纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及路用性能研究

李樹軍

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　山西　030002)

纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及路用性能研究

李樹軍

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院山西030002)

摘要纖維直徑小，比表面積大，在瀝青混合料中能夠起到吸附、穩(wěn)定和“加筋”等作用。選用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3種混合料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，添加0.3%的纖維后，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升均超過(guò)20%，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均超過(guò)90%；路用性能優(yōu)劣次序?yàn)镾MA-13>AC-13>OGFC-13，且纖維對(duì)密級(jí)配混合料性能的改善效果更好。

關(guān)鍵詞道路工程瀝青混合料纖維路用性能

國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行了大量研究，但大多僅局限于一種混合料的研究，并沒(méi)有從多種混合料進(jìn)行對(duì)比分析，本文介紹纖維在瀝青混合料中的作用機(jī)理，并選用木質(zhì)素纖維及AC-13，SMA-13，OGFC-13進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究纖維混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)性能，為以后的工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1纖維作用機(jī)理分析

纖維添加到瀝青混合料中能夠起到吸附、穩(wěn)定和“加筋”等作用，從改善混合料的路用性能[4-5]。

(1) 吸附作用。由于纖維具有極小的直徑和較大的比表面積，因此將纖維添加到瀝青中，二者相互融合能夠形成巨大的浸潤(rùn)界面，并吸附大量瀝青在表面形成一定厚度的界面層。纖維的物理化學(xué)性質(zhì)與瀝青的化學(xué)組成是影響纖維瀝青混合料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。由于瀝青是一種弱酸性物質(zhì)，會(huì)對(duì)纖維表面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附、物理浸潤(rùn)以及化學(xué)鍵作用，使得瀝青分子規(guī)律性地排列在纖維表面，形成一層具有牢固結(jié)合力的“結(jié)構(gòu)瀝青”。研究表明，與自由瀝青相比，“結(jié)構(gòu)瀝青”具有粘度大、溫度敏感性低、高溫性能好等特點(diǎn)，同時(shí)能夠增厚混合料集料表面的瀝青膜厚度，有效降低混合料孔隙率，延長(zhǎng)使用壽命，達(dá)到改善混合料的高溫、低溫性能的目的。

(2) 穩(wěn)定作用。由于纖維直徑非常小，在瀝青中以三維的形式隨機(jī)分布，從而在瀝青基體中形成大量縱橫交錯(cuò)的纖維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青吸附在纖維上形成縱橫交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)瀝青網(wǎng)，從而大大提高結(jié)構(gòu)瀝青的比例，最終達(dá)到有效增強(qiáng)瀝青粘性，提高混合料的韌性及高溫性能。由于纖維良好的穩(wěn)定作用，因此可以選用標(biāo)號(hào)較低的瀝青拌制混合料，從而能夠有效防治反射裂縫，提高混合料低溫性能。

(3) “加筋”作用。纖維在瀝青混凝土中呈三維隨機(jī)分布且數(shù)量眾多，在瀝青混合料中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青混合料承受的載荷可通過(guò)纖維瀝青界面?zhèn)鬟f給纖維。由于增強(qiáng)纖維的高模量、高抗拉強(qiáng)度特點(diǎn)，在瀝青混合料中起到類似于鋼筋的加強(qiáng)作用，改善混合料使用性能。

2纖維瀝青混合料路用性能研究

為了研究纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果，因此通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)纖維瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。

在這篇論文中，我們主要通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)中的現(xiàn)代個(gè)性化的推薦系統(tǒng)這個(gè)主題，去嘗試討論四種不同的推薦算法的特征。

2.1　原材料

(1) 纖維。選用木質(zhì)素纖維，它是一種植物纖維，通常為淺綠色或灰色絮狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，具有良好的高溫、化學(xué)穩(wěn)定性，以及耐化學(xué)腐蝕性。木質(zhì)素纖維主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1　木質(zhì)素纖維

纖維類型平均直徑/mm長(zhǎng)度/mm熔融溫度/℃木質(zhì)素纖維0.045<5.0,平均值1.1250

(2) 瀝青。瀝青選用中海70號(hào)基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

(3) 混合料。進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r制備而成，其中混合料類型選用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3種混合料類型，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[6]，木質(zhì)素纖維摻量選用0.3%(外摻法)。混合料體積指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

