玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料性能影響

羅 涌

(福州高新區(qū)投資控股有限公司,福建 福州 350000)

高模量超薄改性瀝青混合料常被用于瀝青超薄磨耗層中,由于其改性瀝青的高黏度使高模量瀝青混合料的剛度較大,路面不易產(chǎn)生塑性變形,提升瀝青路面的平整度與行車舒適性,降低了瀝青路面的養(yǎng)護(hù)和維修成本[1]。但是隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,公路交通車流量、車輛軸重進(jìn)一步的增加。以及隨著全球變暖,極端氣候事件頻發(fā),給公路交通事業(yè)發(fā)展造成了阻礙。高模量超薄改性瀝青混合料因?yàn)閯傂暂^高,在溫度變化大、重載車輪的反復(fù)碾壓之下容易產(chǎn)生裂縫,裂縫在雨季中又進(jìn)一步的發(fā)展成水損害。

國內(nèi)外學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn),纖維能夠連接瀝青混合料中骨架之間的空隙,纖維與瀝青混合料膠結(jié)形成的拉力,能夠分擔(dān)部分車輪荷載。同時(shí)纖維能夠增加瀝青與礦料之間的黏附性,從而提升瀝青路面的水穩(wěn)定性。郝孟輝等[2]發(fā)現(xiàn)短切玄武巖能夠顯著提升AC-13C基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、-10 ℃彎曲破壞應(yīng)變、抗疲勞性能。徐剛等[3]發(fā)現(xiàn)0.2%摻量的礦物棉纖維對AC-16C瀝青混合料的抗裂性和抗形變能有著較大幅度提升。劉向杰[4]發(fā)現(xiàn)0.3%摻量玄武巖纖維能夠很好地提升瀝青的稠度與瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度。李祖仲等[5]使用堿、硅改性的蔗渣纖維摻入基質(zhì)瀝青混合料,發(fā)現(xiàn)其動(dòng)穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度分別提升了15.0%,7.5%。為了探究纖維對高模量改性瀝青混合料是否也具有積極作用,同時(shí)確定其最優(yōu)摻量,以Sulp-10高模量改性瀝青混合料為基礎(chǔ),加入不同摻量的短切玄武巖纖維,通過一系列路用性能試驗(yàn)評價(jià)改性效果。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)采用上海繽德新材料科技有限公司生產(chǎn)的DTO高延性改性瀝青,主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 DTO高延性改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

試驗(yàn)采用閩清廠輝綠巖,其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 細(xì)、粗集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 纖維

將玄武巖作為主要原料,經(jīng)過高溫融化后拉絲并噴灑親油劑浸潤,最后聚攏纏繞短切成條狀纖維。其具有親油性好、不易拉斷、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.1.4 礦粉

礦粉由巖漿巖中強(qiáng)基性憎水性石料磨細(xì)制成,其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 合成級(jí)配確定

集料混合料級(jí)配采用Sulp-10型,各材料比例情況見表5,集料混合料通過篩孔百分率見表6。

表5 各材料比例情況

表6 集料混合料通過篩孔百分率

1.3 最佳油石比確定

根據(jù)初試油石質(zhì)量比(下同)5.8,上下各調(diào)整兩個(gè)0.5%,雙面各擊實(shí)75次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,根據(jù)表7中所示的馬歇爾體積參數(shù)指標(biāo)確定最佳油石比。

表7 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)綜合比較,選用油石比為5.8%。

2 不同短切玄武巖纖維摻量下高模量改性瀝青混合料的路用性能

選取瀝青混合料質(zhì)量的0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%短切玄武巖摻入高模量改性瀝青混合料參照未摻纖維對照,通過車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等來評價(jià)短切玄武巖纖維不同摻量下高模量改性瀝青混合料的路用性能。

2.1 高溫穩(wěn)定性能評價(jià)

通過車轍試驗(yàn)來評價(jià)短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的影響。不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

