陳洪濤

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 長(zhǎng)沙市 410200)

在瀝青中外摻纖維等增強(qiáng)材料，應(yīng)用最為廣泛的有木質(zhì)素、聚丙烯以及玄武巖等外摻纖維，選取合適的作為增強(qiáng)手段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以最常用的木質(zhì)素纖維、聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料，研究在各種材料、各種摻量條件下的增強(qiáng)透水瀝青混合料的路用性能。研究成果將為類(lèi)似排水瀝青路面工程提供重要的參考。

1 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)木質(zhì)素和聚丙烯兩種不同材質(zhì)纖維材料，設(shè)計(jì)了0.2%～0.6%五種不同摻量的瀝青混合料試件?；谖雎┰囼?yàn)、飛散試驗(yàn)確定瀝青混合料的最佳油石比。

基于系列室內(nèi)外試驗(yàn)，研究?jī)煞N纖維增強(qiáng)材料不同摻量條件下的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐水性、抗疲勞性能、排水性能。最后對(duì)比分析兩種纖維增強(qiáng)材料的經(jīng)濟(jì)適用性，以提出最優(yōu)路用和經(jīng)濟(jì)性能所對(duì)應(yīng)的最佳纖維摻量。

1.2 試驗(yàn)材料

(1)木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維作為天然木材經(jīng)一系列處理后的有機(jī)纖維產(chǎn)品，纖維呈現(xiàn)白色、灰白色絮狀外觀。該類(lèi)型纖維對(duì)混合料的保水性、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、表面附著力等性能具有明顯的提升效果。如圖1所示。

圖1 木質(zhì)素纖維

(2)聚丙烯纖維

聚丙烯纖維作為人工合成纖維，該材料熔點(diǎn)較高，浸濕后強(qiáng)度不受影響，同時(shí)質(zhì)量較低，價(jià)格低廉，易于加工，同時(shí)在堿性環(huán)境下的穩(wěn)定性極佳。選用長(zhǎng)度19mm的纖維作為試驗(yàn)材料，如圖2所示。

圖2 聚丙烯纖維

(3)高黏瀝青

試驗(yàn)采用的成品高黏瀝青，其性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

(4)集料和填料

作為瀝青混合料的受力骨架，試驗(yàn)集料、填料的選取尤為重要。試驗(yàn)采用玄武巖集料，填料采用石灰石礦粉，集料和填料的各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求。集料表面無(wú)污物，無(wú)風(fēng)化所致細(xì)小顆粒，外形規(guī)整，集料針片狀顆粒含量低。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

基于PAC-13級(jí)配進(jìn)行混合料的配合比設(shè)計(jì)，影響PAC-13級(jí)配的關(guān)鍵因素為2.36mm過(guò)篩率，其值應(yīng)控制在14.5%上下。

基于確定后的集料級(jí)配，再綜合現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)及初始瀝青用量的計(jì)算公式，選取4.0%～6.0%間的五個(gè)油石比值。

按相關(guān)油石比制作PAC-13混合料馬歇爾試件，并進(jìn)行析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)，基于析漏、飛散損失與油石比關(guān)系曲線，分析確定兩種纖維增強(qiáng)混合料在不同摻量條件下的最佳油石比，如表1所示。

表1 PAC-13混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可知，隨著纖維摻量的增加，木質(zhì)素纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)混合料的最佳油石比均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他參數(shù)指標(biāo)的變化均較小。

2 透水瀝青混合料路用性能對(duì)比研究

2.1 滲水性能對(duì)比研究

作為排水瀝青路面，其重要的參數(shù)指標(biāo)即瀝青混合料的滲水(排水)性能。為研究不同纖維增強(qiáng)瀝青路面的排水性能，基于依托工程修建試驗(yàn)段進(jìn)行滲水性能試驗(yàn)。

分別選取木質(zhì)素纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)瀝青混合料路面試驗(yàn)段，將滲水系數(shù)測(cè)定裝置放置于路面，并在裝置底部四周用黏性土進(jìn)行封閉，保證試驗(yàn)水在瀝青路面中的滲透路徑。試驗(yàn)水量采用600ml，記錄滲水系數(shù)測(cè)定裝置中水面從600ml降至0ml的所需時(shí)間，將試驗(yàn)水量與所需時(shí)間之比作為滲水系數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)在同一位置附近進(jìn)行三次后取平均值。滲水性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 滲水系數(shù)測(cè)定結(jié)果(ml/min)

表2中數(shù)據(jù)表明，兩種纖維增強(qiáng)的PAC-13混合料路面的滲水系數(shù)均較高，達(dá)到了排水瀝青路面相關(guān)滲水要求，相對(duì)而言，外摻木質(zhì)素纖維的瀝青混合料排水路面滲水性能更優(yōu)。

2.2 高溫穩(wěn)定性對(duì)比研究

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求，透水瀝青混合料(PAC)的高溫穩(wěn)定性通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)溫度60℃，試件尺寸采用300mm×300mm×50mm，模擬車(chē)輪荷載對(duì)試件進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)，再基于車(chē)轍推導(dǎo)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。兩種纖維增強(qiáng)瀝青混合料在不同摻量條件下的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)設(shè)置不摻纖維瀝青混合料試件對(duì)比試驗(yàn)，動(dòng)穩(wěn)定度為6461次/mm。對(duì)比圖3中數(shù)據(jù)表明，兩種纖維增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性均有不同程度的提高，且隨纖維摻量的加大而上升，低摻量時(shí)聚丙烯纖維瀝青混合料略高于木質(zhì)素纖維瀝青混合料，高摻量時(shí)木質(zhì)素纖維瀝青混合料更優(yōu)。

