高原寒冷地區(qū)纖維增強(qiáng)瀝青混凝土應(yīng)用研究

孫洪偉 宮 偉

(西藏天路股份有限公司，西藏拉薩 850000)

0 引言

青藏高原寒冷地區(qū)年平均氣溫低，溫差大，降溫速率快，使瀝青路面不僅承受行車荷載作用還受氣溫、太陽輻射、風(fēng)雨等各種不利條件的影響，導(dǎo)致該地區(qū)瀝青路面早期病害嚴(yán)重［1］。瀝青路面病害與面層瀝青混合料在特殊條件下的性能衰變密切相關(guān)。暴露在大氣外的瀝青路面面層，直接承受溫度與行車荷載作用，氣溫下降時，瀝青面層內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)瀝青面層的應(yīng)力松弛特性低于應(yīng)力增長速度，由應(yīng)力造成的路面損傷將逐漸積累，超過瀝青混合料極限抗拉強(qiáng)度時，瀝青面層發(fā)生開裂［2］。在大氣降水的過程中，水分進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部空隙，難以排出，在動水壓力及凍融循環(huán)作用下路面將進(jìn)一步被破壞，使該地區(qū)瀝青路面的水損害也非常嚴(yán)重［3］。

為改善青藏高原寒冷地區(qū)瀝青路面現(xiàn)狀，提高瀝青混合料的路用性能，特別是低溫抗裂性能和抗水損害性能。本研究采用瀝青混合料中摻入纖維，可以明顯增強(qiáng)瀝青混合料的柔性，有利于提高瀝青混合料的低溫抗裂性能［4-7］。

為此，本文采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)，研究低溫條件下瀝青混合料彎拉特性，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)其水穩(wěn)定性性能，采用彎拉疲勞試驗(yàn)評價其疲勞性能［8，9］，以期為提高瀝青混合料的抗低溫開裂能力、水穩(wěn)定性能和抗疲勞性能提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及混合料配合比

1)瀝青。

試驗(yàn)瀝青取樣為西藏天馳公路材料科技發(fā)展有限公司供貨的SBR改性瀝青，試驗(yàn)結(jié)果見表1，滿足JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范關(guān)于聚合物改性瀝青(SBRⅡ-A)技術(shù)要求。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2)集料和礦粉。

研究所用粗集料為花崗巖、石灰?guī)r，細(xì)集料為天然砂和石屑，礦粉為磨細(xì)石灰石。

3)纖維。

表2 纖維物化指標(biāo)

4)混合料配合比。

在礦料級配組成研究基礎(chǔ)上，根據(jù)面層設(shè)計與碎石室內(nèi)篩分結(jié)果，確定的礦料級配組成見表3。

表3 AC-13礦料試驗(yàn)級配組成

纖維摻量為推薦用量，占瀝青混合料總質(zhì)量的0.25%。通過摻加纖維與未摻纖維兩種瀝青混合料，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)指標(biāo)要求和方法，得出未摻纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的最佳油石比為5.5%，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的最佳油石比為6.3%，增大0.8%。

2 低溫抗裂性

研究采用0℃彎曲蠕變和-10℃低溫彎曲試驗(yàn)得出，摻入纖維后，瀝青混合料的彎曲蠕變速率仍然是隨著瀝青用量的增加而增大，最佳瀝青用量下的彎曲蠕變速率比未摻纖維混合料有所增大，蠕變速率對瀝青用量的敏感性減小;瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變隨著瀝青用量的增加而增大，比未摻纖維的瀝青混合料明顯增大，破壞彎拉強(qiáng)度并沒有明顯提高，破壞勁度模量減小，混合料的柔性得到了一定程度的增強(qiáng)。總體而言，纖維在瀝青混合料中起到的加筋和橋接作用，有利于瀝青混合料低溫抗裂性能的提高。

研究對推薦纖維摻量的瀝青混合料進(jìn)行-10℃彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)證混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見，纖維增強(qiáng)改性瀝青混合料的低溫彎曲破壞強(qiáng)度和應(yīng)變均大于未摻纖維混合料，分別提高5.6%和30.1%，破壞彎拉應(yīng)變得到大幅度提升;破壞勁度模量減小18.8%，混合料低溫抗裂性能提高，且滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求。

