鋼纖維瀝青混合料導熱及路用性能研究

鄧 甲

(南京鐵路建設投資有限責任公司 南京市 210000)

0 引言

瀝青路面有著較好的使用性能，但是在日照、車輪摩擦等影響因素作用下，瀝青路面在使用階段溫度會升高。一方面，瀝青路面由于其顏色是黑色，對太陽光各種波長的光輻射的吸收能力都較強，導致路面會吸收很多熱量；另一方面，瀝青路面材料的導熱系數比較低，并且路面的面層、基層、路基導熱系數差別不大，路面內部吸收的熱量不易形成梯度傳導。綜上，瀝青路面內部容易積聚熱量，使路面溫度升高，瀝青路面出現高溫失穩破壞，產生各種病害，例如擁包、車轍等，影響瀝青路面的使用性能。

目前而言，可以通過向瀝青混合料內摻入導熱性較高或較低粉體、纖維來改變瀝青混合料的導熱性能，進而形成促進路面內熱量流動的結構，從而降低路面溫度。一般而言，在設計瀝青路面梯度導熱結構時應該保證導熱性上部比較小，而下部比較大，這樣有利于熱量能較快地在路面內流動，使得路面內部的積熱減少，降低路面溫度[1-2]。

鋼纖維在瀝青混合料中的應用已經涉及多個領域。王昊鵬等[3]利用鋼纖維實現了瀝青混凝土從絕緣體到導體的轉變，基于此開發的自愈合鋼纖維瀝青混合料隨著加熱時間的不斷增加，最高可提高混合料自愈合能力20%以上。楊發等[4]也將鋼纖維用于除冰性能的研究，其制備的混合料能使-5℃下的感應加熱速率高達0.5℃/s，融冰效果顯著；在力學性能方面，王清華[5]綜合評價了鋼纖維瀝青混合料的路用性能。結果表明：鋼纖維在改善混合料抗車轍性能、抗彎拉強度、抗裂強度、水穩定性等方面均有很好的效果。而對于采用鋼纖維瀝青混合料進行導熱性能改善、路面降溫研究還不多，本文旨在對鋼纖維瀝青混合料的導熱性能和路用性能進行綜合評價。

1 實驗準備

1.1 原材料

(1)瀝青

瀝青選擇70#基質瀝青，其主要技術指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青的技術指標

(2)鋼纖維

共選取了四種不同的鋼纖維，長徑參數見表2。

表2 鋼纖維長徑參數

(3)集料

實驗所用集料粒徑共分10～20mm、5～10mm、0～5mm三檔，根據《公路工程集料試驗規程(JTG E42-2005)》測定集料的表觀相對密度、毛體積相對密度和吸水率，結果如表3所示。

表3 集料密度試驗結果

1.2 瀝青混合料配合比

瀝青混合料級配類型為AC-13，如表4所示。

表4 AC-13瀝青混合料級配

本實驗中，鋼纖維摻量相對于瀝青混合料質量來說非常小，因此在實驗中，不考慮鋼纖維對瀝青的吸附作用，所確定的最佳油石比為5%。

1.3 鋼纖維瀝青混合料試件制作

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行馬歇爾試件的制作，由于添加的鋼纖維達到一定比例后，在拌和過程中容易出現結團的現象，如圖1。因此采取先在集料中加入一定量的鋼纖維，進行干拌，然后再加入瀝青，制備出相應的混合料，鋼纖維瀝青混合料制作關鍵點就是要保證拌和過程中鋼纖維能夠盡可能均勻分散于混合料中[6]，如圖2。

圖1 鋼纖維出現明顯結團

圖2 拌和較為均勻的鋼纖維瀝青混合料

2 混合料熱物參數測試

將制作好的馬歇爾試件使用切割機進行切割，每個馬歇爾試件切割2個面，切割時盡量保證切割面光滑平整，切割完成后，采用DRM-Ⅱ型導熱系數測試儀，測定制作好的鋼纖維瀝青混合料的導熱系數(W/m·℃)和比熱容(J/(kg·℃))。取三次測試值平均值作為最終結果，如圖3、圖4所示。

圖3 鋼纖維瀝青混合料導熱系數隨鋼纖維種類、比例變化示意圖

圖4 鋼纖維瀝青混合料比熱容隨鋼纖維種類、比例變化示意圖

根據測試結果可得出以下結論：

(1)在0.5%～1.5%的鋼纖維摻量下，隨著添加鋼纖維比例的提高，瀝青混合料的導熱系數都呈現升高趨勢，而瀝青混合料的比熱容都有所下降。原因分析是由于鋼纖維的導熱系數大于瀝青混合料，比熱容小于瀝青混合料，加入鋼纖維之后，瀝青混合料內部形成了導熱網絡，更有利于熱量的傳遞，因此鋼纖維瀝青混合料的導熱系數提高，而比熱容降低。

(2)對于不同種類的鋼纖維來說，導熱系數的上升程度有所不同，由圖3可以看出同等摻量下，2#、3#、4#三種鋼纖維提升導熱性能更加明顯，最高分別可提高39.5%、43.2%、45%。其中2#、3#鋼纖維的密度完全相同，3#鋼纖維長度為2#鋼纖維的一半，而3#鋼纖維瀝青混合料導熱系數提升比加入2#鋼纖維瀝青混合料多，結合4#鋼纖維細粉狀的特點，可得出推論：越細越小的鋼纖維導熱性能越好，原因可能是在這種情況下鋼纖維分布更為均勻，更容易形成導熱網絡。

