終造成水損害。而隨著纖維的加入可以一定程度上提升高模量改性瀝青混合料的飽和度,并降低其空隙率,在很大程度上阻止了水的入侵。其次,纖維也具有一定的吸水能力,吸收混合料內部的水分,避免其因水膨脹產生裂縫。最后,玄武巖纖維有著優良的物理化學性質,在水分入侵時也能保持原有的強度和穩定性。同樣,在纖維摻加過多時,高模量改性瀝青混合料的水穩定性會下降,如圖3所示,當短切玄武巖纖維摻量為0.5%時,其水穩定性斷崖式下跌至與未摻纖維的高模量改性瀝青混合料接近。這可能是因為過多的纖維因無法被分散,膠結成團。成團的纖維吸收了過多的水分,導致其在壓力下失穩,使水穩定性降低。其次,過多的纖維影響了粗細集料的分布,使其失去了原本密級配嵌擠下所形成的結構穩定性。

2.3.2 凍融劈裂試驗

不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果如圖4所示。

從圖4中可以看出當短切玄武巖纖維摻量為0.3%時,凍融劈裂殘留強度比達到峰值,比未摻纖維的對照組提升了10.2%。未摻纖維的高模量改性瀝青混合料在被水分侵蝕之下,隨著氣候變化造成的凍融循環,瀝青混合料內部應力反復累加,最后導致水損害。而纖維的摻入可以增加瀝青混合料的黏結面積,從而使高模量改性瀝青混合料提升抵抗凍融循環的能力。同樣過多的纖維會結團,產生應力集中等危害,使高模量改性瀝青混合料的水穩定性下降。

3 試驗段

為了進一步檢測在玄武巖纖維最優摻量下高模量改性瀝青磨耗層的路用性能,在福建省南平市鋪裝了長600 m的試驗段(以下提及的規范為JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范)。

3.1 壓實度檢測

在試驗段現場隨機取三個芯樣,并檢測其密度,根據理論最大相對密度(計算法)換算壓實度,數據見表8。

表8 壓實度檢測

已知試驗段的壓實度規范值為不小于92%,由表7所示三個芯樣的壓實度均滿足要求。證明了玄武巖纖維高模量改性瀝青磨耗層級配設計合理,且施工工藝合規。

3.2 滲水系數檢測

在試驗段鋪筑并試運行一年后,隨機抽取6個點,測其滲水系數,數據如表9所示。

表9 滲水系數檢測

由表8所示,該試驗段6個點位的滲水系數均遠低于普通密級配瀝青混合料的規范值300 mL/min。說明短切玄武巖纖維的加入,通過連接骨料之間的孔隙,降低了瀝青混合料的孔隙之間的連通性,使骨料之間被膠結得更加緊密,阻止了水的浸入。

3.3 平整度檢測

在試驗段鋪筑并試運行一年后,使用八輪儀對試驗段的平整度進行檢測,隨機抽取6條車道檢測平整度。平整度由標準差表示,數據如表10所示。

表10 平整度檢測

由表9所示,該試驗段6個車道的平整度均遠小于規范值1.2 mm,證明了纖維在瀝青混合料中起到加筋作用,分散了車輪荷載帶來的應力,減輕了瀝青路面的不均勻沉降、車轍等病害,提高了行車舒適性。

3.4 摩擦系數檢測

在試驗段鋪筑并試運行一年后,使用擺式摩擦儀對試驗段的抗滑指標進行檢測,同樣抽取6個點,抗滑指標由摩擦系數BPN表示,數據如表11所示。

表11 抗滑指標檢測

由表10所示,該試驗段6個點位的均大于設計值50BPN,證明了纖維摻加增強了骨料之間的抗滑移能力,使表面骨料不易受荷脫落。同時纖維的摻入提升了骨料之間的內摩擦角,增加了車輪與瀝青混合料之間的接觸面積,增強了抗滑性能。

3.5 試驗段性能總結

試驗段的鋪裝證明了該瀝青混合料的配合比設計合理可行,同時也證明了纖維對提升瀝青路面的水穩定性、平整度、抗滑性能均有著積極的作用。

4 結論

1)根據車轍試驗、小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗,得出短切玄武巖纖維的最佳摻量為0.3%,在該摻量下,高模量改性瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性均有顯著提升,其中動穩定度提升了58.1%,-10 ℃破壞彎拉應變提升了29.4%,殘留穩定度提升了6.4%,凍融劈裂強度比提升了10.2%。

2)當玄武巖纖維的摻量超過最佳摻量,因纖維無法很好地被分散,造成應力集中等危害、導致高模量改性瀝青混合料的各項性能均有所下降。

3)通過對已通車一年的試驗段進行檢測,發現其水穩定性、平整度、抗滑性能均良好,證明了該瀝青混合料的配合比設計合理,高模量改性瀝青磨耗層中纖維的摻入對行車舒適性、各項路用性能的提升均有著積極作用。