劉吉昌

(中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司 山東日照 276826)

1 引言

隨著我國(guó)道路交通量快速增長(zhǎng)，瀝青路面在使用過(guò)程中出現(xiàn)的病害問(wèn)題越來(lái)越多，因此提高瀝青路面的使用性能，使之適應(yīng)道路交通的需求，是道路工程專業(yè)領(lǐng)域一個(gè)關(guān)鍵性的持續(xù)研究課題。目前常用的性能改良方法是在瀝青混合料加入添加劑[1-2]，而其中纖維是一種應(yīng)用效果較好的添加劑[3-4]。將地毯制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄纖維用做瀝青混合料添加劑是一種具有環(huán)保價(jià)值的嘗試，這類廢棄纖維的主要化學(xué)成分是聚丙烯腈。

對(duì)于纖維瀝青混合料的性能研究成果較多[5-7]，如馬峰[8]等對(duì)4種纖維瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明添加纖維可以提高整體性能，最佳纖維摻量可由應(yīng)變能來(lái)確定。周剛[9]等研究了在不同纖維摻量下，聚酯纖維溫拌瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度，研究結(jié)果表明聚酯纖維可以使溫拌再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性滿足規(guī)范要求，同時(shí)可以提高溫拌瀝青混合料的最佳壓實(shí)溫度。程永春[10]等根據(jù)凍融循環(huán)下的纖維瀝青混合料劈裂強(qiáng)度和勁度模量試驗(yàn)結(jié)果，分析了玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料抗凍融性能的增強(qiáng)機(jī)理，研究結(jié)果表明摻加玄武巖纖維可以明顯提高瀝青混合料對(duì)凍融損傷的抵抗能力。

目前，同時(shí)采用馬歇爾試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)以及抗疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)研究纖維摻量對(duì)瀝青混合料性能指標(biāo)影響機(jī)理的相關(guān)文獻(xiàn)極少，尤其是尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)廢棄纖維改善瀝青混合料使用性能的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本文通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)以及抗疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)對(duì)廢棄纖維瀝青混合料的工程性質(zhì)進(jìn)行研究，研究成果可為廢棄纖維的循環(huán)利用以及纖維瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)提供理論支持。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)材料

本研究采用殼牌70#重交基質(zhì)瀝青，粗、細(xì)集料分別為輝綠巖碎石和花崗巖中砂，該瀝青粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)以及《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)的要求。采用的廢棄纖維為地毯制造過(guò)程中產(chǎn)生的聚丙烯腈纖維，該纖維的主要物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)中選用的纖維長(zhǎng)度為12.5 mm和20 mm。

表1 廢棄纖維物理力學(xué)性質(zhì)

采用的級(jí)配為《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)中的AK-13Ⅰ型瀝青混凝土級(jí)配中值。

(2)混合料攪拌

先將粗集料與細(xì)集料混合攪拌均勻，并將瀝青混合料拌和機(jī)的拌和溫度設(shè)置為165℃；然后加入瀝青拌和90 s，使瀝青能均勻地附著在粗、細(xì)集料表面；加入廢棄纖維，并加入礦粉使之覆蓋在廢棄纖維上方，繼續(xù)拌和90 s。

(3)試件制備與試驗(yàn)

瀝青混合料的馬歇爾試件成型方法為:將拌和均勻的混合料放入模具中，采用馬歇爾擊實(shí)法進(jìn)行擊實(shí)。擊實(shí)時(shí)使瀝青混合料的溫度維持在155℃，擊實(shí)次數(shù)為雙面各75次。

馬歇爾試驗(yàn)前，將試驗(yàn)樣品在60℃的水浴中浸泡約35 min，然后將試驗(yàn)樣品從水浴中取出并靜置在馬歇爾加載臺(tái)上。加載時(shí)，以每分鐘50.8 mm的恒定速率使試樣變形。樣品所能承受的最大載荷定義為馬歇爾穩(wěn)定性，樣品在最大荷載下的變形量定義為流值，然后根據(jù)樣本的高度調(diào)整穩(wěn)定性值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

