纖維對(duì)澆注式瀝青混合料性能的影響

陳華明，王志祥

(1.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

0 引言

澆注式瀝青混合料以高含量瀝青膠漿為主要特點(diǎn)，具有密水性好、抗疲勞及耐久性良、變形協(xié)調(diào)性?xún)?yōu)、施工不需碾壓的優(yōu)勢(shì)，在橋面鋪裝中逐漸被推廣應(yīng)用[1]。澆注式瀝青混合料本身的組成特點(diǎn)決定了其高溫抗永久變形能力較差，這給橋面鋪裝長(zhǎng)期高質(zhì)量的使用帶來(lái)了隱患，在保證澆注式瀝青混合料本身優(yōu)良性能發(fā)揮的同時(shí)，提升其高溫抗車(chē)轍性能成了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的重點(diǎn)[2-3]。部分專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)對(duì)混合料設(shè)計(jì)、組合結(jié)構(gòu)鋪裝優(yōu)化、生產(chǎn)工藝、施工工藝等方面的改進(jìn)來(lái)提升澆注式瀝青混合料乃至鋪裝層結(jié)構(gòu)的抗高溫變形能力，但是效果不佳[4-6]。還有學(xué)者也通過(guò)采用纖維格柵來(lái)增強(qiáng)澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度，但是施工工程較為繁瑣，施工質(zhì)量難于有效控制[7]，而通過(guò)在拌和過(guò)程中添加纖維的方式改善其耐久性能成為不錯(cuò)的選擇。纖維作為一種優(yōu)良的穩(wěn)定劑，在增強(qiáng)混合料性能方面，尤其在抗裂、抗變形性能方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[8-9]。劉福軍[10]、邱國(guó)洲等[11]、何靜[12]研究了玄武巖纖維對(duì)基質(zhì)及天然瀝青瀝青膠漿流變性能、AC及SMA瀝青混凝土性能的影響。陳華鑫等[13]、張衛(wèi)華[14]分析了纖維類(lèi)別及摻量對(duì)熱拌瀝青混合料性能的影響及作用機(jī)理，并根據(jù)研究成果進(jìn)行了試驗(yàn)路鋪筑驗(yàn)證。本研究嘗試通過(guò)工程上常用的纖維加強(qiáng)澆注式瀝青混合料性能，以彌補(bǔ)其高溫性能差的缺陷，為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料及性能指標(biāo)

1.1 瀝青

采用TLA湖瀝青與SBS改性瀝青復(fù)配的膠結(jié)料(質(zhì)量比為6∶4)，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 膠結(jié)料性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of cementitious material

1.2 礦料

采用規(guī)格為5～10 mm，3～5 mm的輝綠巖集料； 0～3 mm的石灰石機(jī)制砂和石灰石礦粉，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.3 纖維

試驗(yàn)采用木質(zhì)素、礦物、聚酯3種性質(zhì)不同的纖維(外觀見(jiàn)圖1)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 不同纖維的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of different fibers

圖1 不同的纖維外觀Fig.1 Appearance of different fibers

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范及文獻(xiàn)[6]，確定如表3所示的GA10級(jí)配。用油石比為7.2%%，7.4%，7.6%，7.8%，8.0%的拌制混合料(拌制方法：石料和礦粉加溫到(250±5) ℃，復(fù)合改性瀝青加溫到180 ℃，試驗(yàn)拌和溫度達(dá)到230 ℃，拌和時(shí)間達(dá)到45 min)，成型瀝青混合料試件并分別進(jìn)行230 ℃劉埃爾流動(dòng)度(工作性能)、60 ℃貫入度(高溫性能)及-10 ℃(低溫性能)低溫彎曲試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4?；诰庠O(shè)計(jì)理念，綜合考慮施工和易性、高溫及低溫指標(biāo)，確定最佳油石比為7.6%。

表3 GA10合成級(jí)配Tab.3 Composite gradation of GA10

表4 混合料性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Performance test result of mixture

3 不同纖維對(duì)澆注式瀝青混合料路用性能的影響

纖維摻量按照瀝青混合料總質(zhì)量的百分比計(jì)，摻量范圍0%～10%，間隔2%，按照提出的拌和工藝制備混合料，成型相關(guān)試件進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)價(jià)澆注式瀝青混合料施工性能、路用性能、長(zhǎng)期耐久性能。