2.3 低溫抗裂性對(duì)比研究

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求，瀝青混合料的低溫抗裂性通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)溫度為-10℃，在小梁跨中作用集中力，并以50mm/min的加載速度嚴(yán)格控制，實(shí)時(shí)采集力、撓度數(shù)據(jù)，繪成加載曲線，直至小梁破壞。兩種纖維增強(qiáng)瀝青混合料在不同摻量條件下的彎拉破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 彎拉破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

同時(shí)設(shè)置不摻纖維瀝青混合料試件對(duì)比試驗(yàn)，彎拉破壞應(yīng)變?yōu)?758με。對(duì)比圖4中數(shù)據(jù)表明，兩種纖維增強(qiáng)瀝青混合料的低溫抗裂性均有所提高，且隨纖維摻量的加大而上升，均高于規(guī)范要求值2500με。聚丙烯纖維瀝青混合料與木質(zhì)素纖維瀝青混合料的低溫抗裂上升幅度相當(dāng)，基本呈線性上升趨勢(shì)。

2.4 水穩(wěn)定性對(duì)比研究

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求，瀝青混合料的水穩(wěn)定性通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。兩種纖維增強(qiáng)瀝青混合料在不同摻量條件下的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)設(shè)置不摻纖維瀝青混合料試件對(duì)比試驗(yàn)，浸水殘留穩(wěn)定度為88.2%。對(duì)比圖5中數(shù)據(jù)表明，聚丙烯纖維增強(qiáng)瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度略有提高，而木質(zhì)素纖維增強(qiáng)瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度整體略有下降，并與纖維摻量變化無(wú)明顯規(guī)律。

圖6 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)置不摻纖維瀝青混合料試件對(duì)比試驗(yàn)，凍融劈裂強(qiáng)度比為86.5%。對(duì)比圖6中數(shù)據(jù)表明，聚丙烯纖維增強(qiáng)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度呈先升后降的規(guī)律，在摻量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值87.7%。而木質(zhì)素纖維增強(qiáng)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度均有所下降，隨纖維摻量變化亦呈先升后降的趨勢(shì)，在摻量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值86.5%。對(duì)比兩種纖維增強(qiáng)混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比，聚丙烯纖維優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

2.5 抗疲勞性能對(duì)比研究

排水瀝青路面抗疲勞特性直接決定著其耐久性，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程要求，瀝青混合料的抗疲勞性通過(guò)小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)溫度15℃，加載頻率10Hz。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

對(duì)比圖7、圖8中的數(shù)據(jù)表明，兩種纖維增強(qiáng)混合料的疲勞壽命均與纖維含量呈正相關(guān)。在相同摻量時(shí)，聚丙烯纖維增強(qiáng)混合料疲勞壽命明顯高于木質(zhì)素纖維增強(qiáng)混合料，而后者的疲勞壽命提高的幅度較小。

2.6 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究

圖7 木質(zhì)素纖維增強(qiáng)混合料疲勞壽命

圖8 聚丙烯纖維增強(qiáng)混合料疲勞壽命

作為道路工程項(xiàng)目的總體效益的重要組成部分，經(jīng)濟(jì)性往往決定著方案是否可行。以某25m寬瀝青路面的城市道路為例，上層排水瀝青路面厚度4cm，每公里透水瀝青混合料用量為1000m3。如聚丙烯纖維和木質(zhì)素纖維均以0.4%的摻量計(jì)算，則每公里路面的纖維材料費(fèi)用如表3所示。

由于聚丙烯纖維材料單價(jià)高于木質(zhì)素纖維，其建設(shè)期成本每公里高4.8萬(wàn)元，木質(zhì)素纖維具有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。而聚丙烯纖維在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，將在運(yùn)營(yíng)期降低養(yǎng)護(hù)成本。因此，建設(shè)單位應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)條件及全壽命成本后進(jìn)行決策。

表3 排水瀝青路面纖維材料費(fèi)用計(jì)算

3 結(jié)論

以木質(zhì)素纖維和聚丙烯纖維兩種外摻增強(qiáng)纖維透水瀝青混合料(PAC-13)為研究對(duì)象，對(duì)比研究

排水瀝青的路用性能。結(jié)果表明：

(1)兩種纖維增強(qiáng)的PAC-13混合料路面的滲水系數(shù)均較高，達(dá)到了排水瀝青路面相關(guān)滲水要求，相對(duì)而言，外摻木質(zhì)素纖維的排水路面滲水性能更優(yōu)。

(2)聚丙烯纖維瀝青混合料與木質(zhì)素纖維瀝青混合料的低溫抗裂提高幅度相當(dāng)，基本呈線性上升趨勢(shì)。

(3)聚丙烯纖維增強(qiáng)瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度均優(yōu)于木質(zhì)素纖維增強(qiáng)瀝青混合料，前者水穩(wěn)定性更優(yōu)。

(4)混合料的疲勞壽命均與纖維含量呈正相關(guān)。在相同摻量時(shí)，聚丙烯纖維增強(qiáng)混合料的疲勞壽命明顯高于木質(zhì)素纖維增強(qiáng)混合料。

(5)木質(zhì)素纖維在建設(shè)期具有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，鑒于聚丙烯纖維混合料整體性能較優(yōu)越，決策時(shí)仍需綜合考慮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)條件以及全壽命成本。