鹽分對AC-13C纖維瀝青混合料性能影響的研究

劉向杰, 李文凱

(1.河南交通職業技術學院, 河南 鄭州 450000; 2.河南交院工程技術有限公司)

氯鹽由于其成本低且融雪效果好，是目前北方雨雪天氣最常用的融雪劑。據統計，中國每年會使用上千萬噸的氯鹽融雪劑來保證雨雪天氣道路的正常通行，Cl-會通過路面內部的空隙滲透進去加快瀝青的老化，降低瀝青與礦料之間的黏結能力，加快瀝青路面病害的形成，同時大量氯鹽遺留在綠化帶內會嚴重影響植被的生長。在瀝青混合料中摻入纖維來改善瀝青路面的抗水毀能力，在中國現階段高等級公路建設中正在慢慢被推廣，常見的纖維種類包括：木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維等。瀝青瑪蹄脂主要使用的是木質素纖維，靠纖維吸附瀝青混合料中的自由瀝青，從而提高瀝青路面的使用性能。木質素纖維抗拉強度較低，對混合料性能的改善程度有限，近年來，力學性能較強的聚合纖維以及玄武巖纖維正在被推廣。封基良等對纖維瀝青混合料增強機理及其性能進行研究，提出纖維的技術指標和要求，促進了纖維在瀝青混合料中的推廣應用；湯寄予等研究了玄武巖纖維對瀝青混合料水穩定性的影響，同時進行馬歇爾試驗及車轍試驗確定纖維最佳摻量為0.4%；熊銳等分析了硫酸鹽侵蝕環境下影響瀝青混合料耐久性的因素，試驗表明：在硫酸鹽侵蝕下，瀝青混合料的性能衰減比清水更快，且瀝青混合料的性能隨鹽溶液濃度的增加而減小?，F有關于鹽溶液對纖維瀝青混合料的研究不多，該文在前人研究的基礎上，開展馬歇爾試驗、浸水馬歇爾以及凍融劈裂試驗研究，評價不同類型纖維混合料力學性能及抗水毀能力受鹽溶液的影響程度，對延長瀝青路面的使用壽命具有指導意義。

1 原材料及配合比設計

1.1 礦料及瀝青

該文粗集料選擇玄武巖碎石，粒徑分別為10～15、5～10、3～5 mm；細集料為0～3 mm石灰巖碎石；填料為石灰巖磨細礦粉。粗、細集料以及礦粉相關技術指標均滿足規范要求。選用的改性瀝青為SBS I-D，參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，對SBS I-D瀝青進行相關性能的檢測，試驗結果見表1。

表1 SBS I-D性能指標檢測結果

續表1

1.2 纖維

該文選用木質素纖維、玄武巖纖維、聚醋纖維。3種纖維的摻量均為瀝青混合料的0.3%。3種纖維的示意圖見圖1，性能指標見表2。

圖1 3種纖維示意圖

表2 3種纖維主要技術指標

1.3 瀝青混合料配合比設計及混合料拌和工藝

參照JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》的相關規定，該文選用的AC-13C混合料目標級配見表3，關鍵篩孔2.36 mm的通過百分率為36.7%。瀝青混合料拌和工藝：粗、細集料及礦粉加熱溫度為190 ℃，BS I-D改性瀝青加熱溫度為170 ℃，粗、細集料干拌時間為40 s，然后加入纖維拌和20 s，再加入瀝青濕拌30 s，最后加入礦粉拌和30 s。

表3 AC-13C瀝青混合料礦料級配

2 馬歇爾試驗

瀝青混合料馬歇爾試件通過飽和NaCl(濃度27%)和飽和Na2SO4(濃度17%)溶液浸泡后開展馬歇爾試驗，并用飲用水作為參照。馬歇爾試驗結果見表4。

表4 馬歇爾試驗結果

由表4可以得出：

(1) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的穩定度高，表明3種纖維的摻入能夠增強混合料的抗高溫性能；在飲用水作用時，木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料的穩定度較普通混合料分別提高4.1%、8.6%、12.7%，在飽和NaCl溶液作用時，3種纖維混合料的穩定度較普通混合料分別提高8.0%、13.8%、16.9%，在飽和Na2SO4溶液作用時，3種纖維混合料的穩定度較普通混合料分別提高6.0%、7.4%、19.3%，其中玄武巖纖維對混合料穩定度的提高效果最優。