3 力學性能測試

3.1 單軸壓縮試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，不同種類的鋼纖維按照0.5%、1%和1.5%混合料質量的摻量，分別制作馬歇爾試件。將制作好的馬歇爾試件放置于恒溫水槽中(20℃)保溫2.5h后取出，使用萬能材料試驗機，以2mm/min的加載速率均勻加載，直至馬歇爾試件破壞，讀取荷載峰值P。

根據記錄下的荷載峰值，按下式計算瀝青混合料的抗壓強度：

(1)

試驗數據結果如表5所示。

表5 鋼纖維瀝青混合料單軸壓縮試驗數據

3.2 劈裂試驗與抗剪強度計算

同上，制備好馬歇爾試件，使用萬能試驗機，以50mm/min的速率加載，直至試件破壞。記錄最大荷載P。

根據文獻[7]，采用單軸壓縮試驗和間接拉伸試驗組合的方法計算抗剪強度，使用的計算方法如式(2)、式(3)、式(4)所示：

(2)

φ=sin-1(tanα1)

(3)

(4)

式中：σUCS為單軸壓縮強度；σIDT為間接拉伸強度；α1為斜率參數。

計算結果如表6所示。

表6 鋼纖維瀝青混合料馬歇爾劈裂試驗結果

根據測試結果可得到如下結論：

(1)對于抗壓強度而言，鋼纖維加入之后，隨機分布在集料顆粒之間，相對于原始的瀝青混合料而言，減小了空隙率，且由于鋼纖維表面較為粗糙，能夠更好地吸附包裹瀝青，進一步穩固了集料之間的位置關系，限制了集料自由滑移，因此提高了瀝青混合料的抗壓強度[8]，其中4#鋼纖維最高可提高抗壓強度30.7%。

(2)對于抗剪強度而言，和抗拉強度提升機理類似，加入鋼纖維之后，空隙率變小，瀝青混合料變得更為密實，一定程度上增大了間接拉伸強度。但更大影響在于，加入鋼纖維后，瀝青混合料的抗拉強度由鋼纖維的抗拉能力、瀝青的粘結力和集料的摩阻力共同承擔[9]，其中，4#鋼纖維最高可提高抗剪強度31.8%。

3.3 車轍試驗

為了評價鋼纖維瀝青混合料的高溫穩定性，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行車轍板的制作，車轍板尺寸為30cm×30cm×5cm。制備中添加4#鋼纖維，添加比例為0.5%～5%。動穩定度測試結果如圖5所示。

圖5 動穩定隨鋼纖維摻量變化關系圖

試驗結果顯示，相較于原始瀝青混合料，添加鋼纖維之后的瀝青混合料，在一定比例范圍內，動穩定度呈現上升的現象，但是在鋼纖維摻量達到一定限度后，動穩定度出現了明顯的下降趨勢，整體來看，在鋼纖維摻量1%時瀝青混合料的動穩定度最大，增幅為64.9%。出現這種現象的原因可能是鋼纖維瀝青混合料作為一種組成結構復雜的黏彈性復合材料，鋼纖維摻量和瀝青含量交互作用，影響瀝青混合料的動穩定度[10]。

因此，在實際應用中，鋼纖維摻量應與瀝青含量相匹配。若想要制備大比例鋼纖維摻量的瀝青混合料時，瀝青用量必須進行相應的增加，否則，鋼纖維瀝青混合料的動穩定度會大幅度下滑，嚴重影響鋼纖維瀝青混合料的路用性能。

4 結語

通過向瀝青混合料中加入鋼纖維進行改性，通過添加不同比例的鋼纖維，進行瀝青混合料的熱物參數試驗和力學性能試驗，綜合評價瀝青混合料的降溫性能和路用性能。主要研究結論如下：

(1)在瀝青混合料配合比設計的基礎上，進行添加了鋼纖維的瀝青混合料的熱物參數試驗，在添加鋼纖維比例為0.5%～1.5%的范圍內，鋼纖維含量越高，瀝青混合料的導熱系數越大，比熱容越小，添加鋼纖維能夠有效地提高瀝青混合料的導熱性能。

(2)外加鋼纖維會對瀝青混合料的力學性能造成影響，在添加鋼纖維比例為0.5%～1.5%的范圍內，鋼纖維瀝青混合料的抗壓強度和抗剪強度都得到了提高，但是動穩定度隨鋼纖維比例的提高呈現先增后減的變化趨勢。主要是鋼纖維含量較少時，鋼纖維對集料顆粒間的相對位置關系具有加強作用，限制了集料相對滑移，使瀝青混合料的動穩定度增大；而在鋼纖維摻量過多時，需要包裹更多瀝青，原始的瀝青用量相對來說就顯得不足，瀝青混合料密實度降低，動穩定度降低。

(3)相比于其他三種鋼纖維，4#鋼纖維對瀝青混合料熱物參數、抗壓和抗剪強度提升最為顯著，因此推薦使用4#鋼纖維對瀝青混合料進行改性。最佳添加比例為1%，此時可提高動穩定度64.9%，并且導熱系數增幅達38.2%。