焦江華

( 洛陽華杰公路工程有限公司，河南洛陽471000）

隨著道路基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，瀝青路面代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥路面成為舒適性好、受力分布均勻的路面材料，但是，由于長期受到高溫陽光和雨水的滲透和侵蝕，路面會產(chǎn)生裂縫、車轍、麻面和其他病害?，F(xiàn)有瀝青路面場采用AC-13 密實(shí)性級配，雨雪天氣會降低路面的抗滑能力，危及路面的交通安全和服務(wù)質(zhì)量。為滿足不同地區(qū)及環(huán)境下道路服役需求，瀝青馬蹄脂碎石、開級配等新型道路結(jié)構(gòu)被應(yīng)用推廣，排水瀝青路面（OGFC）是一種孔隙率較大的骨架支撐瀝青混合料，具有快速消散路面積水、保持路面抗滑特性等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但長期的雨水浸潤易會加劇路面結(jié)構(gòu)損傷，會使得混合料產(chǎn)生開裂、松散等問題。相關(guān)研究表明纖維材料摻入瀝青混合料中可提升材料的彈韌性，增強(qiáng)路用性能[4]。湯寄予[5]研究了不同纖維瀝青混合料的高低溫性能及自愈合性能，認(rèn)為纖維能夠有效抑制混合料內(nèi)部的裂縫開展，延長道路服役壽命；趙麗華[6]認(rèn)為纖維以三維空間網(wǎng)絡(luò)分布在混合料中，可增強(qiáng)混合料的抗疲勞性能；熊銳等[7]研究了水鎂石纖維瀝青混合料的耐腐蝕性能，認(rèn)為可延長混合料的耐久性能。王輝等[8]研究了聚丙烯、木質(zhì)素和玄武巖3 種不同纖維對瀝青混合料的性能影響，認(rèn)為3 種不同纖維對混合料的增強(qiáng)效果各異，聚丙烯纖維對混合料的疲勞性能提升最明顯；高桂海等[9]采用玄武巖纖維制備排水瀝青混合料，認(rèn)為可大幅提升混合料的低溫抗裂性能及疲勞性能；雷鵬群[10]對重載交通條件下?lián)嚼w維的排水瀝青混合料進(jìn)行研究，認(rèn)為纖維可增強(qiáng)混合料內(nèi)部的穩(wěn)定，抵抗水損傷的性能有所提升。玻璃纖維是一種無機(jī)纖維，產(chǎn)量多、應(yīng)用廣泛，但在排水瀝青路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少，研究擬采用玻璃纖維制備纖維-瀝青膠漿和瀝青混合料，探究對排水瀝青混合料的性能變化規(guī)律。

1 原材料

1.1 高粘瀝青

研究采用高粘瀝青制備瀝青纖維膠漿和瀝青混合料，高粘瀝青是將15% 摻量的TPS 改性劑與基質(zhì)瀝青進(jìn)行高溫剪切制備，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高粘瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of high viscosity asphalt

1.2 礦料

粗細(xì)集料均為玄武巖，填料為普通石灰?guī)r礦粉，材料質(zhì)地均勻無雜質(zhì)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of coarse aggregate

1.3 纖維

研究采用玻璃纖維、玄武巖纖維及鋼纖維分別制備瀝青纖維膠漿，研究纖維與瀝青間的粘結(jié)特性，三種纖維的長度均為12mm，技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 纖維技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of fiber

2 纖維- 瀝青膠漿拉拔性能研究

研究采用三種不同類型的纖維制備纖維- 高粘瀝青膠漿，采用拉拔試驗(yàn)來探究纖維與瀝青膠漿間的粘結(jié)特性。其試驗(yàn)原理是將纖維束按不同的埋置深度澆筑瀝青試件，試驗(yàn)溫度為30℃，通過控制瀝青膠漿試件位置不變，對纖維束進(jìn)行拉拔，記錄纖維斷裂或拔出時對應(yīng)的力的大小，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同纖維拉拔試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Drawing test results of different fibers

