玻璃纖維改性的澆注式瀝青混合料路用性能的影響研究

周本濤,張海嘯

(河南交投商羅高速公路有限公司,河南 鄭州 450000)

因我國的交通、氣候、地理等條件特殊復雜,使得一些澆注式瀝青混合料鋼橋面鋪裝結構出現早期損壞、維修養護嚴重等問題,給橋梁交通功能帶來諸多隱患,因此如何提升澆注式瀝青混合料的使用性能成為現階段橋梁工作者亟需關注的熱點課題[1-2]。

近年來,國內學者已在橋面鋪裝澆注式瀝青混合料性能改善方面進行了不少研究,如研究了溫拌改性劑類型及摻量對不同油石比澆注式瀝青混合料路用性能的影響,得到溫拌改性劑的摻量不宜過高,RH改性劑性能改善效果優于Sasobit[3];考察了集料種類、砂率、礦粉細度對澆注式瀝青混合料性能的影響,得出集料種類對混合料性能影響較小,適宜礦粉細度能改善混合料的路用性能[4];以港珠澳大橋橋面鋪裝工程為背景,針對澆注式瀝青混合料性能優化進行試驗研究,確定了其最佳配合比[5];研究了聚合物、湖瀝青及硬質瀝青等復合改性瀝青的路用性能,得到聚合物復合改性瀝青制備而成的澆注式混合料具備更優的綜合性能[6]。基于此,本文以玻璃纖維和橋面鋪裝GA10澆注式瀝青混合料為對象,系統考察了玻璃纖維摻量對澆注式瀝青混合料工作性能、路用性能及抗疲勞性能的影響規律,以為橋面鋪裝澆注式瀝青混合料的設計及應用提供參考與借鑒。

1 試驗材料與級配設計

1.1 試驗原材料

瀝青結合料采用特立尼達TLA湖瀝青與AH70#基質瀝青復配的混合瀝青(質量比為70∶30),試驗方法采用JTG E20—2011,其相關性能指標與檢測結果如表1所示。

表1 瀝青結合料的性能指標Tab.1 Performance indexes of asphalt binder

粗集料采用規格為3～5、5～10 mm的玄武巖,細集料采用規格為0～3 mm的石灰石機制砂,填料采用無團粒結塊的石灰石粉,粗細集料的性能指標均滿足相關規范要求。纖維采用長度為12 mm的普通玻璃纖維,其性能指標如表2所示。

表2 玻璃纖維的性能指標Tab.2 Performance indicators of fiberglass

1.2 級配設計

按照文獻[7]、文獻[8]的方法采用GA10級配作為澆注式瀝青混合料性能的礦料級配,其級配設計如表3所示。試驗首先根據級配設計與初擬油石比(7.2%、7.6%、8%、8.4%、8.8%),在室內成型瀝青混合料試件,然后分別對成型試件依次進行工作性能、高溫及低溫性能試驗,測試出劉埃爾流動度(240 ℃)、貫入度(60 ℃)及最大彎曲應變(-10 ℃)等一系列指標參數(見表4),并確定出澆注式瀝青混合料的最佳油石比為8%。

表3 澆注式瀝青混合料GA10礦料級配Tab.3 Pouring asphalt mixture GA10 ore grading

表4 澆注式瀝青混合料的性能測試結果Tab.4 Performance test results of poured asphalt mixture

2 試驗結果及分析

為了研究玻璃纖維對澆注式瀝青混合料工作性能、路用性能及疲勞性能的影響,本文設計了玻璃纖維摻量為0%、1%、2%、3%、4%、5%的6組纖維澆注式瀝青混合料試件,以評價玻璃纖維澆注式瀝青混合料的各項性能指標。

2.1 工作性能

玻璃纖維澆注式瀝青混合料的工作性能采用240 ℃劉埃爾流動度進行評價,其值越小表明了瀝青混合料的流動性更優。通過對不同玻璃纖維摻量澆注式瀝青混合料的劉埃爾流動度進行測試,得到測試結果如圖1所示。

