玄武巖纖維摻量和低溫環(huán)境對(duì)瀝青混合料影響研究

0 引言

我國(guó)北方寒冷地區(qū)的晝夜溫差大，瀝青路面因氣溫寒冷，其使用壽命也隨之受到影響[1]。因此，研究低溫條件等因素對(duì)瀝青混合料路用性能的影響具有重要意義。張抒幻[2]以鋼渣粉摻量、聚酯纖維摻量及凍融循環(huán)次數(shù)為變量，分析了鋼渣粉-聚酯纖維瀝青混合料的改性機(jī)理及鹽凍侵蝕機(jī)理。金情芬[3采用室內(nèi)SCB（半圓彎抗）試驗(yàn)，分析了裂紋類(lèi)型及纖維摻量對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響。李曉玲[4]通過(guò)冷凍試驗(yàn)，分析了抗冷凍劑摻量對(duì)瀝青混合料的影響，其結(jié)果表明添加抗冷凍劑能夠有效改善瀝青路面的行車(chē)效果。

考慮到適當(dāng)添加玄武巖纖維能夠有效改善瀝青混合料的整體強(qiáng)度，本文擬通過(guò)室內(nèi)低溫SCB試驗(yàn)，以極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變來(lái)表征瀝青混合料的低溫抗裂性能，對(duì)不同玄武巖纖維摻量和低溫環(huán)境下瀝青混合料路用性能的劣化規(guī)律進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)用瀝青混凝土原材料和摻料

1.1 原材料

試驗(yàn)用瀝青采用黏性更高的SBS改性瀝青（1類(lèi)D型），其軟化點(diǎn)為 82.50^°C ，黏度為 2.45Pa?s ，針入度指數(shù)為0.15，溶解度為 99.6% ，離析值為0.86，閃點(diǎn)為342^°C 。粗集料采用粒徑范圍為3.2～16mm的石英巖，細(xì)集料采用最大粒徑為 3.2mm 的河砂。填料采用礦粉，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2摻料

試驗(yàn)用改性瀝青混凝土摻料采用玄武巖纖維，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1礦粉化學(xué)成分

表2玄武巖纖維物理力學(xué)參數(shù)

2玄武巖纖維摻量和低溫環(huán)境試驗(yàn)方案

有關(guān)研究表明，玄武巖纖維的適當(dāng)摻量能夠有效改善瀝青混合料的力學(xué)性能。該試驗(yàn)以玄武巖纖維摻量和低溫環(huán)境為變量，通過(guò)低溫SCB試驗(yàn)，研究不同玄武巖纖維摻量在低溫環(huán)境下對(duì)改性瀝青混合料抗裂性能的影響。為此確定的玄武巖纖維摻量試驗(yàn)方案如下：

按照玄武巖纖維摻量分為4組，各組玄武巖纖維摻量分別為 0% 、 0.2% 、0.4%、 0.6% ；每組的試驗(yàn)溫度分為0^°C 、 -10^°C 、 -20^°C 三種。每個(gè)工況制備4個(gè)試件，每個(gè)試件使用改性瀝青混合料約 1.0kg 。試驗(yàn)結(jié)果取平均值。玄武巖纖維摻量低溫環(huán)境試驗(yàn)方案如表3所示。

表3玄武巖纖維摻量低溫環(huán)境試驗(yàn)方案

3不同玄武巖纖維摻量時(shí)最佳瀝青含量試驗(yàn)3.1試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)研究，瀝青混合料的最佳瀝青含量可采用析漏損失-瀝青含量曲線拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的瀝青含量。在不同玄武巖纖維摻量條件下，通過(guò)謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定瀝青混合料的最佳瀝青含量。以瀝青含量 5% 為基準(zhǔn)、以 0.5% 為步距設(shè)置瀝青含量。瀝青含量試驗(yàn)后，瀝青析漏損失的計(jì)算公式如下：

式中： Δm 為瀝青的析漏損失 （%） ， m₀ 為干燥后的燒杯質(zhì)量 （g） ， m₂ 為燒杯和黏附在燒杯上試件瀝青混合料的總質(zhì)量（g）； m₁ 為燒杯和試件瀝青混合料的總質(zhì)量（g）。