從圖1 可以看出，隨著纖維埋置深度的增加，纖維-瀝青膠漿拉拔對應(yīng)的最大荷載逐漸增加。且三種纖維橫向?qū)Ρ确治觯ＡЮw維拉拔對應(yīng)的最大荷載最大，玄武巖纖維其次，鋼纖維最低。表明玻璃纖維與瀝青膠漿的黏聚特性最佳，玻璃纖維的斷裂拉伸率較大，彈塑性和延展性較好，在外力荷載作用下，玻璃纖維能夠緩解瀝青膠漿的彈塑性變形，共同增強(qiáng)瀝青膠漿的服役性能?；诖耍芯恳圆ＡЮw維為試驗(yàn)對象，制備排水瀝青混合料，研究其具體的路用性能表現(xiàn)。

3 瀝青混合料路用性能

為進(jìn)一步探究玻璃纖維摻量對排水瀝青混合料的性能影響規(guī)律，研究將玻璃纖維分別以0%、0.2%、0.4%和0.6%質(zhì)量摻量制備排水瀝青混合料，研究選用的排水瀝青路面結(jié)構(gòu)級配為OGFC，其級配曲線如圖2 所示。

圖2 OGFC-13 級配曲線Fig.2 OGFC-13 grading curve

以普通瀝青混合料為例，其析漏和飛散損失隨油石比變化趨勢如圖3 所示。

圖3 混合料析漏、飛散損失隨油石比變化曲線Fig.3 Variation curve of mixture leakage and dispersion loss with oil stone ratio

從圖3 可以看出，隨著混合料油石比的增加，混合料的析漏損失變大，飛散損失減少。根據(jù)排水瀝青路面混合料的設(shè)計(jì)規(guī)范，普通排水瀝青混合料的最佳油石比為5.0%。

如表4 所示，隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的油石比有所增加，而對應(yīng)的毛體積密度、孔隙率、穩(wěn)定度和流值均不斷增大。其主要原因是玻璃纖維具有吸油屬性，纖維的加入需要更多的瀝青用量來維持混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝聚力、穩(wěn)定性。而纖維的加筋作用，增強(qiáng)了混合料內(nèi)部骨架支撐結(jié)構(gòu)，使得有效的連通孔隙率有所增加。

表4 最佳油石比及馬歇爾技術(shù)指標(biāo)Table 4 Best oil stone ratio and Marshall technical index

3.1 高溫穩(wěn)定性

排水瀝青路面的有效連通孔隙率較大，在重載環(huán)境下易導(dǎo)致孔隙率壓縮，進(jìn)而造成路面的車轍變形乃至坑洼等病害，本文研究了不同玻璃纖維摻量混合料的高溫性能，并通過60℃車轍試驗(yàn)測試了混合料的動穩(wěn)定度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 混合料動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Dynamic stability test results of mixture

隨著纖維摻量的摻入，混合料的動穩(wěn)定度有所增長，但增長速率減緩。纖維摻量為0.2%、0.4% 及0.6% 時，其動穩(wěn)定度分別達(dá)到3912 次/mm、3986 次/mm 和4012次/mm，相較于普通排水瀝青混合料分別提升了7.12%、9.15% 和9.86%。纖維摻加后期動穩(wěn)定度提升不明顯是因?yàn)槔w維與瀝青膠結(jié)料有效融合，已最大限度提升混合料的裹附性和穩(wěn)定性，纖維的繼續(xù)添加無法從力學(xué)角度再增強(qiáng)其強(qiáng)度等級。因此，并非玻璃纖維摻量越多對混合料的性能越好。

3.2 水穩(wěn)定性

排水瀝青路面長期處于雨水浸潤環(huán)境下，水分子會沿混凝土內(nèi)部裂縫侵入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，誘發(fā)內(nèi)部材料松散、開裂等病害問題。研究采用殘留穩(wěn)定度和凍融疲勞強(qiáng)度比兩個指標(biāo)來評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Water stability test results of mixture

從圖5 可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，混合料的殘留穩(wěn)定性和凍融劈裂強(qiáng)度比先增大后減小，但均高于普通瀝青混合料的初始值，0.4% 纖維含量混合料的殘留穩(wěn)定性為89.5% ，0.2% 摻量纖維混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比為88.6%。其主要原因是，纖維的加入能夠增強(qiáng)與瀝青膠結(jié)料的黏聚性，進(jìn)一步穩(wěn)定混合料內(nèi)部的集料分布和骨架結(jié)構(gòu)。但是纖維摻量的增加也會導(dǎo)致連通孔隙率增大，會增加水分子與孔隙內(nèi)壁接觸面積，加劇水損傷侵蝕的程度。凍融劈裂試驗(yàn)過程中，飽和水分子將孔隙填充并凍結(jié)，材料間的模量不同，界面接觸存在差異，會在水浴環(huán)境下產(chǎn)生內(nèi)部溫度應(yīng)力變化，進(jìn)一步削弱混合料的水穩(wěn)定性。

