预防性养护用纤维微表处性能提升幅度研究

沈云芳

(山西省长子公路管理段,山西 长子 046600)

路面日常养护中,微表处得到大面积的应用,但其致命的缺点则是寿命短,大约1～2年,微表处表面会出现脱皮、车辙、坑槽、开裂等病害,严重影响了路面的使用性能。鉴于此,对选择合理的加筋材料,增强微表处抗裂、抗车辙等进行研究。纤维微表处的出现,可大幅度提高沥青胶体的黏结性能,增强微表处混合料高、低温、抗水损坏性能,可明显减少各种裂缝和车辙等病害的出现。但目前用于混合料拌和的纤维类型较多,如聚酯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等,不同学者在各种纤维的应用研究中意见不一。

黎侃等[1]认为,在普通微表处中添加0.1%～0.3%聚丙烯单丝纤维,可明显增加混合料的黏附性和综合路用性能。曹炜等[2]认为,玄武岩纤维拌和的微表处混合料综合性能优于聚丙烯纤维微表处混合料,更优于普通微表处混合料。王永红等[3]认为,微表处混合料中适量增加纤维用量可以提高微表处的综合性能,但提高后混合料的成本将大幅度上升。岳学军等[4]认为,纤维微表处可提升材料的抗水损坏、抗疲劳、抗开裂、抗车辙等性能,且改善幅度很大。但少有研究人员对聚酯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等进行系统的研究,并未做出准确的性能提升效果排序及提升幅度的比选。以山西太佳西高速公路养护工程为依托,通过研究聚酯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维微表处在抗磨耗、抗水损、抗车辙、抗低温开裂方面进行详细对比研究,提出加入各种纤维相对未掺纤维表处性能方面的提升幅度及排序,最后得出最优选择。

1 纤维微表处作用机理

1.1 纤维高低温、耐久性能

玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维自身耐高温性能优,在微表处混合料拌和过程中,拌和温度远达不到纤维性能破坏的温度,其自身的弹性模量和韧性得到了很大的保存。高温环境下,微表处混合料的劲度模量降低显著,此时,纤维微表处混合料的抗车辙性能主要由纤维握裹加劲提供。气温骤降后,微表处混合料的脆性变强,此时,纤维的温度敏感性远不及微表处混合料,微表处混合料抗拉强度主要由纤维提供。另外,以上纤维的抗腐蚀性能均较优,与微表处混合料一同拌和后,沥青包裹于纤维表面,减少了纤维与空气接触的机率,进一步保障了纤维的耐久性能。

1.2 纤维对沥青的吸附作用

玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维的直径约为10～20 μm,该细度下的纤维在微表处混合料中具有极大的比表面积,纤维在如此大面积的沥青浸润作用下,纤维对沥青的吸附更加明显,形成的纤维-沥青界面更加广泛,纤维在微表处混合料中黏结、加筋、增强效果更加显著。

1.3 纤维对沥青的增韧作用

微表处混合料的粘弹性因温度改变而变化,当玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维中的一种加入后,庞大数量的纤维改变了微表处混合料的性能,尤其在高温情况下,提高了沥青胶浆软化点,提升了沥青胶浆的黏度,增强了沥青纤维沥青混合料的高温劲度模量,改善了纤维沥青微表处混合料高温韧性及抗车辙性能,延长了纤维沥青混合料的耐久性能。

气温的降低,沥青微表处混合料低温抗裂性能变差,脆性增加,抗疲劳性能降低,当增加纤维后,均匀分布的纤维在纤维沥青微表处混合料中起到加筋、增韧、改变混合料低温敏感性的作用,提升了低温下微表处混合料的抗裂性。

尤其是玄武岩纤维,其具有极强的弹性模量,对高低温的敏感性最弱,沥青的包裹下,对外力有较强的应力吸收作用、可有效抑制裂缝发生、发展和扩散,提升了纤维沥青微表处混合料的整体抗车辙、抗开裂、抗疲劳性能。