3.1 施工和易性

澆注式瀝青混合料的良好流動(dòng)性是性能保障的關(guān)鍵。采用230 ℃劉埃爾流動(dòng)度評(píng)價(jià)其施工流動(dòng)性，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。劉埃爾流動(dòng)度表征落錘通過(guò)一定量具有流動(dòng)性的混合料所需時(shí)間，其值越小表征混合料流動(dòng)性越好。

圖2 不同纖維摻量的瀝青混合料的流動(dòng)性Fig.2 Fluidity of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖2可以看出，隨纖維摻量的增加，澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性呈減弱的趨勢(shì)。纖維穩(wěn)定澆注式瀝青混合料效果不盡相同，同等纖維摻量下，摻加木質(zhì)素纖維的澆注式瀝青混合料的流動(dòng)度最大，流動(dòng)性最差；摻加聚酯纖維的澆注式瀝青混合料的流動(dòng)度最小，流動(dòng)性最好。除摻加10%木質(zhì)素纖維的劉埃爾流動(dòng)度23 s外，其他摻量纖維的澆注式瀝青混合料的流動(dòng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求(5～20 s)。纖維的參與使得澆注式瀝青混合料流動(dòng)性出現(xiàn)明顯的變化，纖維吸附固定了混合料中的自由瀝青使得混合料相對(duì)流動(dòng)效率降低，流動(dòng)性減弱。從對(duì)瀝青的作用看，相同摻量的木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青的吸附最多，其次是玄武巖纖維，聚酯纖維的最少。

3.2 高溫穩(wěn)定性

3.2.1 貫入度

貫入度指標(biāo)表征了瀝青混合料在高溫及荷載耦合作用下的抗變形能力，其值越小，高溫穩(wěn)定性越好。試驗(yàn)在60 ℃環(huán)境下進(jìn)行，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同纖維摻量的瀝青混合料的貫入度Fig.3 Penetrations of asphalt mixture with different fiber dosages

圖4 不同纖維摻量的瀝青混合料的貫入度增量Fig.4 Penetration increments of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖3、圖4可以看出，隨纖維摻量的增加，澆注式瀝青混合料的貫入度先降低后增大，貫入度增量有相同的規(guī)律。澆注式瀝青混合料中的瀝青一部分存在膠漿中，確保混凝土黏結(jié)性和延展性；另一部分以自由瀝青的形式存在，保證混合料良好的工作性。在未摻加纖維之前，混合料中自由瀝青較多，骨料間的相對(duì)滑移較為容易，荷載與高溫耦合作用下抗變形能力較弱。隨纖維的增加，纖維固定吸收一定的自由瀝青，使得骨料間滑動(dòng)約束增大，同時(shí)纖維的加筋作用使得瀝青混合料形成穩(wěn)定的整體，這使得瀝青混凝土的抗高溫性能不斷增強(qiáng)。但是這種增強(qiáng)作用不是持續(xù)增加的，當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定量時(shí)，纖維將過(guò)度吸收自由瀝青，甚至有可能剝奪膠漿中的瀝青，這將導(dǎo)致混合料整體的流動(dòng)性能和黏結(jié)性能下降，即使有纖維的加筋作用也無(wú)濟(jì)于事。不同的纖維都有一個(gè)最佳摻量，此時(shí)對(duì)混合料的高溫性能改善作用最大，木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為4%，6%，8%，貫入度分別比不添加纖維時(shí)降低36.4%，42.6%，33.3%。在最佳摻量下，玄武巖纖維對(duì)澆注式瀝青混合料高溫性能的提升作用優(yōu)于其他2種纖維，這可能是由于玄武巖纖維增強(qiáng)的澆注式瀝青混合料的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，骨料間的相對(duì)滑移約束力增大，同時(shí)能夠把荷載應(yīng)力迅速分散，使得荷載、溫度等耦合條件下瀝青混合料的整體抗破損能力得到改善[14-15]。

3.2.2 車(chē)轍試驗(yàn)