由表3可見(jiàn)，添加纖維后瀝青混合料的最佳油石比和穩(wěn)定度均增大，除SMA-13孔隙率保持不變外，其余2種混合料的孔隙率均減小。這主要是木質(zhì)素纖維具有較大的比表面積，表面能夠吸附大量的瀝青，從而也增大結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量，提高混合料的強(qiáng)度。

2.2　高溫性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[7]中車轍試驗(yàn)的規(guī)定，采用上述級(jí)配及油石比制備30 cm×30 cm×5 cm的車轍板試件，在60 ℃溫度條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，利用最終車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)纖維添加劑對(duì)混合料高溫性能的影響。通過(guò)車轍試驗(yàn)儀，記錄規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)瀝青混合料的豎向變形量，并利用式(1)算出其動(dòng)穩(wěn)定度。

(1)

式中：DS為動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)，次/mm；d1為t1為時(shí)刻瀝青混合料的豎向變形量(t1通常取45 min)，mm；d2為t2為時(shí)刻瀝青混合料的豎向變形量(t2通常取60 min)，mm；N為橡膠輪胎往返碾壓速率，規(guī)范取42次/min;C1為試驗(yàn)機(jī)修正系數(shù)，此時(shí)取1.0；C2為試件系數(shù)，當(dāng)試件寬度為30 cm時(shí)取1.0。

車轍試驗(yàn)結(jié)果及動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

動(dòng)穩(wěn)定度變化情況見(jiàn)圖2。

表4　車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖2　動(dòng)穩(wěn)定度柱狀圖

由表2中可見(jiàn)，添加0.3%纖維后，3種瀝青混合料t1和t2時(shí)刻的車轍深度均減小，動(dòng)穩(wěn)定增加。這主要是由于纖維添加到混合料中能夠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到加筋與增韌作用；同時(shí)表面吸附形成大量的結(jié)構(gòu)瀝青，提高瀝青對(duì)集料的粘結(jié)性能，從而提高混合料的高溫性能。AC-13，SMA-13和OGFC-13的動(dòng)穩(wěn)定度依次提高了50.4%，33.0%和22.0%，這主要因?yàn)槊芗?jí)配細(xì)集料較多，網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)瀝青對(duì)細(xì)集料的裹附、加筋效果要優(yōu)于粗集料；而SMA-13本來(lái)具有良好的骨架結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能良好，因此提升效果次之；而OGFC-13空隙較大，粗集料較多，纖維和結(jié)構(gòu)瀝青的加筋、增韌效果最差，因此動(dòng)穩(wěn)定度提升效果最差。

2.3　低溫性能

根據(jù)規(guī)范[6]中3點(diǎn)低溫小梁彎曲試驗(yàn)的規(guī)定，采用上述級(jí)配及油石比，通過(guò)輪碾法制備30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，然后切割成長(zhǎng)250 mm±2.0 mm、寬30 mm±2.0 mm、高35 mm±2.0 mm的長(zhǎng)方體小梁試件。將小梁放在-10 ℃的恒溫箱中保溫4 h后，利用MTS試驗(yàn)機(jī)，以50 mm/min的加載速率進(jìn)行3點(diǎn)低溫小梁彎曲試驗(yàn)。利用彎曲破壞應(yīng)變?chǔ)臖、彎曲破壞強(qiáng)度RB、勁度模量SB指標(biāo)評(píng)價(jià)混合料的低溫性能，可利用式(2)~(4)計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

式中：b為小梁試件跨中截面寬度，mm；h為小梁試件跨中截面高度，mm；L為小梁試件跨徑，mm；PB為小梁試件的破壞荷載，N；d為小梁試件跨中破壞撓度，mm。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)，添加纖維后瀝青混合料3點(diǎn)低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變和破壞強(qiáng)度均增大，破壞時(shí)的勁度模量減小。其中添加纖維前、后混合料的破壞強(qiáng)度與勁度模量?jī)?yōu)劣次序?yàn)椋篠MA-13>AC-13>OGFC-13，這主要是因?yàn)榛旌狭系目障对酱蟆⒋旨显蕉啵鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)就越不均勻，則越容易出現(xiàn)裂縫；而3種混合料中，OGFC-13的孔隙率最大，SMA具有最好的骨架結(jié)構(gòu)。同時(shí)也說(shuō)明在瀝青混合料中添加纖維能夠有效改善其低溫性能，能顯著提高瀝青路面的抗裂性能，延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命。

