郎 森,陸海軍,蔡光華

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,湖北武漢 430023)

瀝青路面作為一種無接縫連續(xù)路面,具有良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能,具體表現(xiàn)為整體強度高、行車平穩(wěn)性好、低噪音、振動小、建設(shè)速度快、維修比較方便特點,被我國及世界各國廣泛采用,在道路建設(shè)中占有很大比例[1]。但目前瀝青路面普遍存在的技術(shù)和質(zhì)量問題主要是公路工程使用壽命低和路面早期損壞現(xiàn)象嚴(yán)重,瀝青道路的實際使用壽命普遍達(dá)不到設(shè)計的使用壽命,同時坑槽、開裂、車轍、泛油、抗滑性能不足等早期損壞現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅著交通安全,不得不進(jìn)行修復(fù),造成巨大的經(jīng)濟損失。新建高速公路瀝青路面產(chǎn)生早期損壞的原因,一方面是由于設(shè)計、施工方面的原因,材料性能差則是另一個重要因素。目前,對改善瀝青混凝土路面的使用性能的研究主要集中在兩個方面：一是改善礦質(zhì)混合料的級配和施工工藝來提高瀝青混合料的抗高溫抗變形能力,另一方面則是從改善材料方面入手,如改性瀝青等[2]。

近年來,由于一些纖維具有高強度、高延伸率、高取向性、易拌和等路用性能,被越來越多的用于瀝青路面中[3]。纖維增強瀝青路面以其性能好、施工技術(shù)簡單等特點已受到越來越多的關(guān)注。在瀝青混合料中加入纖維加筋材料,能夠改善其整體的物理力學(xué)性能。目前,在瀝青路面中常用的纖維材料主要有鋼纖維、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維、聚脂纖維和聚丙烯腈纖維等。鋼纖維具有高強度、耐高溫、高彎曲彈性和高取向性等路用性能,但也具有電解化學(xué)腐蝕,與瀝青混凝土的不相容,粘附性能差,握裹力低,成本高等缺點;聚脂纖維路用性能較好,其缺點是呈化學(xué)惰性、表面光滑,與其它聚合物難以粘合,而且造價較高,不宜推廣;玻璃纖維具有很高的初始長徑比,但具有較脆,易斷裂等缺點,因而長徑比會急劇降低,補強效果也就很差,再者其表面缺乏反應(yīng)性,因此很難達(dá)到與基質(zhì)的良好粘合;木質(zhì)素纖維具有化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定、吸油能力強、價格低廉等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于瀝青路面中。但目前大部分木質(zhì)素纖維的原材料為廢舊報紙或原木,容易造成高速公路周圍環(huán)境的鉛污染和對森林資源的過度需求,不能滿足節(jié)能減排要求。本文以農(nóng)作物秸稈為原料提取秸稈纖維,并與木質(zhì)素纖維和礦物纖維進(jìn)行路用性能試驗比較,研究秸稈纖維取代木質(zhì)素纖維作為瀝青路面添加材料的可行性。

1 試驗材料和方法

1.1 秸稈纖維提取

本實驗采用堿法蒸煮提取秸稈纖維,將農(nóng)作物秸稈除去葉、穗、節(jié)等雜質(zhì),截取秸稈長度為 3― 5 cm長,洗凈,晾干,放入包裝袋備用。用堿量 (工業(yè)純 NaOH)取 10%,最高蒸煮壓力 380― 530 kPa,蒸煮時間為 3― 4 h,蒸煮溫度 150― 160℃,高溫蒸煮鍋進(jìn)行蒸煮。蒸煮完畢后,過濾,洗去堿液,用烘箱烘干即得秸稈纖維。

1.2 試驗材料及混合料配合比設(shè)計

瀝青：試驗采用 AH-70瀝青,集料：粗集料 (玄武巖碎石),細(xì)集料 (石灰?guī)r石屑),填料使用磨細(xì)的石灰石粉。實驗中為了便于對比,纖維采用自己提取的秸稈纖維,國產(chǎn)木質(zhì)素纖維和礦物纖維。木質(zhì)素纖維是天然木材或者回收的廢報紙經(jīng)過化學(xué)處理得到的有機纖維,表面比較粗糙,易于吸持瀝青,化學(xué)性能比較穩(wěn)定。礦物纖維是以玄武巖等礦石為原料生產(chǎn),是一種無機非金屬材料,具有較高的強度與彈性模量,化學(xué)性能穩(wěn)定,不吸水不易受潮,抗氧化能力強,工作溫度為 -260― 700℃,具有較好的分散性,易于在瀝青混合料中均勻分散。纖維摻量 Pf以礦料質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計。試驗中,秸稈纖維、木質(zhì)素纖維和礦物纖維摻量均分別取 0.25%,0.30%,0.35%,0.40%,0.45%。由初步試驗確定的 SMA(Stone Marix Asphalt,瀝青瑪蹄脂碎石混合料)-13設(shè)計目標(biāo)級配見表1。