在60 ℃溫度下對(duì)纖維增強(qiáng)的澆注式瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同纖維摻量的混合料車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度Fig.5 Rutting dynamic stabilities of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖5可以看出，澆注式瀝青混合料抗高溫變形能力較差，車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度只有457次/mm，這與其配合比組成相關(guān)[16]。澆注式瀝青混合料高溫性能的提升作用并不是隨纖維摻量的增加持續(xù)增加，而是先增大后減小，但是在纖維摻量試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)對(duì)混合料的性能是改善的。木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維分別在最佳摻量4%，6%，8%下對(duì)混合料的抗變形能力改善作用最大，此時(shí)高溫性能比不添加纖維分別提升71.8%，93.7%，44%。玄武巖纖維改善效果最為顯著，一方面是因?yàn)樾鋷r纖維物理柔韌性較好，抗拉伸性能較強(qiáng)，纖維加筋在瀝青膠漿與集料之間，使得整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；另一方面，該纖維吸附、釋放、分散特性良好，能夠?qū)r青的黏結(jié)作用發(fā)揮到最大，確?；旌狭夏途眯阅?。而木質(zhì)素纖維在拌和過(guò)程中拌和溫度已經(jīng)達(dá)到其熔點(diǎn)230 ℃，部分木質(zhì)素纖維可能失效，其改善作用稍弱，需要謹(jǐn)慎使用。

3.3 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

澆注式瀝青混合料不僅要有抵抗低溫開(kāi)裂的性能，而且要能夠抵抗荷載作用下橋面板負(fù)彎矩引起的拉應(yīng)力的作用，因此在-10 ℃進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6～圖7。

圖6 不同纖維摻量的瀝青混合料車(chē)的極限彎拉應(yīng)變Fig.6 Ultimate flexural strains of asphalt mixture with different fiber dosages

圖7 不同纖維摻量的瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度Fig.7 Flexural strengths of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖6、圖7可以看出，纖維穩(wěn)定的澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能增強(qiáng)，但是不隨纖維摻量的增加而持續(xù)增強(qiáng)。木質(zhì)素纖維的最優(yōu)摻量為混合料質(zhì)量的4%，極限彎拉應(yīng)變是3 885 με，玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為混合料質(zhì)量的6%，極限彎拉應(yīng)變是4 105 με，聚酯纖維的最優(yōu)摻量為混合料質(zhì)量的8%，極限彎拉應(yīng)變是3 775 με，玄武巖纖維對(duì)提升澆注式瀝青混合料的低溫性能效果最佳。

3.4 水穩(wěn)定性

為了研究水對(duì)澆注式瀝青混合料抗水損壞性能的影響，試驗(yàn)準(zhǔn)備了淡水和濃度為13%的飽和NaCl鹽溶液[17-18]，分別測(cè)試其在不同水環(huán)境下的穩(wěn)定性。每種混合料按照規(guī)范制備3組馬歇爾試件，第1組室溫下備用；第2組試件先在真空中飽水15 min后放置在淡水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的水中保溫24 h；第3組試件先在真空中飽水15 min后放置在鹽水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的鹽水中保溫24 h。將3組試件在25 ℃的水中保溫2 h后分別進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖8及表5。

圖8 不同纖維摻量的瀝青混合料的凍融劈裂比Fig.8 Freeze-thaw splitting ratios of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖8和表5可知，對(duì)澆注式瀝青混合料的抗劈裂性能的提升作用跟纖維的種類(lèi)及摻量有較大的關(guān)系。每種纖維對(duì)混合料水穩(wěn)定性的提升作用都是隨摻量的增加先增大后降低，存在最佳摻量對(duì)其性能提升作用最大。聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維的最佳摻量分別為8%，6%，4%。在鹽水更為苛刻的環(huán)境下，澆注式瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比比在淡水添加下降低11.1%，這是鹽分析出、溶脹等力學(xué)破壞造成的。無(wú)論是在淡水還是鹽水環(huán)境下，纖維對(duì)澆注式瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善作用表現(xiàn)出相同的規(guī)律，在最佳纖維摻量下改善作用由小到大依次是玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維。

表5 鹽水條件相對(duì)于淡水條件凍融劈裂強(qiáng)度降低比Tab.5 Reduction ratio of freeze-thaw splitting strength under salt water condition compared to that under fresh water condition