(1)馬歇爾穩(wěn)定度

由圖1可以看出，廢棄纖維含量較少時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度的值隨纖維含量的增加而增大；但當(dāng)廢棄纖維含量達(dá)到某一個(gè)定值后，馬歇爾穩(wěn)定度的值隨纖維含量的增加而減小。廢棄纖維含量使馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)原因在于當(dāng)纖維含量太大時(shí)，試件中粗、細(xì)集料顆粒之間的接觸點(diǎn)減少導(dǎo)致摩阻力難以發(fā)揮，進(jìn)而使馬歇爾穩(wěn)定度下降。因此可以認(rèn)為存在一個(gè)使瀝青混合料穩(wěn)定度值最大的最優(yōu)廢棄纖維含量。

對(duì)比圖1中12.5 mm和20 mm長(zhǎng)度纖維的穩(wěn)定度曲線發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度對(duì)混合物穩(wěn)定性的影響不大。

圖1 纖維含量與瀝青混合料穩(wěn)定性關(guān)系曲線

(2)流值

從圖2可以看出，當(dāng)廢棄纖維含量小于0.3%時(shí)，瀝青混合料試件的流值隨著纖維含量增加而明顯減??；當(dāng)廢棄纖維含量大于0.3%時(shí)，瀝青混合料試件的流值隨著纖維含量的增加而逐漸呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。導(dǎo)致這一規(guī)律的原因在于過(guò)大的纖維含量使試件中粗、細(xì)集料顆粒之間的接觸面減小，粗、細(xì)集料顆粒之間的相對(duì)位移增大，進(jìn)而使馬歇爾流值增加。

對(duì)比圖2中12.5 mm和20 mm長(zhǎng)度纖維的流值曲線發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度對(duì)混合物流值的影響比其對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度的影響明顯。

圖2 纖維含量與瀝青混合料流值關(guān)系曲線

(3)空隙率

圖3為纖維含量對(duì)瀝青混合料空隙率的影響規(guī)律。由圖3可知，瀝青混合料的空隙率隨著廢棄纖維含量和長(zhǎng)度的增加而增加。導(dǎo)致這一規(guī)律的原因在于廢棄纖維會(huì)吸收混合料中的粘結(jié)劑，導(dǎo)致集料間的空隙無(wú)法被粘結(jié)劑填滿；同時(shí)纖維含量的增加導(dǎo)致混合料可壓縮性減弱，也導(dǎo)致瀝青混合料的空隙值變大。

圖3 纖維含量與瀝青混合料空隙率關(guān)系曲線

(4)回彈模量

通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)測(cè)量瀝青混合料的回彈模量，沿著垂直試樣直徑的方向施加循環(huán)半正弦載荷(每循環(huán)荷載持續(xù)時(shí)間125 ms，間歇時(shí)間1 250 ms)，并測(cè)量試樣在荷載作用下沿試樣直徑方向的水平變形值。當(dāng)瀝青混合料在加載過(guò)程中的變形值在線性粘彈性范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)均質(zhì)各向同性材料平面應(yīng)力彈性理論，回彈模量的計(jì)算公式為:

式中，Mr為瀝青混合料的回彈模量；P為峰值力(抗拉強(qiáng)度的15%)；γ為泊松比(設(shè)為0.35)；t為試樣厚度；Δd為沿直徑方向的水平變形。

圖4為廢棄纖維含量與瀝青混合料回彈模量的相互關(guān)系。由圖4可知，當(dāng)纖維含量小于0.4%時(shí)，瀝青混合料的回彈模量隨纖維含量的增加而變大，當(dāng)纖維含量大于0.4%以后，瀝青混合料的回彈模量值趨于穩(wěn)定。

圖4 纖維含量與瀝青混合料回彈模量關(guān)系曲線

需要注意的是，含纖維瀝青混合料回彈模量增加的原因可能是由于混合料中的纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度和較小的拉伸變形值，瀝青混合料中的纖維能與顆粒牢固結(jié)合并限制了顆粒的移動(dòng)，從而使瀝青混合料變形值減小。但是當(dāng)纖維含量較多時(shí)，瀝青難以填充過(guò)多的混合料空隙，纖維限制顆粒移動(dòng)的能力不能充分發(fā)揮，從而不會(huì)使瀝青混合料的回彈模量增加。

(5)動(dòng)態(tài)蠕變效應(yīng)

使用重復(fù)單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)評(píng)估瀝青混合料的永久變形。在試驗(yàn)中，施加恒定的重復(fù)載荷，并記錄不同時(shí)間(脈沖數(shù))下的瀝青混合料累積永久變形。重復(fù)載荷采用半正弦載荷的形式施加，每循環(huán)荷載持續(xù)時(shí)間200 ms，間歇時(shí)間800 ms，荷載值為200 kPa。