(2) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的流值高，表明3種纖維的摻入能夠增強混合料抵抗變形的能力，減緩瀝青路面在荷載及溫縮應力作用時裂縫的產生；在飲用水作用時，木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料的流值較普通混合料分別提高7.4%、14.8%、22.2%，在飽和NaCl溶液作用時，3種纖維混合料的流值較普通混合料分別提高7.7%、15.4%、19.2%，在飽和Na2SO4溶液作用時，3種纖維混合料的流值較普通混合料分別提高8%、16%、24%；通過試驗結果分析可知，玄武巖纖維對混合料增韌效果較優。

3 水穩定性

抗水毀能力是評價瀝青路面水穩定性的重要指標，瀝青路面在車輛軸載及冬季凍融循環作用下會加速結構層的開裂，研究瀝青混合料的水穩定性，對延長道路使用壽命及行車舒適性顯得尤為重要。常見的水損害包括：松散、裂縫、麻面等。評價混合料水穩定性的方法有多種，主要包括：浸水車徹試驗、凍融劈裂及浸氷馬歇爾試驗等。該文選用凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗來評價混合料的抗水毀能力，普通混合料及3種纖維混合料浸水馬歇爾試驗結果和凍融劈裂試驗結果見表5。

表5 浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗結果

由表5可以得出：

(1) 在飲用水的作用下，3種纖維混合料馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾穩定度均得到了提高，其中玄武巖纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩定度到達最大95%，表明玄武巖纖維對混合料抗水毀能力改善效果最優。

(2) 飽和NaCl溶液浸泡后的浸水馬歇爾穩定度較飲用水均降低，普通混合料、木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維混合料降低幅度分別為18.0%、15.3%、14.4%、20.5%；飽和NaCl溶液浸泡后，3種纖維混合料的浸水馬歇爾穩定度較普通混合料分別提高10.3%、19.4%、18.6%，其中聚酯纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩定度達到最大90%。

(3) Na2SO4溶液浸泡后的浸水馬歇爾穩定度較飲用水和NaCl溶液均降低，表明Na2SO4溶液對瀝青路面水損害程度最大；飽和Na2SO4溶液浸泡后，3種纖維混合料的浸水馬歇爾穩定度較普通混合料分別提高8.8%、12.6%、22.2%，其中聚酯纖維混合料浸水馬歇爾殘留穩定度達到最大89%；從浸水馬歇爾殘留穩定度試驗結果分析，聚酯纖維對瀝青路面抗水毀能力改善效果最優。

(4) 在飲用水浸泡作用時，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強度比均較普通混合料大，且玄武巖纖維混合料達到最大89%，這主要因為纖維的摻入使混合料最佳油石比變大，進而使礦料表面瀝青膜的厚度變大，提高了混合料的黏結效果，很好地改善了混合料的抗水毀能力；由于木質素纖維長徑比較小且抗拉強度較低，對混合料抗水毀能力改善效果不明顯，因此其凍融劈裂殘留強度比較低；另外兩種纖維長徑比較大且抗拉強度高，能夠很好地起到加筋增韌的效果，因此水穩定性能較好。

(5) 在飽和NaCl及飽和Na2SO4溶液浸泡作用時，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強度比均比普通混合料大，且玄武巖纖維混合料最大，分別達到84%、79%；但4種混合料凍融劈裂殘留強度比均較飲用水浸泡時降低較多，其中飽和Na2SO4溶液浸泡作用時降低幅度最大，這主要因為Na+與瀝青作用生成極其不穩定的結構層，減弱了瀝青與礦料之間的黏附性，另外Na2SO4在失水和吸水的過程中，體積會出現反復脹縮的現象，降低了混合料的黏結能力，最終導致抗水毀能力降低。

4 結論

選用AC-13C型瀝青混合料，通過不同鹽溶液對不同纖維瀝青混合料水穩定性能的影響研究，得出以下結論：

(1) 在3種溶液作用下，3種纖維混合料均較普通混合料的穩定度及流值高，表明3種纖維的摻入能夠增強混合料的強度及抵抗變形的能力，其中玄武巖纖維對混合料穩定度及流值改善效果最優。

(2) 在飽和NaCl及飽和Na2SO4溶液浸泡作用下，3種纖維混合料及普通混合料的馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾穩定度均出現不同程度的降低，其中Na2SO4溶液浸泡作用下降低幅度最大，從浸水馬歇爾殘留穩定度試驗結果分析可知，聚酯纖維對混合料抗水毀能力改善效果最優。

(3) 在3種溶液浸泡作用下，3種纖維混合料凍融劈裂殘留強度比均比普通混合料大，從凍融劈裂殘留強度比試驗結果分析可知，玄武巖纖維對混合料抗水毀能力改善效果最優。