3.5 疲勞性能

在上文研究的纖維最佳摻量下，基于UTM對(duì)不同纖維增強(qiáng)的澆注式瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。選用600，700，800，900，1 000 με 5個(gè)應(yīng)變控制水平，荷載頻率為10 Hz，溫度為15 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同纖維增強(qiáng)的瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Fatigue test result of different fiber-reinforced asphalt mixtures

由圖9可知，隨應(yīng)變水平的增加，澆注式瀝青混合料的疲勞壽命呈指數(shù)函數(shù)遞減趨勢(shì)，并且擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95。在相同應(yīng)變水平下，加6%玄武巖纖維的澆注式瀝青混合料的疲勞壽命最長(zhǎng)，在600 με水平下，疲勞壽命高達(dá)730萬(wàn)次，在800 με水平下，疲勞壽命高達(dá)100萬(wàn)次。而沒(méi)有纖維增強(qiáng)的澆注式瀝青混合料，在600 με水平下，疲勞壽命只有300萬(wàn)次，在800 με水平下，疲勞壽命高達(dá)50萬(wàn)次。這是因?yàn)槔w維均勻分散在澆注式瀝青混合料中，通過(guò)加筋作用使得整體混合料結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，更能抵抗荷載的破壞作用，具有更好的抗疲勞開(kāi)裂性能。

3.6 耐久性能

作為密水性?xún)?yōu)良的澆注式瀝青混合料常被用在橋面鋪裝的下面層，起到防水、保護(hù)橋面板的作用，制備組合試件(上面層3.5 cmSMA13+下面層3 cmGA10)，采用南非MMLS1/3加速加載試驗(yàn)?zāi)M服役期內(nèi)澆注式瀝青混合料的受荷狀態(tài)，研究最佳摻量下纖維增強(qiáng)瀝青混合料的耐久性能，試驗(yàn)水溫60 ℃，輪胎接地壓強(qiáng)0.7 MPa，加載頻率30 Hz，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同纖維增強(qiáng)的澆注式瀝青加速加載試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Accelerated loading test result of different fiber-reinforced gussasphalt

由圖10可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，車(chē)轍深度逐漸增加，而增長(zhǎng)速度逐漸減小，這符合壓密變形、疲勞變形車(chē)轍2階段的變化規(guī)律。在相同加載次數(shù)下，摻加纖維的澆注式瀝青混合料的車(chē)轍變形更小，長(zhǎng)期耐久性能更好。加6%玄武巖纖維的澆注式瀝青混合料的耐久性能最優(yōu)，其次是加4%木質(zhì)素纖維和加8%聚酯纖維，這是因?yàn)榛旌狭现袨r青在高溫、荷載作用下不斷老化，纖維吸收瀝青不斷釋放將改善混合料的耐久性能，木質(zhì)素纖維雖然對(duì)瀝青的吸附作用比較大，但是其拌和溫度230 ℃已經(jīng)達(dá)到了其熔點(diǎn)，拌和時(shí)間45 min，在拌和過(guò)程中難免有一些木質(zhì)素纖維在高溫下失效，其改善作用部分無(wú)法發(fā)揮，所以其耐久性能不如玄武巖纖維，聚酯纖維本身吸收瀝青的能力較弱，在試驗(yàn)過(guò)程中吸附的自由瀝青釋放速度也快，相應(yīng)的混合料的耐久性能也較差。4種瀝青混合料的加載次數(shù)和車(chē)轍深度的回歸方程滿(mǎn)足y=alnx+b的指數(shù)關(guān)系(a，b為擬合參數(shù))，擬合優(yōu)度R2均大于0.99，擬合相關(guān)性良好，可以作為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性能的方法。

4 結(jié)論

通過(guò)研究不同種類(lèi)及摻量的纖維對(duì)澆注式瀝青混合料常規(guī)、疲勞、耐久性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)纖維能夠改善澆注式瀝青混合料的路用性能及耐久性能，尤其可以改善抗永久變形能力。

(2)對(duì)澆注式瀝青混合料性能的改善作用受纖維類(lèi)別及摻量的影響，木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為4%，6%，8%。

(3)相比于木質(zhì)素纖維、聚酯纖維，玄武巖纖維對(duì)澆注式瀝青混合料的性能改善效果最佳。

(4)加速加載試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值分析方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋪裝結(jié)構(gòu)的車(chē)轍變形，為建立耐久性能預(yù)估模型提供借鑒。