3.3 低溫抗裂性能

作為瀝青面層上部結(jié)構(gòu)，排水瀝青路面會在雨雪天氣下降至零下攝氏度，在車輛荷載的往復(fù)作用下會使得混合料內(nèi)部產(chǎn)生低溫開裂現(xiàn)象。本文研究了不同玻璃纖維摻量瀝青混合料的低溫抗裂性能，采用低溫小梁進(jìn)行破壞荷載測試，記錄相應(yīng)的應(yīng)變變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 混合料破壞應(yīng)變Fig.6 Failure strain of mixture

混合料的低溫抗裂性能有所提升，但增長速率有所減緩。纖維摻量在0.2%、0.4% 和0.6% 時，其對應(yīng)排水瀝青混合料的破壞應(yīng)變分別為3952μm、4072μm和4123μm，較普通排水瀝青混合料分別提升7.19%、10.44% 和11.83%，增長幅度與混合料高溫穩(wěn)定性較為一致。玻璃纖維以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散在瀝青混合料中，有效地將粗細(xì)集料、高粘瀝青等進(jìn)行有效的粘結(jié)，增強(qiáng)內(nèi)部材料的黏聚性和穩(wěn)定性。纖維良好的延性可以緩解瀝青混合料的應(yīng)力集中，延緩瀝青混合料的裂縫發(fā)展。

3.4 排水特性

作為排水瀝青路面，雨水的滲透稀釋能力應(yīng)重點(diǎn)考量，混合料的排水特性理論上與孔隙率直接相關(guān)，研究對不同纖維摻量下混合料的滲水系數(shù)進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 混合料滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of water permeability coefficient of mixture

圖8 孔隙率-滲水系數(shù)曲線Fig.8 Porosity permeability coefficient fitting curve

從圖7 和圖8 可以看出，隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的滲水系數(shù)不斷提升，當(dāng)纖維摻量為0.2%、0.4%和0.6% 時，其對應(yīng)排水瀝青混合料的滲水系數(shù)分別為4452mL/min、4527mL/min 和4632mL/min，較 普 通 排水瀝青混合料分別提升了5.50%、7.27% 和9.76%。將孔隙率和滲水系數(shù)進(jìn)行擬合，二者呈較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著孔隙率的增加，混合料的滲水系數(shù)增長速率逐漸減緩，表明混合料中玻璃纖維的摻量并非越多越好，應(yīng)根據(jù)混合料的各項(xiàng)路用性能進(jìn)行綜合比選。

為進(jìn)一步確定混合料中玻璃纖維的適宜摻配比例，研究將不同性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，如圖9 所示。

圖9 不同纖維摻量下混合料性能Fig.9 Performance of mixture with different fiber content

從圖9 可以看出，不同纖維摻量下混合料的性能匯總比選，其中，動穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變及滲水系數(shù)隨纖維摻量的增加呈增長趨勢，但增長速率逐漸減緩；而殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比性能呈先上升后下降的趨勢，研究建議玻璃纖維的適宜摻量應(yīng)控制在0.4%左右。

4 結(jié)語

研究對玻璃纖維、玄武巖纖維及鋼纖維與瀝青膠漿的拉拔特性進(jìn)行分析，認(rèn)為玻璃纖維的斷裂拉伸率較好，與瀝青膠漿的粘結(jié)特性較強(qiáng)。基于此，分別制備了不同玻璃纖維摻量下排水瀝青混合料并進(jìn)行路用性能分析，研究表明，混合料的動穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變及滲水系數(shù)隨纖維摻量的增加逐漸提升，但提升速率有所減緩，而殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比呈先上升后下降趨勢。綜合各性能比較分析，推薦玻璃纖維的適宜摻量在0.4%左右，將玻璃纖維應(yīng)用到排水瀝青路面中，能夠增強(qiáng)內(nèi)部瀝青混合料的黏聚力和穩(wěn)定性，有利于延長其服役壽命。