3 水穩(wěn)定性

研究纖維增強(qiáng)瀝青混凝土-18℃凍融劈裂試驗(yàn)得出，在相同瀝青用量下，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的凍融劈裂強(qiáng)度比有所減小，關(guān)鍵在于不改變?yōu)r青用量的情況下?lián)饺肜w維，將導(dǎo)致混合料空隙率增大，混合料抗凍性能降低。在纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的最佳瀝青用量下，其空隙率與未摻纖維增強(qiáng)瀝青混凝土接近，凍融劈裂強(qiáng)度比有所提高，主要在于纖維的摻入和瀝青用量的增加，使混合料的瀝青膜厚度增大，纖維填充部分內(nèi)部空隙，且使瀝青粘滯度增大。

研究對纖維增強(qiáng)瀝青混凝土在其最佳瀝青用量下進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見表5，表6。

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可見，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，水穩(wěn)定性良好。

4 抗疲勞性能

瀝青路面使用期間經(jīng)受車輪荷載和環(huán)境條件的重復(fù)作用，長期處于應(yīng)力應(yīng)變交替變化狀態(tài)，導(dǎo)致瀝青混合料強(qiáng)度不斷衰減;當(dāng)重復(fù)作用超過一定次數(shù)后，在應(yīng)力或應(yīng)變超過混合料極限強(qiáng)度與變形時，瀝青路面出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。對于青藏公路而言，在長期低溫、大溫差條件下，行車荷載與溫度荷載綜合重復(fù)作用的瀝青路面疲勞破壞更為顯著。

研究對未摻瀝青混合料與摻0.25%纖維增強(qiáng)瀝青混凝土在20℃和-10℃下進(jìn)行控制應(yīng)力模式的彎拉疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用5 cm×5 cm×24 cm棱柱體梁式試件，加載半正弦波形荷載，加載頻率10 Hz，中點(diǎn)加載。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按應(yīng)力控制方式回歸疲勞方程，利用應(yīng)力水平和疲勞壽命的雙對數(shù)回歸直線的斜率和截距可以得到參數(shù)k和n。

其中，Nf為達(dá)到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)，次;σ0為初始的彎拉應(yīng)力(應(yīng)力水平)，MPa;k，n均為試驗(yàn)回歸參數(shù)。

由試驗(yàn)結(jié)果可得，在相同溫度條件下，不論是20℃還是-10℃，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù)k和n均大于未摻纖維增強(qiáng)瀝青混凝土，說明摻入纖維可以提高瀝青混合料的抗疲勞性能，但疲勞壽命對應(yīng)力水平變化更為敏感。試驗(yàn)溫度為-10℃時，未摻纖維增強(qiáng)瀝青混凝土和纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的疲勞壽命明顯增大，回歸參數(shù)k和n均大于20℃試驗(yàn)結(jié)果，這可能與溫度影響瀝青混合料勁度模量有關(guān)。

5 結(jié)語

1)采用纖維增強(qiáng)混凝土可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，破壞強(qiáng)度和破壞彎拉應(yīng)變分別提高了5.6%和30.1%，破壞勁度模量減小18.8%;纖維增強(qiáng)混凝土的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均能滿足要求，說明水穩(wěn)定性較好。

2)纖維增強(qiáng)瀝青混凝土在-10℃和20℃的溫度下進(jìn)行控制應(yīng)力模式的彎拉疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)回歸參數(shù)k和n均大于未摻纖維增強(qiáng)的瀝青混凝土，說明摻入纖維可以提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

［1］ 馬 骉，韋佑坡，王 磊，等.高原寒冷地區(qū)瀝青混合料彎拉特性分析［J］.公路交通科技，2010，27(3)：44-48.

［2］ 張英富，廖碧海，楊 濤.纖維加強(qiáng)瀝青混凝土低溫抗裂性能試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)，2010(9)：93-94.

［3］ 苗英豪，王秉綱，李 超，等.中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案［J］.長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(1)：26-30.

［4］ 楊子江.纖維在瀝青混凝土中的試驗(yàn)性能分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(24)：7-10.

［5］ 李 星，楊志銘，字學(xué)強(qiáng).聚酯纖維瀝青混凝土性能研究［J］.廣東建材，2010(11)：81-82.

［6］ 朱朝輝.外摻纖維瀝青混合料的路用性能研究［M］.北京：科教出版社，2004.

［7］ 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［8］ 劉亞敏，韓 森，徐鷗明，等.疲勞試驗(yàn)中瀝青混合料的彎拉勁度模量［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(2)：68-69.

［9］ 徐鷗明.瀝青含量對混合料疲勞極限特性的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2009(30)：72-73.