3.2試驗(yàn)步驟

按照J(rèn)TJE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中T0702—2011瀝青混合料試件制作方法（擊實(shí)法）規(guī)定，對(duì)不同玄武巖纖維摻量時(shí)的最佳瀝青含量的試驗(yàn)步驟如下：首先，根據(jù)瀝青的不同含量和玄武巖纖維的不同摻量制作改性瀝青混合料試件[5]，每組配置4份試件，每份試件質(zhì)量約 1.0kg ；其次，洗凈燒杯，稱(chēng)量干燥后的燒杯質(zhì)量，精確至0.1g；再次，將配置好的試件放置到燒杯中，稱(chēng)量燒杯和瀝青混合料試件的總質(zhì)量，精確至 0.1g 。然后，將燒杯蓋上玻璃蓋后，放置在 185^°C 的烘箱中，持續(xù)（ 60±1? ）min。最后，將燒杯取出倒扣在玻璃板上，對(duì)燒杯和粘附在燒杯上的瀝青混合料試件的總質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重，精確至 0.1g 。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

利用origin繪圖分析軟件，對(duì)不同玄武巖纖維摻量下的改性瀝青析漏損失數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。改性瀝青含量-析漏損失曲線如圖1所示。

圖1改性瀝青含量-析漏損失曲線

由圖1可知，添加玄武巖纖維能夠提高改性瀝青混合料的最佳瀝青含量值，且隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料的最佳瀝青含量也增加。在玄武巖纖維摻量分別為 0% 、 0.2% 、 0.4% 、 0.6% 時(shí)，瀝青混合料的最佳瀝青含量分別為6. 14% 、6. 18% 、 6.28% 、 6.37% 。這是因?yàn)殡S著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料中礦料比表面積進(jìn)一步增大，能夠吸附更多的瀝青，因此最佳瀝青含量也隨之增加。

4低溫SCB試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)步驟

首先，按照T0702—2011瀝青混合料試件制作方法（擊實(shí)法）的規(guī)定制作不同玄武巖纖維摻量和不同瀝青含量的改性瀝青混合料試件，進(jìn)行馬歇爾（最佳油石比）試驗(yàn)。其次，

圖2低溫半圓彎拉SCB試驗(yàn)

使用高精度切割機(jī)將制成的圓柱體試件分割成直徑為150mm 、高度為 75mm 、厚度為 75mm 的半圓形試件。再次，將制成的半圓形試件放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，將低溫試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度分別設(shè)定為 0^°C 、 -10^°C 、 -20^°C ，將試件在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)冷凍5h。最后，將冷凍成不同溫度的SCB試件逐個(gè)取出，分別放置在加載儀器上，設(shè)置加載速率為5mm/min，由此得到試件的破壞荷載。低溫半圓彎拉SCB試驗(yàn)如圖2所示。

4.2試驗(yàn)指標(biāo)及計(jì)算方法

選擇極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變作為改性瀝青混合料低溫抗裂性能指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中： σ_t 為極限拉應(yīng)力（MPa）， F 為破壞時(shí)單位寬度荷載（ ?kN? ， D 為試件直徑（mm）， L 為極限拉應(yīng)變， ε 為支座間距（mm）， d 為試件中心部撓度（mm）。

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1玄武巖纖維摻量的影響

改性瀝青混合料玄武巖纖維摻量-極限拉應(yīng)力拉應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3a可知，在不同試驗(yàn)溫度條件下，改性瀝青混合料中玄武巖纖維摻量從 0% 增加到 0.4% 的過(guò)程中，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力逐漸增加，在玄武巖纖維摻量為 0.4% 時(shí)達(dá)到峰值；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.6% 時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力減少。也就是瀝青混合料的極限拉應(yīng)力隨著玄武巖纖維摻量的增加，表現(xiàn)為先增加后減少的過(guò)程。