圖1 澆注式瀝青混合料的流動度試驗結果

由圖1可知,澆注式瀝青混合料的劉埃爾流動度隨著玻璃纖維摻量的增加呈逐漸增大變化趨勢,說明瀝青混合料的流動性隨之逐漸減弱。不同玻璃纖維澆注式瀝青混合料的劉埃爾流動度均在10～19 s,表明瀝青混合料的施工性能均滿足規范的要求(3～20 s),其中玻璃纖維摻量為0%時,澆注式瀝青混合料的劉埃爾流動度為10 s;當玻璃纖維摻量為5%時,瀝青混合料的劉埃爾流動度則達到了19 s,較于未摻纖維澆注式瀝青混合料的流動度減弱了90%,原因是瀝青混合料中存在一部分瀝青保證了膠漿的粘結性與延展性,但也存在另一部分自由分散的瀝青則被玻璃纖維逐步吸附,因而削弱了瀝青混合料的工作流動性。

2.2 高溫穩定性

纖維澆注式瀝青混合料的高溫穩定性分別采用貫入度和車轍動穩定度2個指標進行評價,其中貫入度值越小,表明瀝青混合料在高溫、荷載共同作用下的抗變形性能更佳。貫入度試驗及車轍試驗的溫度均為60 ℃,通過對不同玻璃纖維摻量的澆注式瀝青混合料進行高溫穩定性測試,結果如圖2所示。

圖2 澆注式瀝青混合料的高溫穩定性試驗結果

由圖2可知,澆注式瀝青混合料的貫入度隨著玻璃纖維摻量的增加呈先減小后增大變化趨勢,其中當玻璃纖維摻量由0%增至3%時,瀝青混合料的貫入度逐漸減小,在玻璃纖維為3%時,貫入度達到最小值1.23 mm,說明瀝青混合料的高溫抗變形能力得到了有效的提升,原因是玻璃纖維吸收了膠漿外的一部分自由瀝青,限制了不同骨料之間的滑移能力,加之玻璃纖維具有一定的加筋作用,因此澆注式瀝青混合料的高溫抗變形性能逐漸增強;但當玻璃纖維摻量由3%增至5%時,瀝青混合料的貫入度反而逐漸增大,表明了高溫抗變形能力不斷降低,原因是過量的玻璃纖維不僅將自由瀝青完全吸附,而且連膠漿內的部分瀝青也被吸收,導致澆注式瀝青混合料的粘結及延展性能下降。隨著玻璃纖維摻量的增加,瀝青混合料的車轍動穩定度呈先增大后減小變化趨勢,其中未摻玻璃纖維澆注式瀝青混合料的車轍動穩定度為483次/mm,而玻璃纖維摻量為1%～5%時,車轍動穩定度分別為538、599、677、670和621次/mm,較未摻纖維分別提高了11.4%、24%、40.2%、38.7%、28.6%,說明玻璃纖維摻入對澆注式瀝青混合料的高溫穩定性均有所改善,且3%玻璃纖維摻量的混合料高溫抗變形性能最佳,原因是適宜摻量的玻璃纖維能夠有效加筋于瀝青與骨料之間,從而提升了瀝青混合料的高溫抗變形性能。

2.3 低溫抗裂性

通過對不同摻量玻璃纖維澆注式瀝青混合料進行-10 ℃小梁彎曲試驗,得到最大彎曲應變、最大彎拉應力試驗結果如圖3所示。

圖3 澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性試驗結果

由圖3可知,隨著玻璃纖維摻量的增加,澆注式瀝青混合料的最大彎曲應變和最大彎拉應力均呈先增大后減小變化趨勢。其中,當玻璃纖維摻量由0%增至3%時,瀝青混合料的的最大彎曲應變和最大彎拉應力均逐漸增大,在玻璃纖維為3%時,最大彎曲應變和最大彎拉應力達到峰值分別為7 988 με、11.7 MPa;當玻璃纖維摻量由3%增至5%時,瀝青混合料的最大彎曲應變和最大彎拉應力則均逐漸減小,但仍超過未摻纖維混合料,說明玻璃纖維的摻入能夠有效提升澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性,3%玻璃纖維瀝青混合料的低溫穩定性表現最好。