表1 SMA-13級配設(shè)計

試驗采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ 052― 2000)規(guī)定的方法,分別進(jìn)行 SMA的析漏損失△m,飛散損失△S,浸水殘留穩(wěn)定度MS0,凍融劈裂抗拉強度比 TSR以及動穩(wěn)定度DS試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 析漏損失

謝倫堡瀝青析漏試驗是為了檢驗瀝青混合料中自由瀝青或瀝青瑪蹄脂是否過量而進(jìn)行的試驗,由此確定最大瀝青用量。SMA盡管需要較多的瀝青,但不能超過所有礦料的表面積所能吸附的最大瀝青用量,否則就要產(chǎn)生多余的自由瀝青,成為集料之間的潤滑劑,造成瑪蹄脂上浮,影響構(gòu)造深度,降低高溫性能。不同纖維析漏損失結(jié)果見圖1;不同纖維SMA路用性能試驗結(jié)果見表2。

圖1 不同纖維析漏損失結(jié)果對比

表2 不同纖維 SMA路用性能試驗結(jié)果

由圖1和表2結(jié)果可知,秸稈纖維,木質(zhì)素纖維和礦物纖維 SMA隨著纖維摻量的不斷增加,其析漏損失△m均呈現(xiàn)不斷降低,是由于添加纖維后,纖維能夠吸附混合料中的瀝青,有利于形成較厚的瀝青膜而不致使瀝青滴落。在油石比相同的情況下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失△m遠(yuǎn)低于礦物纖維,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失△m卻相差不大,說明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的吸油能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于礦物纖維,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維吸油能力接近。這主要是因為礦物纖維表面直而光,具有較小的比表面積,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維表面比較粗糙,易于吸持瀝青。而且,從掃描電鏡下還可見秸稈纖維具有中空管狀結(jié)構(gòu),其比表面積是礦物纖維的 20倍,可吸附瀝青的表面較礦物纖維大得多,因而,比礦物纖維具有更好的吸持和穩(wěn)定瀝青的能力。圖2是提取的秸稈纖維掃面電鏡圖片,由圖中可以看到秸稈纖維表面比較粗糙,有許多類似顆粒狀物質(zhì)。

圖2 秸稈纖維電鏡掃描圖片

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青路面水損壞是指瀝青路面在水存在的條件下,經(jīng)受交通荷載和溫度變化的反復(fù)作用,水分逐步侵入到瀝青和集料界面上,同時在動水壓力作用下瀝青膜逐漸從集料表面剝落,導(dǎo)致瀝青與集料之間粘結(jié)力喪失而發(fā)生瀝青路面損壞[4]。在潮濕多雨地區(qū),水損壞是瀝青路面損壞主要形式之一。有文獻(xiàn)指出[5],瀝青改性與否對 SMA水穩(wěn)性的影響不大,但不同纖維品種會有所不同。不同纖維浸水殘留穩(wěn)定度MS0結(jié)果見圖3。

圖3 不同纖維浸水殘留穩(wěn)定度MS0對比

浸水馬歇爾試驗結(jié)果表明,三種纖維均具有較高的殘留馬歇爾穩(wěn)定度,均能滿足規(guī)范要求,總體上礦物纖維 SMA要略高于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維浸水殘留穩(wěn)定度MSo隨著纖維摻量的增加并沒有明顯變化,但兩者之間差別不大。不同纖維劈裂抗拉強度比 TSR結(jié)果見圖4。

圖4 不同纖維劈裂抗拉強度比 TSR對比

凍融劈裂強度比試驗結(jié)果表明,三種纖維瀝青混合料的劈裂強度比 (TSR)均能滿足規(guī)范要求,與浸水馬歇爾試驗相比其值略有降低,這是由于凍融劈裂試驗經(jīng)過凍融循環(huán),其試驗條件要比浸水試驗更為苛刻[6]。同時也說明凍融劈裂試驗更適合評價瀝青混合料抗水損害性能。而三種纖維中,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的劈裂強度比 TSR要略低于礦物纖維,說明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維混合料的抗水損壞能力不如礦物纖維瀝青混合料,但是相差不大。

