玄武巖纖維瀝青混凝土路用性能研究

仰建崗,劉　燕,林天發(.華東交通大學土木建筑學院,江西南昌　0000;.江西交通職業技術學院路橋工程系,江西南昌　0000;.江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西南昌　005)

玄武巖纖維瀝青混凝土路用性能研究

仰建崗1,劉燕2,林天發3
(1.華東交通大學土木建筑學院,江西南昌330000;2.江西交通職業技術學院路橋工程系,江西南昌330000;3.江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西南昌330025)

為降低路面的初期損害,確保路面的壽命,可在瀝青混合料中摻加玄武巖纖維,基于AC 13C型級配,對混合料摻加不同摻量的玄武巖纖維,并采用馬歇爾試驗找出各個摻量下的最佳油石比,然后進行高溫車轍和低溫抗裂試驗.結果表明,玄武巖纖維最佳摻量為0.3%,且可顯著改善混合料的路用性能.

玄武巖纖維;瀝青混合料;高溫車轍試驗;低溫抗裂試驗

0　引　言

相對于水泥混凝土路面,瀝青混合料路面具有無接縫、耐磨、振動小、行車舒適、噪聲低、施工容易以及工期短等優點,因此在世界各地得到廣泛應用[1].但是瀝青路面容易出現一些早期損害,例如車轍變形、路面裂縫及早期水破壞,這與中國普遍采用的半剛性基層有很大關系.雖然利用改性劑可在一定程度上改善瀝青的性能,但后期大量的試驗研究發現,改性劑提高瀝青性能的能力有限,于是國內外開始轉向研究纖維添加劑,從而有了對木質纖維、聚合物纖維、玻璃纖維、石棉纖維、鋼纖維的研究[2-9].這類研究雖然發現了一些改善效果,但副作用和缺陷也比較明顯,直到玄武巖礦物纖維的出現,才使纖維作為瀝青混合料添加劑的使用效果有了較大的提升.具有代表性的是BF纖維,這是中國自主創新的路用纖維,浙江省先后修筑了30多條使用BF纖維的公路養護新建及改建試驗路.經過使用與評估,研究人員發現BF纖維的抗車轍效果非常明顯.河北、河南、江西、湖北、湖南等省份也先后在瀝青路面進行了摻加BF纖維的試驗,同樣取得了良好的應用效果.但是由于技術還不成熟,相關的數據積累、設備及工藝方面的規程還沒有完成,所以仍需不斷完善,以便于該技術的推廣.

本文通過對采用AC13級配的瀝青混合料進行高溫穩定性、低溫抗裂性試驗,研究玄武巖纖維增強瀝青混凝土的路用性能效果.

1　原材料與試驗方案

1.1玄武巖纖維

連續玄武巖纖維是以純天然玄武巖礦石為惟一原料,使其在1 500℃～1 600℃高溫下熔融,并通過鉑銠合金漏板連續拉制而成,具有原料廉價、工藝簡單、綜合性能高、環境友好等特征.

本文所選用的纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的長度為6 mm的短切玄武巖纖維(FB).其樣品外觀如圖1所示,技術指標見表1.

圖1　玄武巖纖維外觀

表1　BF玄武巖纖維技術指標

1.2瀝青性質

試驗使用的瀝青是由浙江形寶盈物資集團有限公司提供的殼牌SBS改性瀝青,根據?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程?(JT E20—2011)中的試驗方法,對其進行相關性能試驗,試驗結果見表2.

表2　殼牌SBS改性瀝青

由表2可知,殼牌SBS改性瀝青的各項技術指標均符合道路石油瀝青的技術要求.

1.3集料與填料性質

本試驗選用的集料為10～16 mm、5～10 mm的輝綠巖,3～5 mm的石灰巖以及0～3 mm的機制砂.根據?公路工程集料試驗規程?(JT E42—2005)的試驗方法進行了集料的相關性質試驗,結果見表3、4.

表3　粗集料的技術指標

瀝青路面使用的礦粉應能與瀝青形成很好的膠漿,表面干燥、潔凈.本試驗所選礦粉的技術指標見表5.

表4　機制砂的技術指標

表5　礦粉的技術指標

1.4級配選擇

密級配瀝青混凝土AC作為一種傳統的混合料級配,目前已被廣泛地應用在公路工程中.本次研究所用的級配是懸浮密實結構的瀝青混合料AC 13C,它主要用在瀝青混凝土路面的上面層.在其中摻加不同量的玄武巖纖維,通過馬歇爾試驗來確定不同纖維摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料最佳油石比,從而得出纖維摻量與最佳瀝青用量的對應關系.級配組成見表6.

