纖維瀝青混凝土的常規性能

王 琢

1 概述

纖維瀝青混合料的研究重點置于高溫穩定性能,本文主要針對纖維瀝青和纖維瀝青混合料的低溫性能,對抗裂能力進行了比較系統的分析。纖維是否能改善各方面的性能,仍需進行其他常規的性能試驗,包括馬歇爾穩定度試驗、低溫劈裂試驗等。

2 AK混合料的材料組成

1)集料。防滑面層為瀝青路面結構最上面層,直接承受車輛荷載作用,要求面層瀝青混合料具有較高的強度和耐磨能力。因此,粗集料應該具有立方體形狀,便于形成嵌擠結構;其次應具有較好的堅固性和耐久性。本試驗采用的粗細集料全部為玄武巖,它既具有較高的強度,也與瀝青具有較好的粘附性。礦粉為石灰巖破碎的礦粉。

2)瀝青。瀝青為新加坡ESSO 70號石油瀝青。

3)纖維。纖維的基本性質見表 1。

4)級配組成。根據四檔玄武巖集料10mm～15mm,5mm～10mm,3mm～5mm和0mm～3mm,對AK-13A瀝青混合料進行了級配組成設計。合成級配見表 2。

表1 三種纖維的物理力學參數

表2 AK-13A混合料的集料級配

通過混合料配合比設計試驗,未加纖維的AK-13A瀝青混合料的最佳瀝青用量為 4.7%,加入纖維后,由于纖維的吸油作用將提高最佳瀝青用量。考慮到本試驗中采用的纖維為聚合物纖維,其吸油率較木質素纖維低,因此未考慮纖維的吸油影響而增加瀝青用量。這也便于比較在相同瀝青用量情況下的混合料性能,纖維用量為礦料總重的0.2%。

3 纖維瀝青混凝土性能試驗

3.1 馬歇爾穩定度試驗

馬歇爾試驗是常規的瀝青混合料組成設計試驗,尤其適合于密實型瀝青混合料,它能反映混合料的高溫穩定性能。在馬歇爾試驗中,采用雙面 75次重型擊實的試件。纖維用量為 0.2%的F1,F2和 F3纖維瀝青混合料與未加纖維的瀝青混合料的馬歇爾試驗結果見表3。由表 3可知,三種纖維瀝青混合料的密度和空隙率有差異,其原因可能在于纖維的分散性不同。根據混合料的拌和情況也可看出,F2纖維在與礦料干拌時很難均勻分散,甚至結團,造成混合料壓實度小。而 F1纖維在纖維瀝青中已經顯示出它與瀝青很好的混溶性,同樣在混合料中也具有較好的分散性,提高了混合料的壓實度。從混合料的穩定度和流值可以看出,除壓實度最小的F2纖維瀝青混合料之外,F1和 F3纖維瀝青混合料的穩定度都較未加纖維的瀝青混合料高,其原因在于纖維在混合料中的橋接加筋作用,提高了材料的穩定性能。根據馬歇爾試驗的荷載—變形圖(見圖 1),也可以看出纖維在混合料中的作用。未加纖維時,混合料的P—u曲線具有很明顯的峰值,即混合料破壞后很快失去承載能力;而當纖維加入之后,P—u曲線并未出現明顯的峰值,有時呈現鋸齒形狀,表明混合料在破壞時,雖然瀝青膜與礦料界面發生剝離,但纖維仍可將它們拉住,從宏觀來看,纖維體現出加筋增韌的作用。即使F2纖維在混合料中分散性不好導致馬歇爾穩定度降低,但纖維提供的握裹力提高了它的破壞變形。

表3 纖維瀝青混合料的馬歇爾試驗結果

本試驗采用的纖維用量適中,在混合料中分散比較均勻,其中 F1纖維在混合料中還起到提高壓實度的作用。

3.2 劈裂試驗

瀝青路面開裂包括低溫縮裂以及面層底部在重復荷載下導致的疲勞開裂,因此,瀝青混合料的抗拉強度和應力松弛能力是影響抗裂能力的兩個方面。評價瀝青低溫性能的試驗方法較多,如直接拉伸試驗、間接拉伸試驗(劈裂試驗)、小梁彎曲試驗、收縮系數試驗、應力松弛試驗等。其中劈裂試驗比較簡單,測試方便,應用較廣。本試驗分別采用了 15℃和-10℃兩種試驗溫度,評價其在常溫和低溫環境下的抗裂性能。

試驗試件由馬歇爾擊實儀成型得到的圓柱體試件,其中15℃時的加載速度為 50mm/min,在劈裂試驗機上進行測試。由于應變傳感器故障,未采集到試件的變形,因此,計算中只得到了混合料的劈裂抗拉強度,而未得到它的劈裂模量。-10℃時的加載速度為1mm/min,在MTS上測試,既測到了混合料的劈裂強度,又測到了它的劈裂模量。

在常溫下,纖維瀝青混合料的劈裂強度有所提高,體現了纖維在混合料中的加筋作用;在低溫下,纖維瀝青混合料的劈裂強度基本不變或稍有增加,而劈裂模量較普通瀝青混合料的低,說明了纖維在低溫下對混合料起到增韌作用。從常溫和低溫的劈裂強度和劈裂模量來看,以F1纖維對瀝青混合料性能的改善效果最好,常溫下的劈裂強度提高 12.4%,低溫下的劈裂模量降低23.9%。可見纖維品種不同,其對瀝青混合料的加筋增韌效果也不一樣。

4 結語

為了全面評價纖維瀝青混合料的性能,本研究除在分析纖維瀝青、瀝青瑪脂、纖維瀝青混凝土的斷裂性能外,補充了纖維瀝青混凝土的馬歇爾穩定度試驗、劈裂試驗。根據馬歇爾穩定度試驗,在瀝青混凝土中加入纖維后,分散性好的纖維不僅可以提高混合料的壓實度,而且纖維在混合料中的橋聯加筋作用使高溫穩定性能具有較大的改善,馬歇爾穩定度可提高 18%左右。常溫和低溫劈裂試驗表明,加入纖維后,其加筋作用通過常溫劈裂強度和低溫劈裂模量反映出來。以F1纖維為例,常溫下的劈裂強度提高12.4%,低溫下劈裂模量降低 23.9%,可見纖維的增強增韌效果比較明顯。其改善效果隨纖維品種不同而有所變化。

由此可見,纖維瀝青混凝土的高溫穩定性、低溫抗裂性和疲勞性能均比普通瀝青混凝土有所提高,但抗水損害能力降低幅度較大。這些性能與纖維品種、纖維用量、纖維在混合料中的分散性以及瀝青用量等有關,在實際使用過程中應綜合考慮這些因素對材料性能的影響。

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