綜合浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的耐水損害能力要略低于礦物纖維,但是比較接近均能滿足規(guī)范要求。

2.3 抗車轍性能

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性習(xí)慣上是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。車轍試驗是模擬車輪在路面上行駛而形成車轍的工程試驗方法,其試驗結(jié)果與實際路面有良好相關(guān)性,是評價瀝青混合料高溫抗變形能力的一種重要試驗方法。高溫穩(wěn)定性一般用瀝青混合料的動穩(wěn)定度 DS表征。不同纖維動穩(wěn)定度 DS結(jié)果見圖5。

圖5 不同纖維動穩(wěn)定度DS對比

由圖5結(jié)果可知,摻秸稈纖維和木質(zhì)素纖維SMA的DS高于摻礦物纖維 SMA。說明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維要比礦物纖維具有更好的抗車轍性能。這可能是由于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維對瀝青的吸附、穩(wěn)定、增粘效果優(yōu)于礦物纖維[7],這也與析漏試驗結(jié)果一致。

隨著秸稈纖維和木質(zhì)素纖維摻量的增加,SMA的動穩(wěn)定度 DS逐漸增大,高溫穩(wěn)定性逐漸增強。秸稈纖維和木質(zhì)素纖維之所以能夠改善瀝青混合料的高溫性能,是由于纖維對瀝青的吸收和吸附作用,特別是瀝青中較輕的油分被纖維吸附后,瀝青的軟化點提高,粘稠度和粘聚力增大,導(dǎo)致瀝青膠漿勁度增加,極大地提高了混合料的動穩(wěn)定度,改善了混合料的高溫穩(wěn)定性,進(jìn)而顯著提高 SMA抵抗變形的能力。

在相同的油石比和相同的纖維摻量下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的動穩(wěn)定 DS高于礦物纖維,說明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的耐高溫能力優(yōu)于礦物纖維 SMA。摻 0.40%礦物纖維 SMA其 DS要高于摻 0.25%,0.30%和 0.35%礦物纖維 SMA,但是摻 0.45%礦物纖維 SMA其 DS卻低于摻 0.40%礦物纖維 SMA,這說明隨著礦物纖維摻量的增加,SMA的DS表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律,即存在一峰值。

3 結(jié)論

3.1 在油石比相同的情況下,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維 SMA的析漏損失遠(yuǎn)低于礦物纖維 SMA,而秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的析漏損失相差不大,說明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維吸持和穩(wěn)定瀝青的能力優(yōu)于礦物纖維。

3.2 在耐水損害能力方面,礦物纖維要略優(yōu)于秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的耐水損害能力。

3.3 秸稈纖維和木質(zhì)素纖維的動穩(wěn)定度相差不大,均高于礦物纖維,表明秸稈纖維和木質(zhì)素纖維對瀝青的吸附、穩(wěn)定、增粘效果優(yōu)于礦物纖維。

3.4 在抗析漏損失、耐水損害能力和抗高溫變形能力方面,秸稈纖維和木質(zhì)素纖維各項指標(biāo)均差別不大,同時秸稈纖維在成本和環(huán)保方面要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于木質(zhì)素纖維,說明秸稈纖維完全可以取代木質(zhì)素纖維作為瀝青路面添加材料。

[1] 陳華鑫,李寧利,胡長順,等.纖維瀝青混合料路用性能[J].長安大學(xué)學(xué)報,2004,24(2)：l-6.

[2] 孫家瑛,任傳軍,戴亞英.纖維對瀝青混合料路用性能影響研究[J].中外公路,2004(26)：175-177.

[3] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社,2001.

[4] 沈金安,李福普.SMA路面設(shè)計與鋪筑 [M].北京：人民交通出版社,2003.

[5] 張遠(yuǎn)航,吳國雄,孟巧娟.纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 ),2008(2)：244-247.

[6] 姜艦,潘洪祥,王兵.纖維加筋瀝青混凝土抗裂性能研究[J].中外公路,2004,24(5)：111-113.

[7] 彭波,李文瑛,戴經(jīng)梁.纖維在瀝青混合料中應(yīng)用的研究[J].中南公路工程,2003,28(2)：44-46.