2.4 水穩定性

澆注式瀝青混合料的水穩定性能采用凍融劈裂試驗來評價。通過對玻璃纖維澆注式瀝青混合料展開凍融劈裂試驗,得到凍融劈裂強度比試驗結果如圖4所示。

圖4 澆注式瀝青混合料的水穩定性試驗結果

由圖4可知,澆注式瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨著玻璃纖維摻量的增加呈先增大后減小變化趨勢,其中未摻玻璃纖維瀝青混合料的凍融劈裂強度比為91.5%,當玻璃纖維摻量由0%增至3%時,凍融劈裂強度比不斷增大,在玻璃纖維摻量為3%時,混合料的凍融劈裂強度比達到最大值94.6%。而繼續摻入玻璃纖維后,凍融劈裂強度比則隨之逐漸減小,但仍高于未摻纖維瀝青混合料,說明摻入玻璃纖維后澆注式瀝青混合料的水穩定性均有所提升,且玻璃纖維為3%的瀝青混合料水穩定性能表現最佳。

2.5 抗疲勞性能

本文設計了600～1 000 με這5種應變水平,采用UTM對不同玻璃纖維澆注式瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗,得到其疲勞壽命試驗結果如圖5所示。

圖5 澆注式瀝青混合料的抗疲勞試驗結果

從圖5可以看出,澆注式瀝青混合料的疲勞壽命隨著應變控制水平的增加呈逐漸減小變化趨勢,其中應變控制水平由600 με增至800 με時,瀝青混合料的疲勞壽命降幅較為明顯;當應變控制水平由800 με增至1 000 με時,疲勞壽命的降幅則趨于平緩。隨著玻璃纖維的增加,澆注式瀝青混合料的疲勞壽命呈先增大后減小變化趨勢,其中在玻璃纖維0%～3%時,瀝青混合料的疲勞壽命呈增大變化,而在玻璃纖維3%～5%內,疲勞壽命隨之有所減小,但較于未摻纖維仍有所提升,說明玻璃纖維能夠增強澆注式瀝青混合料的疲勞壽命,原因是玻璃纖維均勻分散于混合料內部,其加筋作用促使結構更為穩固,因此抵抗長期荷載產生累積損傷的能力更強,故其抗疲勞開裂性能更佳。

3 結語

(1)玻璃纖維能夠吸收瀝青混合料中部分自由分散的瀝青,故澆注式瀝青混合料的工作流動性隨著玻璃纖維摻量的增加逐漸降低;

(2)澆注式瀝青混合料的高溫抗變形性能、低溫抗裂性能及水穩定性能均隨著玻璃纖維摻量的增加呈先增大后減小變化,適量的玻璃纖維能夠吸附膠漿外的自由瀝青,加筋于瀝青與骨料間,使得瀝青混合料的高溫抗變形性能、低溫抗裂性能及水穩定性能得到有效提升,而過量的玻璃纖維不僅能將膠漿外的自由瀝青完全吸附,且連膠漿內的部分瀝青也被吸收,從而導致混合料的粘結、延展性下降,故澆注式瀝青混合料的高溫抗變形性能、低溫抗裂性能及水穩定性能有所削弱;

(3)隨著玻璃纖維的增加,澆注式瀝青混合料的抗疲勞開裂性能呈先增大后減小變化,在玻璃纖維均勻分散加筋作用下瀝青混合料的內部結構更為穩固,使得抵抗長期荷載產生累積損傷的能力更強,故一定量的玻璃纖維能夠有效增強混合料的抗疲勞開裂性能;

(4)綜合玻璃纖維澆注式瀝青混合料的施工性能、路用性能及抗疲勞性能可知,推薦玻璃纖維的適宜摻量為3%,可提升其綜合性能,有利于延長澆注式瀝青混合料的使用壽命。