圖3玄武巖纖維摻量-極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變曲線

當(dāng)試驗(yàn)溫度從 0^°C 下降到 -10^°C 時(shí)，改性瀝青混合料的極限拉應(yīng)力提升最明顯。此時(shí)玄武巖纖維摻量為 0.4% 瀝青混合料的最大極限拉應(yīng)力值分別為 8.52MPa. ， 9.27MPa. 8.21MPa ，比未摻加玄武巖纖維的普通瀝青混合料的最大極限拉應(yīng)力值分別提高了 22.6%. ， 25.3% ， 20.7% 。這說(shuō)明摻加玄武巖纖維能夠有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。但是當(dāng)玄武巖纖維摻量為 0.6% 時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力反而下降。這是因?yàn)樾鋷r纖維摻量過(guò)大，會(huì)在瀝青混合料內(nèi)部形成空隙較大的纖維團(tuán)結(jié)構(gòu)，降低了瀝青覆蓋率，在外力作用下容易在其薄弱處形成應(yīng)力集中，從而影響改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

由圖3b可知，在不同試驗(yàn)溫度條件下，不同玄武巖纖維摻量的改性瀝青混合料極限拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)變的變化規(guī)律相似，即隨著玄武巖纖維摻量的增加表現(xiàn)為先增加后減少的過(guò)程。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.4時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變達(dá)到峰值；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.6% 時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)變值低于未摻加玄武巖纖維的瀝青混合料。綜上所述，改性瀝青混合料的最佳玄武巖纖維摻量為 0.4% 。

4.3.2溫度變化的影響

改性瀝青混合料的溫度-極限拉應(yīng)力拉應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4a可知，改性瀝青混合料的極限拉應(yīng)力隨著試驗(yàn)溫度的降低，先變大后變小。當(dāng)試驗(yàn)溫度為-10^°C 、玄武巖纖維摻量為 0.4% 時(shí)，極限拉應(yīng)力達(dá)到峰值，其低溫抗裂性能最優(yōu)。試驗(yàn)溫度為 -20^°C 時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力小于 0^°C 時(shí)的數(shù)值，說(shuō)明過(guò)低的溫度會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響。

圖4溫度-極限拉應(yīng)力、拉應(yīng)變曲線

由圖4b可知，改性瀝青混合料的極限拉應(yīng)變隨著溫度的降低表現(xiàn)出逐漸下降的規(guī)律，這是因?yàn)楫?dāng)溫度為 0^°C 時(shí)，瀝青處于黏彈性狀態(tài)，瀝青和混合料之間的裹附作用較好，抵抗變形的能力也較強(qiáng)，發(fā)生破壞的形式為黏彈性破壞。隨著溫度的降低，瀝青由軟變硬，呈現(xiàn)出脆性狀態(tài)，抵抗變形的能力降低，極限拉應(yīng)變值變小。當(dāng)試驗(yàn)溫度為 10^°C 、玄武巖纖維摻量為 0.4% 時(shí)，雖然其抵抗變形能力降低，但其強(qiáng)度提升，發(fā)生脆性斷裂時(shí)的極限拉應(yīng)變達(dá)到了最大值。因此玄武巖纖維摻量為0.4%條件下，改性瀝青混合料的試驗(yàn)溫度為 -10^°C 時(shí)的低溫抗裂性能最優(yōu)。

5結(jié)論

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，對(duì)不同玄武巖纖維摻量的改性瀝青混合料進(jìn)行低溫SCB試驗(yàn)，研究玄武巖纖維摻量和低溫環(huán)境對(duì)改性瀝青混合料抗裂性能的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）改性瀝青混合料的最佳瀝青含量隨著玄武巖纖維摻量的增加而增加，當(dāng)玄武巖纖維摻量分別為 0% ， 0.2% 0.4%、0.6%時(shí)，瀝青混合料的最佳瀝青含量分別為 6.14% 元6. 18% 、6. 28% 、 6.37% 0

2）適當(dāng)添加玄武巖纖維能夠有效提高改性瀝青混合料的極限拉應(yīng)力值和極限拉應(yīng)變值。隨著玄武巖纖維摻量的增加，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力及極限拉應(yīng)變表現(xiàn)為先增加后減少，當(dāng)玄武巖纖維摻量為 0.4% 時(shí)，瀝青混合料的極限拉應(yīng)力值和極限拉應(yīng)變值達(dá)到峰值。

3）溫度是影響改性瀝青混合料低溫抗裂性能的重要因素，一定幅度的降溫有利于提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。隨著溫度的降低，不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料的極限拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)變表現(xiàn)為先增大后減小，在 -10^°C 時(shí)，其低溫抗裂性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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