1.4 纤维对微表处的抗水损坏作用

细小的纤维加入微表处混合料后,微表处混合料的间隙得到进一步搭结、填充,显著降低了纤维微表处混合料的施工空隙率,减少了行车作用下动水压力进入纤维微表处混合料内部的机会,降低了水对微表处沥青油膜的剥离频次,进而延长了微表处混合料的长期抗水损坏性能。

2 原材料

2.1 普通沥青

选用克炼70#普通沥青,沥青试验结果见表1。

表1 70#普通沥青性能结果

2.2 乳化剂及其他助剂

乳化沥青采用SBR改性乳化沥青,乳化剂采用MQ3,调酸剂采用盐酸,拌和用水采用自来水。依据《公路沥青路面微表处设计与施工技术规范》(DB62T 3129—2017)[6],通过专用设备制作的改性乳化沥青胶乳,性能指标见表2。

表2 SBR改性乳化沥青性能结果

2.3 集料

大于3 mm集料采用玄武岩集料,细集料采用石灰岩集料,水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。集料、水泥的性能满足相关规范要求。

2.4 纤维

选用聚酯纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维进行试验,纤维性能见表3。

表3 不同纤维的性能

3 纤维微表处混合料设计

3.1 混合料级配设计

采用MS-3型级配范围设计微表处混合料,合成级配曲线见表4。

表4 MS-3型合成级配设计

3.2 油石比确定

选用6.0%～8.0%,间隔0.5%的油石比,完成最佳油石比的设计,试验分别开展湿轮磨耗值、负荷黏砂值、宽度变化率和黏聚力试验。试验结果见表5、表6。纤维选用其中一种纤维,本次采用聚丙烯纤维(混合料质量的0.2%)。

表5 湿轮磨耗值与负荷黏砂值测定结果

表6 黏聚力与宽度变化率测定值

从表5、表6可知,当油石比为7%时,纤维微表处的湿轮磨耗值、负荷黏砂值、黏聚力、宽度变化率均满足设计要求。选用油石比为7.0%作为聚丙烯纤维微表处的最佳油石比。用水量4.5%,水泥掺量1.5%。

同理,采用以上试验方法,对聚酯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维微表处混合料进行最佳油石比试验,试验结果与聚丙烯纤维微表处混合料的最佳油石比相同,用水量为4.5%,水泥掺量为1.5%。其原因为以上4种纤维的吸油率非常相近,最佳油石比也可得出相同的结论。

4 不同纤维微表处混合料性能比较

为进一步研究4种纤维对普通微表处(未掺纤维微表处)混合料性能提升幅度,开展了不同纤维掺量的抗磨耗性能试验、抗水损坏性能试验、抗车辙性能试验、低温性能试验,对比、分析4种纤维对普通微表处混合料性能提升效果及排序。

4.1 湿轮磨耗比较

对5种微表处混合料进行1 h湿轮磨耗试验,试验结果见图1。

图1 浸水1 h湿轮磨耗试验结果

从图1可知,分别添加0.1%的各种纤维后,均可使各种纤维微表处的抗磨耗性能提高;掺量到0.2%时,4种纤维的抗磨耗性能均大幅度下降,聚酯纤维、玻璃纤维的抗磨耗性能竟不及未掺纤维微表处;掺量到0.3%时,抗磨耗性能下降更为明显,均不及未掺纤维微表处的抗磨耗性能。从抗湿轮磨耗方面讲,4种纤维微表处纤维掺量为0.2%时,玄武岩纤维和聚丙烯纤维微表处的抗磨耗性能提升幅度为未掺纤维微表处的7.8%、3.3%,其全他两种纤维微表处不及未掺纤维微表处。

4.2 抗水损坏性能比较

6 d湿轮磨耗试验结果见图2。

图2 浸水6 d湿轮磨耗试验结果

在6 d的浸水后,随各种纤维掺量的提高,试样表现为抗水损坏性能均降低。纤维掺量为0.1%时,4种纤维微表处的抗水损坏性能均比未掺时高;掺量为0.2%时,聚酯纤维、玻璃纤维微表处的抗水损坏性能明显比未掺纤维微表处差,但添加玄武岩纤维、聚丙烯纤维的微表处抗水损坏性能相对未掺纤维微表处的性能有所提高;掺量为0.3%时,4种纤维微表处的抗水损坏性能均很差。纤维掺量为0.2%时,玄武岩纤维、聚丙烯纤维微表处的抗水损坏性能提升效果为未掺纤维微表处的7.1%、1.8%,其他两种抗水损坏性能劣于未掺纤维微表处的性能。