表6　AC13C瀝青混合料組成級配

表6　AC13C瀝青混合料組成級配

篩孔/mm 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075通過百分比/% 100 90～100 65～85 38～68 24～50 15～38 10～28 7～20 5～15 4～8中值/% 100 95 76.5 53 37 26.5 19 13.5 10 6實際取值/% 100 96.6 77.0 49.6 27.0 19.0 12.9 8.6 6.8 6.4

1.5試驗方案

首先對無纖維瀝青混合料進行馬歇爾試驗,得出最佳油石比.然后將纖維作為外摻料,按一定間隔的摻量加入瀝青混合料中進行馬歇爾試驗,～,從而確定每一纖維摻量下混合料的配合比.纖維的摻量以混合料的質量百分數計,分別以0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的摻量拌制瀝青混合料進行馬歇爾試驗,并計算出各自摻量下的最佳油石比.為確定最佳纖維摻量,對馬歇爾試驗確定的不同纖維摻量下的混合料配合比進行車轍試驗、低溫小梁彎試驗,比較不同摻量下的高低溫性能表現.

2　試驗結果與分析

2.1最佳油石比的確定

本文采用馬歇爾試驗法確定最佳油石比,試件為雙面擊實75次成型的標準馬歇爾試件.試驗按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程?(JTJ 052—2011)中的要求進行.由經驗公式初步確定對比組瀝青混合料的5個瀝青用量(油石比)為35%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%,由馬歇爾試驗結果可確定對比組瀝青混合料的最佳油石比為4.7%.同樣方法,得出纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%時瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%、4.9%、4.9%、5.0%、5.1%、5.1%.最佳瀝青用量下的馬歇爾試驗結果見表7.

從表7可以看出:隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的毛體積密度一直在減少;在纖維用量從0增加到0.3%再到0.6%的過程中,盡管瀝青含量不斷增大,但混合料的穩定度表現為先升后降,纖維用量為0.3%時最大,因此,可以初步判定0.3%為最佳摻量.

表7　最佳瀝青馬歇爾指標

經研究與分析,產生以上效果的原因是:由于纖維自身相對密度較小,隨著用量增加,混合料密度也隨之下降越多;當礦物纖維的加入量增加到0.3%時,可以使瀝青混合料易于壓實,與同級配無纖維瀝青混合料相比密實度更高,空隙率比無纖維瀝青混合料更小,穩定度逐漸增大,起到加筋的作用.隨著纖維用量的進一步增大,瀝青含量增大,纖維出現結團現象,導致瀝青混合料的穩定度逐漸降低.

2.2高溫車轍試驗與結果分析

本文采用北京今谷神箭公司生產的車轍儀進行車轍試驗,車轍儀傳感器精度達到0.002 mm,滿足試驗精度要求,量程為0～30 mm,整個試驗過程由系統自動控制,同時自動采集試驗過程數據,并計算得到動穩定度.試驗按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程?(JTJ 052—2011)中的要求進行.

分別對各種摻量的瀝青混合料進行高溫車轍試驗,試驗溫度為60℃,集料級配為AC3C.試驗結果見表8.

表8　不同摻量瀝青混合料車轍試驗結果

由表8可知,隨著纖維用量的增加,瀝青混合料的動穩定度得到了顯著的提高,這說明纖維的加入對AC3C瀝青混合料的高溫穩定性有明顯的改善作用.在摻加了0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的纖維后,混合料的動穩定度分別提高了40.8%、109.9%、84.6%、63.8%、31.4%,相對變形率降低了22.4%、67.1%、48.4%、31.6%、14.3%.混合料動穩定度隨著纖維用量的增加而提高,在纖維用量達到0.3%時出現峰值;45 min、60 min位移及相對變形率隨著纖維用量的增加而降低,在纖維用量達到0.3%時降到最低.這說明摻加玄武巖纖維的瀝青混合料比不摻纖維的混合料在抗高溫能力方面要優越很多.相對變形率代表瀝青混合料在荷載作用下車轍發展的全過程,它更能反映瀝青混合料在高溫下的抗永久變形能力.相對變形率越小說明混合料抵抗永久變形能力越強.

經分析,產生以上情況的原因可能是:首先,加入玄武巖纖維后,瀝青混合料中隨機分布的玄武巖纖維網絡對瀝青的流動產生較大的摩阻力,從而增大了瀝青膠漿的粘度;其次,纖維表面呈堿性會與瀝青很好地結合,增加了結構瀝青的膜厚,并處于穩定的狀態,在高溫情況下纖維內部的空隙將為受熱膨脹的瀝青提供一定的緩沖空間,減小瀝青路面高溫時泛油的可能性;再次,纖維在混合料中形成的空間網狀結構進一步減小了混合料的塑性變形,增強了瀝青混合料的高溫抗剪切性能.

由車轍試驗還可以得出纖維的最佳摻量,這是因為當纖維用量較低時,纖維能夠充分分散于混合料中,起到加筋的作用;隨著纖維用量的進一步增大,瀝青含量增大,纖維出現結團現象,導致瀝青混合料的高溫穩定性降低.因此,摻玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能要遠遠優于未摻纖維的混合料.

