木纖維對瀝青混合料路用性能影響研究

李 映

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司 610061)

木纖維對瀝青混合料路用性能影響研究

李 映

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司 610061)

為了探究木纖維對瀝青混合料路用性能的影響，本文在AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中添加不同摻量的木纖維，并進行了車轍試驗、低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗，用以驗證瀝青混合料的高溫性能，低溫性能以及水穩(wěn)性能。試驗結(jié)果表明：對AC-13瀝青混合料，當木纖維摻量為4‰時，與不添加木纖維相比，車轍穩(wěn)定度提高了71.8%，劈裂抗拉強度比提高了18.6%，當木纖維摻量為3‰時，與不添加木纖維相比，最大彎拉應(yīng)變提高了38.6%；對SMA-13瀝青混合料，當木纖維摻量由1‰提高到4‰時，車轍動穩(wěn)定度提高94.2%，最大彎拉應(yīng)變提高了22.0%，凍融劈裂抗拉強度比提高了9.8%，表明添加適量木纖維可以有效提高瀝青混合料的路用性能。建議在溫差較大，年均氣溫較高或較低以及降水豐沛地區(qū)，可以通過添加木纖維來減少各種路面病害產(chǎn)生，有效延長瀝青路面使用壽命。

道路工程；瀝青混合料；木纖維；路用性能

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國瀝青路面面臨著交通量快速提升，車輛軸載增加的巨大壓力，也對瀝青路面提出了更高的安全性，舒適性和耐久性等要求。在溫差較大，年均氣溫較高或較低以及降水豐沛地區(qū)，瀝青路面會出現(xiàn)車轍，坑槽和低溫開裂等病害，路面出現(xiàn)裂縫后，雨水沿裂縫滲透到路面下部結(jié)構(gòu)導致路面發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，大大縮短了瀝青路面的使用壽命[1-4]。

國內(nèi)學者發(fā)現(xiàn)通過在瀝青混合料中添加纖維可以有效提高瀝青路面的路用性能，減少早期破壞，延長了路面使用年限。例如吉林省交通規(guī)劃設(shè)計院的劉洋[5]對摻加聚酯纖維的改性瀝青混合料進行了馬歇爾試驗、車轍試驗，浸水馬歇爾試驗，低溫彎曲試驗和疲勞試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：瀝青混合料加入聚酯纖維后可以有效提高浸水馬歇爾穩(wěn)定度，低溫彎曲的小梁最大彎拉應(yīng)變，動穩(wěn)定度及疲勞壽命。吉林大學的朱春鳳[6]對添加玻璃纖維的瀝青混合料進行正交試驗，研究得出：玻璃纖維最佳摻量約為 0.2%，摻加玻璃纖維后，混合料的路用性能如高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及低溫穩(wěn)定性有明顯改善。上海市市政工程研究院孫家瑛等[7]研究了纖維對提高瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明，在瀝青混合料中添加0.25%聚酯纖維及0.3%聚丙烯腈纖維, 可將瀝青混合料的穩(wěn)定度提高約20%～30%，殘留穩(wěn)定度達到90%以上, 高溫性能也有明顯提升。

借鑒以上研究，擬推薦一種木纖維無機材料用以改善瀝青混合料的路用性能，并采用車轍試驗、低溫彎曲和凍融劈裂試驗等室內(nèi)試驗方法，來研究木纖維對不同種類瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料選擇和技術(shù)指標

研究選用的集料為石灰?guī)r，瀝青為SBS改性瀝青，纖維為重慶某廠提供木纖維，具體性能指標如表1和表2所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

表2 木纖維技術(shù)指標

2 試驗方案

通過在AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中添加木纖維來驗證其對瀝青混合料路用性能的影響。AC-13中木纖維摻配劑量為混合料質(zhì)量的0‰，1‰，2‰，3‰，4‰五種摻量，SMA-13中木纖維摻配劑量為混合料質(zhì)量的1‰，2‰，3‰，4‰四種摻量，通過車轍試驗，小梁低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗來對比研究不同木纖維摻量對2種級配瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能的影響。每組試驗進行5個平行試驗，取平均值為最終試驗結(jié)果。由于木纖維具有良好的吸油性能，添加木纖維的瀝青混合料最佳油石比會偏大，本文將忽略油石比變化對試驗結(jié)果的影響，主要研究木纖維對瀝青混合料路用性能的作用效果。2種級配的組成如表3所示。

表3 AC-13和SMA-13瀝青混合料級配組成

3 試驗結(jié)果與分析

3.1高溫性能

通過車轍試驗來對比研究木纖維對瀝青混合料的高溫性能影響，車轍試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0719-2011規(guī)定進行，試驗結(jié)果如表4和圖1所示。

表4 兩種級配不同木纖維摻量車轍試驗結(jié)果

圖1 兩種級配不同纖維摻量車轍穩(wěn)定度對比

由表4和圖1可知，在車轍試驗中添加木纖維能夠顯著提高兩種級配混合料的動穩(wěn)定度。在AC-13瀝青混合料中，當木纖維摻量為4‰時，與不添加木纖維相比，車轍穩(wěn)定度提高了71.8%，在SMA-13瀝青混合料中木纖維摻量為4‰比1‰時車轍穩(wěn)定度提高94.2%，表明木纖維對間斷級配瀝青混合料高溫性能影響較大，可以明顯提高間斷級配混合料的高溫穩(wěn)定性。間斷級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度在同等木纖維摻量條件下比密級配的要高，這是因為間斷級配瀝青混合料粗集料比例較多從而形成骨架結(jié)構(gòu)，提高了承受外部荷載的能力，因此高溫穩(wěn)定性較密級配瀝青混合料好。

