玄武岩纤维对高模量改性沥青混合料性能影响

罗 涌

(福州高新区投资控股有限公司,福建 福州 350000)

高模量超薄改性沥青混合料常被用于沥青超薄磨耗层中,由于其改性沥青的高黏度使高模量沥青混合料的刚度较大,路面不易产生塑性变形,提升沥青路面的平整度与行车舒适性,降低了沥青路面的养护和维修成本[1]。但是随着我国经济发展,公路交通车流量、车辆轴重进一步的增加。以及随着全球变暖,极端气候事件频发,给公路交通事业发展造成了阻碍。高模量超薄改性沥青混合料因为刚性较高,在温度变化大、重载车轮的反复碾压之下容易产生裂缝,裂缝在雨季中又进一步的发展成水损害。

国内外学者们通过研究发现,纤维能够连接沥青混合料中骨架之间的空隙,纤维与沥青混合料胶结形成的拉力,能够分担部分车轮荷载。同时纤维能够增加沥青与矿料之间的黏附性,从而提升沥青路面的水稳定性。郝孟辉等[2]发现短切玄武岩能够显著提升AC-13C基质沥青混合料的动稳定度、-10 ℃弯曲破坏应变、抗疲劳性能。徐刚等[3]发现0.2%掺量的矿物棉纤维对AC-16C沥青混合料的抗裂性和抗形变能有着较大幅度提升。刘向杰[4]发现0.3%掺量玄武岩纤维能够很好地提升沥青的稠度与沥青胶浆的抗剪强度。李祖仲等[5]使用碱、硅改性的蔗渣纤维掺入基质沥青混合料,发现其动稳定度和残留稳定度分别提升了15.0%,7.5%。为了探究纤维对高模量改性沥青混合料是否也具有积极作用,同时确定其最优掺量,以Sulp-10高模量改性沥青混合料为基础,加入不同掺量的短切玄武岩纤维,通过一系列路用性能试验评价改性效果。

1 沥青混合料配合比设计

1.1 原材料性能

1.1.1 沥青

试验采用上海缤德新材料科技有限公司生产的DTO高延性改性沥青,主要技术指标如表1所示。

表1 DTO高延性改性沥青的技术指标

1.1.2 集料

试验采用闽清厂辉绿岩,其主要技术指标如表2所示。

表2 细、粗集料技术指标

1.1.3 纤维

将玄武岩作为主要原料,经过高温融化后拉丝并喷洒亲油剂浸润,最后聚拢缠绕短切成条状纤维。其具有亲油性好、不易拉断、化学性质稳定等优点,主要技术指标如表3所示。

表3 玄武岩纤维技术指标

1.1.4 矿粉

矿粉由岩浆岩中强基性憎水性石料磨细制成,其主要技术指标如表4所示。

表4 矿粉技术指标

1.2 合成级配确定

集料混合料级配采用Sulp-10型,各材料比例情况见表5,集料混合料通过筛孔百分率见表6。

表5 各材料比例情况

表6 集料混合料通过筛孔百分率

1.3 最佳油石比确定

根据初试油石质量比(下同)5.8,上下各调整两个0.5%,双面各击实75次成型标准马歇尔试件,根据表7中所示的马歇尔体积参数指标确定最佳油石比。

表7 沥青混合料马歇尔试验结果

经综合比较,选用油石比为5.8%。

2 不同短切玄武岩纤维掺量下高模量改性沥青混合料的路用性能

选取沥青混合料质量的0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%短切玄武岩掺入高模量改性沥青混合料参照未掺纤维对照,通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验等来评价短切玄武岩纤维不同掺量下高模量改性沥青混合料的路用性能。

2.1 高温稳定性能评价

通过车辙试验来评价短切玄武岩纤维对高模量改性沥青混合料的高温稳定性的影响。不同短切玄武岩纤维掺量的高模量改性沥青混合料车辙试验结果见图1。

可以看出当短切玄武岩纤维掺量为0.3%时,动稳定度达到峰值,比未掺纤维的对照组提升了58.1%。这是因为当沥青混合料中纤维的含量较少时,纤维能够很好地被分散在沥青混合料的骨料间隙之中,提升沥青与矿料的黏附性能。同时纤维可以增强沥青混合料的韧性,使其在高温和反复轮压环境下不容易出现大量塑性变形。当短切玄武岩纤维掺量超过0.3%时,动稳定度迅速下降。这可能是因为,当纤维掺量超过临界点时,纤维无法很好地被分散在沥青胶结料之中,而成团的纤维不仅会影响粗细集料原本的组成级配,还会使沥青混合料变得硬脆,容易从成团的纤维处开裂,降低高温稳定性。

2.2 低温抗裂性能评价

采用低温小梁弯曲试验来评价短切玄武岩纤维对高模量改性沥青混合料的低温抗裂性的影响。不同短切玄武岩纤维掺量的高模量改性沥青混合料车辙试验结果如图2所示。

从图2中可以看出当短切玄武岩纤维掺量为0.3%时,-10 ℃破坏弯拉应变达到峰值,比未掺纤维的对照组提升了29.4%。这是因为高模量改性沥青混合料,由于其刚度高在低温环境下容易变得硬、脆,受荷易发生脆性断裂。同时在低温环境下,混合料内部会受到冻胀影响,削弱了沥青与粗集料的黏结力,易产生不均匀裂缝。而随着纤维的加入,在高模量改性沥青磨耗层裂缝未发生时,可以通过连接骨料之间的空隙使其变得更有韧性,从而延缓裂缝的产生。在裂缝发生后,纤维也具有分散车轮荷载以及冻胀应力的能力,阻止裂缝的进一步扩张。但是当纤维的掺量超过临界点,过于过多的纤维堆积,加大了沥青混合料之间的空隙率,降低了低温抗裂性。其次过多的纤维,就无法起到分散内部和外在应力的作用,反而在车轮碾压之下会生产脆性断裂。最后,过多的纤维会使本身已经经过了高模量改性的沥青过稠,限制了其流动,降低了高模量改性沥青磨耗层在低温下的延伸能力。