2.4　水穩(wěn)定性能

根據(jù)規(guī)范[6]，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，研究纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。為研究纖維的增強(qiáng)效果，選取纖維摻量為0和0.3%做對(duì)比。

(1) 浸水馬歇爾試驗(yàn)。成型雙面各擊實(shí)75次的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，一組放入60 ℃的水浴中恒溫48 h，另一組放入60 ℃水浴中恒溫30 min，取出后立即測(cè)試其穩(wěn)定度，并利用式(5)計(jì)算浸水殘留穩(wěn)定度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

(5)

式中：MS0為浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，%；MS1為浸水馬歇爾穩(wěn)定度，kN。

表6　浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見(jiàn)，添加纖維后瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度都增大，且都在90%以上，說(shuō)明纖維瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性能。

(2) 凍融劈裂試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配及油石比，成型雙面各擊實(shí)50次和75次的A、B 2組馬歇爾試件，A組試件經(jīng)過(guò)20 min抽真空后放入(-18±1) ℃恒溫箱中恒溫(16±1) h，再放入60 ℃水浴恒溫24 h，最后在25 ℃水浴中恒溫2 h進(jìn)行劈裂試驗(yàn)；B組經(jīng)25 ℃水浴恒溫2 h后直接進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，利用式(6)計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比TSR，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

(6)

式中：RT1為未凍融試件劈裂強(qiáng)度，MPa；RT2為凍融試件劈裂強(qiáng)度，MPa。

表7　凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，添加纖維后瀝青混合料的未凍融劈裂強(qiáng)度RT1、凍融劈裂強(qiáng)度RT2、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR都增大，且RT2都超過(guò)0.9 MPa，TSR都在90%以上，說(shuō)明纖維瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性能。

浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)說(shuō)明纖維的添加能夠有效改善瀝青混合料的水溫性能。

3工程應(yīng)用

采用3種試驗(yàn)配合比、0.3%摻量的纖維瀝青混合料鋪筑試驗(yàn)段，并檢測(cè)試驗(yàn)段的壓實(shí)度、抗滑擺值、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　檢測(cè)結(jié)果

由表8可見(jiàn)，3種纖維瀝青混合料試驗(yàn)段的壓實(shí)度、抗滑擺值、構(gòu)造深度和滲水系數(shù)都能夠滿足規(guī)范要求，這說(shuō)明纖維瀝青混合料具有良好壓實(shí)性能，并能夠維持普通混合料的原有路表構(gòu)造及抗滑性能，適用于鋪筑公路瀝青路面。

4結(jié)語(yǔ)

纖維具有極小的直徑和較大的比表面積，添加到瀝青混合料中能夠形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在其表面形成結(jié)構(gòu)瀝青，起到吸附、穩(wěn)定和“加筋”等作用，改善混合料的路用性能。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，添加0.3%的纖維能夠有效提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)性能，且纖維對(duì)密級(jí)配混合料路用性能具有更好的改善效果，實(shí)際工程中纖維瀝青混凝土路面的壓實(shí)度和路表性能都能夠滿足要求，適用于鋪筑公路瀝青路面。

參考文獻(xiàn)

[1]吳幫偉.玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混合料性能試驗(yàn)研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2013.

[2]王建剛.纖維長(zhǎng)度對(duì)瀝青混合料疲勞性能影響分析[J].山西交通科技,2010(5):28-29.

[3]潘旭輝.纖維瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)研究[J].交通科技,2011(S2):35-37.

[4]封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京：東南大學(xué),2006.

[5]周超，范文東，經(jīng)冠舉.改善瀝青路面低溫性能措施方法對(duì)比研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2013(3)：630-633.

[6]彭波.木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005(1):104-107.

[7]JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2011.

Research on Reinforcement Mechanism and Road Performance of Fiber Asphalt Mixture

LiShujun

(Taiyuan Urban Planning and Design Research Institute, Taiyuan 030002, China)

Abstract：The fiber can play an role of adsorption, stability and "reinforced", its diameter is small and the surface area is large;. AC-13, SMA-13 and OGFC-13 were selected in the laboratory study. The results showed dynamic stability was improved more than 20%, marshall immersion residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio were larger than 90% when 0.3% fiber was put into asphalt mixture. The merits order of road performance was SMA-13> AC-13> OGFC-13. The fiber could improve the performance of dense graded mixture.

Key words:road engineering; asphalt mixture; fibers; road performance