可以看出當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到峰值,比未摻纖維的對照組提升了58.1%。這是因?yàn)楫?dāng)瀝青混合料中纖維的含量較少時(shí),纖維能夠很好地被分散在瀝青混合料的骨料間隙之中,提升瀝青與礦料的黏附性能。同時(shí)纖維可以增強(qiáng)瀝青混合料的韌性,使其在高溫和反復(fù)輪壓環(huán)境下不容易出現(xiàn)大量塑性變形。當(dāng)短切玄武巖纖維摻量超過0.3%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度迅速下降。這可能是因?yàn)?當(dāng)纖維摻量超過臨界點(diǎn)時(shí),纖維無法很好地被分散在瀝青膠結(jié)料之中,而成團(tuán)的纖維不僅會(huì)影響粗細(xì)集料原本的組成級(jí)配,還會(huì)使瀝青混合料變得硬脆,容易從成團(tuán)的纖維處開裂,降低高溫穩(wěn)定性。

2.2 低溫抗裂性能評價(jià)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)來評價(jià)短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料的低溫抗裂性的影響。不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí),-10 ℃破壞彎拉應(yīng)變達(dá)到峰值,比未摻纖維的對照組提升了29.4%。這是因?yàn)楦吣Ａ扛男詾r青混合料,由于其剛度高在低溫環(huán)境下容易變得硬、脆,受荷易發(fā)生脆性斷裂。同時(shí)在低溫環(huán)境下,混合料內(nèi)部會(huì)受到凍脹影響,削弱了瀝青與粗集料的黏結(jié)力,易產(chǎn)生不均勻裂縫。而隨著纖維的加入,在高模量改性瀝青磨耗層裂縫未發(fā)生時(shí),可以通過連接骨料之間的空隙使其變得更有韌性,從而延緩裂縫的產(chǎn)生。在裂縫發(fā)生后,纖維也具有分散車輪荷載以及凍脹應(yīng)力的能力,阻止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)張。但是當(dāng)纖維的摻量超過臨界點(diǎn),過于過多的纖維堆積,加大了瀝青混合料之間的空隙率,降低了低溫抗裂性。其次過多的纖維,就無法起到分散內(nèi)部和外在應(yīng)力的作用,反而在車輪碾壓之下會(huì)生產(chǎn)脆性斷裂。最后,過多的纖維會(huì)使本身已經(jīng)經(jīng)過了高模量改性的瀝青過稠,限制了其流動(dòng),降低了高模量改性瀝青磨耗層在低溫下的延伸能力。

2.3 水穩(wěn)定性評價(jià)

通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)短切玄武巖纖維對高模量改性瀝青混合料低溫抗裂性的影響。

2.3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí),殘留穩(wěn)定度達(dá)到峰值,比未摻纖維的對照組提升了6.4%。未摻纖維的高模量改性瀝青磨耗層,其高模量改性瀝青雖具有較強(qiáng)的黏聚性,但是在多雨季節(jié)可能會(huì)由于水分無法很快的排出,水在瀝青混合料中滯留,消弱瀝青的黏結(jié)能力,使礦料脫落最終造成水損害。而隨著纖維的加入可以一定程度上提升高模量改性瀝青混合料的飽和度,并降低其空隙率,在很大程度上阻止了水的入侵。其次,纖維也具有一定的吸水能力,吸收混合料內(nèi)部的水分,避免其因水膨脹產(chǎn)生裂縫。最后,玄武巖纖維有著優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì),在水分入侵時(shí)也能保持原有的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同樣,在纖維摻加過多時(shí),高模量改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性會(huì)下降,如圖3所示,當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.5%時(shí),其水穩(wěn)定性斷崖式下跌至與未摻纖維的高模量改性瀝青混合料接近。這可能是因?yàn)檫^多的纖維因無法被分散,膠結(jié)成團(tuán)。成團(tuán)的纖維吸收了過多的水分,導(dǎo)致其在壓力下失穩(wěn),使水穩(wěn)定性降低。其次,過多的纖維影響了粗細(xì)集料的分布,使其失去了原本密級(jí)配嵌擠下所形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

不同短切玄武巖纖維摻量的高模量改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出當(dāng)短切玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí),凍融劈裂殘留強(qiáng)度比達(dá)到峰值,比未摻纖維的對照組提升了10.2%。未摻纖維的高模量改性瀝青混合料在被水分侵蝕之下,隨著氣候變化造成的凍融循環(huán),瀝青混合料內(nèi)部應(yīng)力反復(fù)累加,最后導(dǎo)致水損害。而纖維的摻入可以增加瀝青混合料的黏結(jié)面積,從而使高模量改性瀝青混合料提升抵抗凍融循環(huán)的能力。同樣過多的纖維會(huì)結(jié)團(tuán),產(chǎn)生應(yīng)力集中等危害,使高模量改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降。