2.3 水稳定性评价

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价短切玄武岩纤维对高模量改性沥青混合料低温抗裂性的影响。

2.3.1 浸水马歇尔试验

不同短切玄武岩纤维掺量的高模量改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果如图3所示。

从图3中可以看出当短切玄武岩纤维掺量为0.3%时,残留稳定度达到峰值,比未掺纤维的对照组提升了6.4%。未掺纤维的高模量改性沥青磨耗层,其高模量改性沥青虽具有较强的黏聚性,但是在多雨季节可能会由于水分无法很快的排出,水在沥青混合料中滞留,消弱沥青的黏结能力,使矿料脱落最终造成水损害。而随着纤维的加入可以一定程度上提升高模量改性沥青混合料的饱和度,并降低其空隙率,在很大程度上阻止了水的入侵。其次,纤维也具有一定的吸水能力,吸收混合料内部的水分,避免其因水膨胀产生裂缝。最后,玄武岩纤维有着优良的物理化学性质,在水分入侵时也能保持原有的强度和稳定性。同样,在纤维掺加过多时,高模量改性沥青混合料的水稳定性会下降,如图3所示,当短切玄武岩纤维掺量为0.5%时,其水稳定性断崖式下跌至与未掺纤维的高模量改性沥青混合料接近。这可能是因为过多的纤维因无法被分散,胶结成团。成团的纤维吸收了过多的水分,导致其在压力下失稳,使水稳定性降低。其次,过多的纤维影响了粗细集料的分布,使其失去了原本密级配嵌挤下所形成的结构稳定性。

2.3.2 冻融劈裂试验

不同短切玄武岩纤维掺量的高模量改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果如图4所示。

从图4中可以看出当短切玄武岩纤维掺量为0.3%时,冻融劈裂残留强度比达到峰值,比未掺纤维的对照组提升了10.2%。未掺纤维的高模量改性沥青混合料在被水分侵蚀之下,随着气候变化造成的冻融循环,沥青混合料内部应力反复累加,最后导致水损害。而纤维的掺入可以增加沥青混合料的黏结面积,从而使高模量改性沥青混合料提升抵抗冻融循环的能力。同样过多的纤维会结团,产生应力集中等危害,使高模量改性沥青混合料的水稳定性下降。

3 试验段

为了进一步检测在玄武岩纤维最优掺量下高模量改性沥青磨耗层的路用性能,在福建省南平市铺装了长600 m的试验段(以下提及的规范为JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范)。

3.1 压实度检测

在试验段现场随机取三个芯样,并检测其密度,根据理论最大相对密度(计算法)换算压实度,数据见表8。

表8 压实度检测

已知试验段的压实度规范值为不小于92%,由表7所示三个芯样的压实度均满足要求。证明了玄武岩纤维高模量改性沥青磨耗层级配设计合理,且施工工艺合规。

3.2 渗水系数检测

在试验段铺筑并试运行一年后,随机抽取6个点,测其渗水系数,数据如表9所示。

表9 渗水系数检测

由表8所示,该试验段6个点位的渗水系数均远低于普通密级配沥青混合料的规范值300 mL/min。说明短切玄武岩纤维的加入,通过连接骨料之间的孔隙,降低了沥青混合料的孔隙之间的连通性,使骨料之间被胶结得更加紧密,阻止了水的浸入。

3.3 平整度检测

在试验段铺筑并试运行一年后,使用八轮仪对试验段的平整度进行检测,随机抽取6条车道检测平整度。平整度由标准差表示,数据如表10所示。

表10 平整度检测

由表9所示,该试验段6个车道的平整度均远小于规范值1.2 mm,证明了纤维在沥青混合料中起到加筋作用,分散了车轮荷载带来的应力,减轻了沥青路面的不均匀沉降、车辙等病害,提高了行车舒适性。

3.4 摩擦系数检测

在试验段铺筑并试运行一年后,使用摆式摩擦仪对试验段的抗滑指标进行检测,同样抽取6个点,抗滑指标由摩擦系数BPN表示,数据如表11所示。

表11 抗滑指标检测

由表10所示,该试验段6个点位的均大于设计值50BPN,证明了纤维掺加增强了骨料之间的抗滑移能力,使表面骨料不易受荷脱落。同时纤维的掺入提升了骨料之间的内摩擦角,增加了车轮与沥青混合料之间的接触面积,增强了抗滑性能。

3.5 试验段性能总结

试验段的铺装证明了该沥青混合料的配合比设计合理可行,同时也证明了纤维对提升沥青路面的水稳定性、平整度、抗滑性能均有着积极的作用。

4 结论

1)根据车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验,得出短切玄武岩纤维的最佳掺量为0.3%,在该掺量下,高模量改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均有显著提升,其中动稳定度提升了58.1%,-10 ℃破坏弯拉应变提升了29.4%,残留稳定度提升了6.4%,冻融劈裂强度比提升了10.2%。

2)当玄武岩纤维的掺量超过最佳掺量,因纤维无法很好地被分散,造成应力集中等危害、导致高模量改性沥青混合料的各项性能均有所下降。

3)通过对已通车一年的试验段进行检测,发现其水稳定性、平整度、抗滑性能均良好,证明了该沥青混合料的配合比设计合理,高模量改性沥青磨耗层中纤维的掺入对行车舒适性、各项路用性能的提升均有着积极作用。