圖5為在第6 000次循環(huán)加載時(shí)，廢棄纖維含量與瀝青混合料永久變形的相互關(guān)系，該圖中的永久變形指的是試樣的變形值除以試樣厚度。由圖5可知，增加纖維含量在減小瀝青混合料的永久變形值方面具有十分明顯的效果。蠕變?cè)囼?yàn)表明，在原瀝青混合料中合理加入少量廢棄纖維改善了原瀝青混合料的變形性能，在相同的載荷和溫度條件下，含有適量廢棄纖維的瀝青混合料的累積變形值較小。

圖5 纖維含量與瀝青混合料永久應(yīng)變關(guān)系曲線

(6)疲勞效應(yīng)

采用間接拉伸試驗(yàn)對(duì)混合料的抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)施加的荷載為正弦載荷，每循環(huán)荷載持續(xù)時(shí)間150 ms，間歇時(shí)間50 ms，荷載值為350 kPa。將瀝青混合料試件在循環(huán)荷載下發(fā)生斷裂的周期數(shù)定義為疲勞壽命。

圖6為實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)(重復(fù)負(fù)載間接拉伸試驗(yàn))結(jié)果。由圖6可知，廢棄纖維的使用顯著提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖6 纖維含量與瀝青混合料疲勞壽命關(guān)系曲線

加入0.1%、0.2%、0.3%廢棄纖維后，瀝青混合料的疲勞壽命分別提高了28.4%、37.1%和44.2%左右。瀝青混合料疲勞壽命增加的原因是分布在混合料中的廢棄纖維限制了骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)，減小了混合料的剪切位移，進(jìn)而有效地延緩了初始裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

(7)回彈模量、疲勞壽命與永久變形的關(guān)系

根據(jù)上述結(jié)果以及圖4～圖6可以分析含廢棄纖維瀝青混合料回彈模量、疲勞壽命和永久變形之間的相關(guān)性。圖7為含廢棄纖維的瀝青混合料回彈模量與疲勞壽命的相關(guān)性。由圖7可知，瀝青混合料的疲勞壽命與回彈模量之間存在近似線性的相關(guān)性，隨著試件回彈模量的提高，試件的疲勞壽命隨之延長(zhǎng)；含長(zhǎng)度為12.5 mm和20 mm纖維的瀝青混合料，其疲勞壽命與回彈模量線性關(guān)系的擬合系數(shù)分別為0.961和0.973。圖8為含廢棄纖維的瀝青混合料永久應(yīng)變與回彈模量的相關(guān)性。由圖8可知，瀝青混合料的永久變形與回彈模量之間存在近似線性的相關(guān)性，隨著試件回彈模量的提高，試件的永久變形量隨之減小；含長(zhǎng)度為12.5 mm和20 mm纖維的瀝青混合料，其回彈模量與永久變形線性關(guān)系的擬合系數(shù)分別為0.954和0.911。

圖7 瀝青混合料回彈模量與疲勞壽命關(guān)系曲線

圖8 瀝青混合料回彈模量與永久應(yīng)變關(guān)系曲線

4 結(jié)論

將紡織過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄聚丙烯腈纖維添加到瀝青混合料中，不但避免了廢棄纖維處理過(guò)程中造成的污染問(wèn)題，而且可以提高瀝青混合料的力學(xué)性能。因此，本文通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)以及抗疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)檢測(cè)了含廢棄纖維瀝青混合料的工程性質(zhì)。

(1)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)瀝青混合料中添加的廢棄纖維含量小于0.3%時(shí)，可以增加瀝青混合料的穩(wěn)定性、降低流值。

(2)間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維含量小于0.4%時(shí)，瀝青混合料的回彈模量隨纖維含量的增加而變大；當(dāng)纖維含量大于0.4%以后，瀝青混合料的回彈模量值趨于穩(wěn)定。

(3)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，在相同的載荷和溫度條件下，在原瀝青混合料中合理加入少量廢棄纖維改善了原瀝青混合料的變形性能。

(4)抗疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果表明，在瀝青混合料中加入適量廢棄纖維可以改善瀝青混合料的疲勞狀況，增加其對(duì)裂縫或永久變形的抵抗力。