3 試驗(yàn)段

為了進(jìn)一步檢測在玄武巖纖維最優(yōu)摻量下高模量改性瀝青磨耗層的路用性能,在福建省南平市鋪裝了長600 m的試驗(yàn)段(以下提及的規(guī)范為JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范)。

3.1 壓實(shí)度檢測

在試驗(yàn)段現(xiàn)場隨機(jī)取三個(gè)芯樣,并檢測其密度,根據(jù)理論最大相對密度(計(jì)算法)換算壓實(shí)度,數(shù)據(jù)見表8。

表8 壓實(shí)度檢測

已知試驗(yàn)段的壓實(shí)度規(guī)范值為不小于92%,由表7所示三個(gè)芯樣的壓實(shí)度均滿足要求。證明了玄武巖纖維高模量改性瀝青磨耗層級(jí)配設(shè)計(jì)合理,且施工工藝合規(guī)。

3.2 滲水系數(shù)檢測

在試驗(yàn)段鋪筑并試運(yùn)行一年后,隨機(jī)抽取6個(gè)點(diǎn),測其滲水系數(shù),數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 滲水系數(shù)檢測

由表8所示,該試驗(yàn)段6個(gè)點(diǎn)位的滲水系數(shù)均遠(yuǎn)低于普通密級(jí)配瀝青混合料的規(guī)范值300 mL/min。說明短切玄武巖纖維的加入,通過連接骨料之間的孔隙,降低了瀝青混合料的孔隙之間的連通性,使骨料之間被膠結(jié)得更加緊密,阻止了水的浸入。

3.3 平整度檢測

在試驗(yàn)段鋪筑并試運(yùn)行一年后,使用八輪儀對試驗(yàn)段的平整度進(jìn)行檢測,隨機(jī)抽取6條車道檢測平整度。平整度由標(biāo)準(zhǔn)差表示,數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 平整度檢測

由表9所示,該試驗(yàn)段6個(gè)車道的平整度均遠(yuǎn)小于規(guī)范值1.2 mm,證明了纖維在瀝青混合料中起到加筋作用,分散了車輪荷載帶來的應(yīng)力,減輕了瀝青路面的不均勻沉降、車轍等病害,提高了行車舒適性。

3.4 摩擦系數(shù)檢測

在試驗(yàn)段鋪筑并試運(yùn)行一年后,使用擺式摩擦儀對試驗(yàn)段的抗滑指標(biāo)進(jìn)行檢測,同樣抽取6個(gè)點(diǎn),抗滑指標(biāo)由摩擦系數(shù)BPN表示,數(shù)據(jù)如表11所示。

表11 抗滑指標(biāo)檢測

由表10所示,該試驗(yàn)段6個(gè)點(diǎn)位的均大于設(shè)計(jì)值50BPN,證明了纖維摻加增強(qiáng)了骨料之間的抗滑移能力,使表面骨料不易受荷脫落。同時(shí)纖維的摻入提升了骨料之間的內(nèi)摩擦角,增加了車輪與瀝青混合料之間的接觸面積,增強(qiáng)了抗滑性能。

3.5 試驗(yàn)段性能總結(jié)

試驗(yàn)段的鋪裝證明了該瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)合理可行,同時(shí)也證明了纖維對提升瀝青路面的水穩(wěn)定性、平整度、抗滑性能均有著積極的作用。

4 結(jié)論

1)根據(jù)車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn),得出短切玄武巖纖維的最佳摻量為0.3%,在該摻量下,高模量改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性均有顯著提升,其中動(dòng)穩(wěn)定度提升了58.1%,-10 ℃破壞彎拉應(yīng)變提升了29.4%,殘留穩(wěn)定度提升了6.4%,凍融劈裂強(qiáng)度比提升了10.2%。

2)當(dāng)玄武巖纖維的摻量超過最佳摻量,因纖維無法很好地被分散,造成應(yīng)力集中等危害、導(dǎo)致高模量改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能均有所下降。

3)通過對已通車一年的試驗(yàn)段進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)其水穩(wěn)定性、平整度、抗滑性能均良好,證明了該瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)合理,高模量改性瀝青磨耗層中纖維的摻入對行車舒適性、各項(xiàng)路用性能的提升均有著積極作用。