2.3低溫抗裂性試驗與結果分析

試驗采用由輪碾法成型的車轍板切割而成的30 mm×35 mm×250 mm棱柱體小梁試件;試驗時加載跨徑為200 mm;加載方式為單點加載;加載速率為50 mm?min－1;加載設備為微機控制瀝青混合料低溫彎曲系統,采用設備自帶環境箱控溫為－10℃.

分別對不同纖維摻量的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗,試驗按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程?(JTJ 052—2011)中的要求進行,結果見表9.

表9　低溫彎曲試驗結果

由表9可知,隨著纖維摻量的增加,彎拉強度、彎拉應變不斷增大;當纖維含量達到0.3%時,由于瀝青量增加,彎拉應變增長緩慢,但彎曲強度降低導致彎曲勁度模量降低,且當纖維摻量為0.3%時,混合料的彎拉強度和最大彎拉應變達到最大,彎曲勁度模量達到最低,此時的混合料抗低溫開裂性能最好,這說明在本次試驗情況下,0.3%的纖維用量是臨界點,實際施工過程中纖維的摻量可考慮工程的實際需要并結合經濟性綜合確定.

中國規范中以小梁最大彎拉破壞應變表征瀝青混合料抵抗低溫開裂的能力,破壞應變越大,說明瀝青混合料的低溫抗裂性能越好.加入纖維后混合料的最大彎拉應變提升顯著,當纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時,混合料的彎拉應變分別提高了12.5%、29.2%、20.1%、15.0%、10.1%.從破壞應變角度分析,纖維的加入對混合料的抗開裂性能有很大的增強作用,分析其原因如下.

(1)瀝青混合料小梁試件在低溫的彎曲破壞主要是由于瀝青混凝土內部應力產生拉裂破壞而引起的.因此,在低溫條件下,瀝青混合料內部的粘結力起著十分重要的作用,隨著纖維加入,多余瀝青被纖維吸附,瀝青勁度增大,瀝青混合料內部粘結力也隨之增大;當纖維摻量過多時,多余的纖維存在于瀝青混合料中,顆粒之間的剪切應力下降,抗低溫能力也會隨之降低.

(2)玄武巖纖維的加入,對AC結構密級配瀝青混合料的“橋接”和“加筋”作用較為明顯,這種作用能有效地防止瀝青路面裂縫的產生,增強了瀝青混合料的低溫抗裂性能.

(3)纖維能增加AC結構瀝青混合料的柔性.試驗結果表明,瀝青混合料在加入玄武巖纖維后具有一定的彈性,即通過“橋接”和“加筋”作用使瀝青混合料具有了較好的柔性,對顆粒間的應力具有一定的分散作用,使得瀝青路面在低溫環境中能更好地適應因溫度降低而引起的變形,減少在低溫環境中容易出現的路面裂縫,這對于改善路面低溫性能具有相當重要的作用.

3　結　語

(1)由馬歇爾試驗、高溫車轍試驗和低溫小梁彎曲試驗可以得出,瀝青混合料的馬歇爾穩定度、高溫穩定性和低溫抗裂性隨著玄武巖纖維摻量的增加先升高后降低,摻量臨界值為0.3%.

(2)玄武巖礦物纖維對密級配瀝青混合料AC的高溫穩定性具有明顯的改善效果.由試驗結果可知,摻量為0.3%玄武巖纖維瀝青混合料動穩定度比無纖維瀝青混合料的動穩定度提高了109.9%,并且相鄰兩摻量之間,該摻量提高的幅度最大;相應的相對變形率也降低67.1%.

(3)在最佳玄武巖纖維含量下,玄武巖礦物纖維改善了低溫抗裂能力,混合料的彎拉應變提高了29.2%.

(4)值得注意的是,隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的毛體積密度一直在減小,最佳油石比逐漸增加,空隙率在0.3%時最小,這應該對混合料的水穩定性有改善作用,由于篇幅限制,本文沒有對水穩定性試驗進行相關的討論分析.

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[責任編輯:王玉玲]

Research on Road Performance of Basalt Fiber Asphalt Concrete

YAN Jiangang1,LIU Yan2,LIN Tian-fa3
(1.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330000,Jiangxi,China; 2.Department of Road and Bridge Engineering,Jiangxi Vocational and Technical College of Communication, Nanchang 330000,Jiangxi,China;3.Jiangxi Provincial Expressway Investment roup Co.Ltd., Nanchang 330025,Jiangxi,China)

Basalt fiber was added to the asphalt mixture in order to avoid early failure and guarantee the service time of pavement.Based on the gradation of AC13C,optimum asphalt aggregate ratios for different amounts of basalt fiber were acquired by the Marshall Test.The rutting test at high temperature and cracking test at low temperature were carried out,and the results show that the optimum amount of basalt asphalt is 0.3%,and basalt asphalt can dramatically improve the road performance.

basalt asphalt;asphalt mixture;rutting test at high temperature;cracking test at low temperature

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0053-05

2014-09-19