4.3 抗车辙性能比较

将拌和好的纤维微表处混合料均匀装入50 mm×300 mm×300 mm的车辙试模,常温下放置30 min,随后通过车辙成型机成型车辙板,再放入已达到60 ℃的烘箱中养生1 h,最后常温冷却16 h后开展试验。对5种纤维微表处进行车辙试验,见图3。

图3 车辙试验结果

由图3可知,纤维掺量为0.2%时,4种纤维的动稳定度最大。相对未掺纤维微表处,玄武岩纤维微表处抗车辙性能提升幅度为100%,聚丙烯纤维提升幅度为85.7%,玻璃纤维提升幅度为78.6%,聚酯纤维提升幅度为47.4%。玄武岩纤维提升幅度最大,聚丙烯纤维次之。

4.4 抗低温开裂性能比较

在3.3新成型的车辙板基础上,切割250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[7]进行试验。对5种纤维微表处进行低温开裂试验,试验结果见图4。

图4 低温弯曲试验结果

由图4可知,从最大弯拉应变方面讲,随纤维掺量的提高,微表处混合料的抗弯拉应变能力整体提升,聚酯纤维表现最为明显,聚丙烯纤维次之。从最大弯拉应变提升效果来讲,提升效果由大至小排序为聚丙烯、聚酯纤维、玄武岩纤维。

5 经济社会效益

采用玄武岩纤维或聚丙烯纤维改性微表处混合料后,可明显提高沥青路面的使用年限,在太佳西高速公路沥青路面设计周期15年内,至少可减少1次中修(铣刨重铺上面层),维修处治费用估算:1 000 m×22.5 m×150元/m2×1次=337.5万元,节约养护费用337.5万元/km,经济效益可观。另外,减少一次大面积铣刨重铺,可减少由于养护施工引起的交通拥堵问题,提升了行车舒适性及便捷性,社会效益显著。

6 结 论

(1)随纤维掺量的增加,4种纤维微表处1 h抵抗湿轮磨耗性能降低,6 d抵抗湿轮磨耗性能降低,动稳定度表现为先增加后降低,最大弯拉应变均表现为增加。当纤维掺量为0.2%时,聚酯纤维、玻璃纤维微表处混合料的抗磨耗性能、抗水损坏性能均比未掺纤维微表处的性能差,玄武岩纤维和聚丙烯纤维的抗磨耗性能和抗水损坏性能略比未掺纤维微表处性能高。

(2)以未掺纤维微表处为比较对象,纤维掺量为0.2%,1 h湿轮磨耗性能提升效果由大至小依次为玄武岩纤维(7.8%)、聚丙烯纤维(3.3%)、聚酯纤维(-17.9%)、玻璃纤维(-25%);抗水损坏性能提升效果由大至小排序为玄武岩纤维(7.1%)、聚丙烯纤维(1.8%)、聚酯纤维(-13.8%)、玻璃纤维(-21.4%);动稳定度提升效果排序由大至小依次为玄武岩纤维(121.4%)、聚丙烯纤维(107.1%)、玻璃纤维(96.4%)、聚酯纤维(47.4%);最大弯拉应变提升效果由大至小排序为聚丙烯纤维(39.1%)、玻璃纤维(34.8%)、聚酯纤维(34.3%)、玄武岩纤维(30.4%)。所以,微表处混合料中选择纤维时,首选玄武岩纤维,其微表处抗水损害方面可提升约7%,抗车辙方面可提升约120%,低温抗裂方面可提升约30%,其次为聚丙烯纤维,其微表处抗水损害方面可提升约2%,抗车辙方面可提升约107%,低温抗裂方面可提升约39%,其他2种纤维不选。

(3)纤维微表处中玄武岩纤维和聚丙烯纤维最优掺量为0.2%。