2種級配瀝青混合料的試驗結(jié)果表明，木纖維可以顯著的提升瀝青混合料的抗車轍能力效果。這是因為摻入木纖維后，因其具有較強的的吸附能力可以吸附瀝青混合料中的自由瀝青，從而提高了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，并增加了瀝青結(jié)合料的勁度。在瀝青混合料形成橋接加筋作用，能夠在混合料內(nèi)部形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在車輛荷載作用下，纖維空間網(wǎng)絡(luò)能有效緩解結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中，防止或緩解礦料間的相對滑移，從而提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2低溫性能

選用瀝青混合料彎曲試驗來研究木纖維對瀝青混合料低溫性能的作用效果。試驗按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0715—2011規(guī)定進行，試驗結(jié)果如表5和圖2所示。

由表5和圖2可知，添加木纖維能夠顯著提高2種級配瀝青混合料低溫小梁彎曲破壞時的彎拉應(yīng)變。在在AC-13和SAM-13的瀝青混合料中，當木纖維摻量為3‰時，與不添加木纖維相比，密級配瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提高了38.6%。當纖維摻量為4‰時，與添加1‰木纖維相比，間斷配瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變提高了22.0%，表明木纖維對密級配瀝青混合料低溫性能影響較大，密級配瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變隨著纖維摻量增加先增大后減少，在3‰時達到最大值，說明適量木纖維可以通過加筋增韌作用提高瀝青混合料的低溫抗裂能力，當纖維摻量過多時，木纖維會減少瀝青膜厚度，反而導致瀝青混合料低溫性能下降。對于間斷級配瀝青混合料由于其油石比較大，故不會因纖維摻量增加而下降，但當纖維摻量超過2‰時低溫性能增加變緩，故同樣存在纖維最佳摻量。間斷級配瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變在同等木纖維摻量條件下比密級配的要高，這是因為間斷級配瀝青混合料礦粉比例較多，在低溫條件下受荷載作用可產(chǎn)生微小變形釋放內(nèi)部應(yīng)力，減少了裂縫產(chǎn)生，因此低溫穩(wěn)定性較密級配瀝青混合料好。

表5 兩種級配不同木纖維摻量彎曲破壞試驗結(jié)果

圖2 兩種級配不同纖維摻量最大彎拉應(yīng)變對比

3.3水穩(wěn)定性

選用凍融劈裂試驗來研究木纖維對2種級配瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用效果。試驗按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0729—2000規(guī)定進行，試驗結(jié)果如表6和圖3所示。

表6 兩種級配不同木纖維摻量凍融劈裂驗結(jié)果

由表6和圖3可知，在相同級配瀝青混合料凍融劈裂試驗中，與不添加木纖維相比，添加4‰木纖維的AC-13瀝青混合料劈裂抗拉強度比提高了18.6%。添加4‰木纖維的SMA-13瀝青混合料劈裂抗拉強度比比1‰木纖維摻量提高了9.8%，表明木纖維能夠提高瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度。因為木纖維摻入瀝青混合料后，有效增加了結(jié)構(gòu)瀝青所占的比例，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的銜接性和連續(xù)性得到提升，水分對瀝青混合料的滲透作用被削弱，動水壓力或真空負壓抽吸對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反復沖擊循環(huán)作用被減少，減小了瀝青膠結(jié)料與集料表面的剝離，有效改善了瀝青混合料的抗水損害能力。

圖3 兩種級配不同纖維摻量TSR對比

4 結(jié)語

（1）通過在AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料中添加適量木纖維，利用較強的的吸附能力可以吸附瀝青混合料中的自由瀝青，從而提高了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，并增加了瀝青結(jié)合料的勁度。在瀝青混合料形成橋接加筋作用，能夠在混合料內(nèi)部形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在車輛荷載作用下，纖維空間網(wǎng)絡(luò)能有效緩解結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中，防止或緩解礦料間的相對滑移，在凍融循環(huán)中削弱水分對瀝青混合料的滲透作用，減小了瀝青膠結(jié)料與集料表面的剝離，因此可以有效提高高溫穩(wěn)定性，低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。當纖維摻量過多時，木纖維會減少瀝青膜厚度，反而導致瀝青混合料低溫性能下降，因此在配合比設(shè)計中應(yīng)選擇適量木纖維。SMA-13因其級配結(jié)構(gòu)和多油特點，在同等纖維摻量下，各路用性能均優(yōu)于AC-13。

（2）在溫差較大，年均氣溫較高或較低以及降水豐沛地區(qū)，可以通過添加木纖維來提高瀝青路面的各項路用性能，減少各種路面病害產(chǎn)生，防止瀝青路面出現(xiàn)早期破壞，有效延長瀝青路面使用壽命，具有優(yōu)良的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]尚志遠.超載車輛對瀝青混凝土路面的破壞分析[J].公路，2004（5）：19-22.

[2]郭愛國.高速公路瀝青路面早期破壞原因分析[J]. 巖石力學與工程學報，2004（S1）：4634-4638.

[3]沙慶林.高速公路瀝青混凝土路面的早期破壞[J].公路，2004（11）：76-82.

[4]彭賽恒，姚勇，陳健，等.云南省瀝青混凝土路面早期破壞原因及對策[J].公路，2009（4）：81-84.

[5]劉洋,梁穎,李亮. 聚酯纖維改性瀝青混合料路用性能研究[J]. 西南公路,2013,03：33-36.

[6]朱春鳳. 玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論與實驗研究[D].吉林大學,2007.

[7]孫家瑛，任傳軍，戴亞英.纖維對瀝青混合料路用性能影響研究[J].中外公路，2006(2)：175-177.

U45

B

1007-6344（2017）05-0058-02