王春陽

（鄭州市公路工程公司，河南鄭州450009）

瀝青混合料是將瀝青、礦料等主要材料拌和，用于道路瀝青面層鋪筑的功能材料，在長期的道路服役過程中，受復(fù)雜交通工況和日照、雨水侵蝕，瀝青路面往往會產(chǎn)生各類病害問題。傳統(tǒng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)主要采用密級配瀝青混凝土，在雨雪天氣下易造成路面濕滑現(xiàn)場，直接危及交通安全[1-3]。與此同時，瀝青馬蹄脂碎石、開級配等新型路面結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，可緩解路面積水、濕滑等問題，其基本原理是采用較大孔隙的瀝青混合料，能使路面技術(shù)快速排出，提升路面的抗滑性能[4-5]。但在長期的雨水侵蝕和路面持續(xù)荷載作用下，瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍舊會產(chǎn)生松散、剝落等問題，縮短瀝青混合料的使用壽命[6]。為提升該種路面材料的耐久性，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一定研究，隨著產(chǎn)生了聚合物改性瀝青混合料，能在一定程度上提升混合料內(nèi)部材料的裹附性，材料的失穩(wěn)和松散現(xiàn)象有效降低。但僅采用改性瀝青來提升混合料的綜合性能，并非完全適用于每個地區(qū)公路，針對特殊地區(qū)路面建造技術(shù)水平，高模量劑、纖維材料等新材料又被進(jìn)行瀝青混合料的復(fù)摻應(yīng)用，旨在全面提升瀝青混合料材料的路用性能[7-8]。玻璃纖維作為工程建設(shè)常用材料，本研究將其應(yīng)用于瀝青混合料的生產(chǎn)過程，旨在探究瀝青混合料性能的優(yōu)化。

1 原材料與試驗(yàn)方案設(shè)計

1.1 瀝青

研究使用的瀝青材料為普通AH-70# 基質(zhì)瀝青，對其進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定，結(jié)果見表1。

1.2 高粘劑

高粘劑是一種瀝青材料外摻劑，可以大幅提升瀝青的黏度。研究采用TPS 型高粘劑，呈黃色顆粒狀，高粘瀝青的制備過程如下：

（1）稱取適量基質(zhì)瀝青及TPS 高粘劑，在180℃烘箱中加熱一個小時。

（2）將基質(zhì)瀝青倒入高速剪切機(jī)中，并分次加入TPS 高粘劑，剪切半個小時。

（3）將剪切好的高粘瀝青倒入器皿中，放置180℃烘箱中發(fā)育備用。

制備好的高粘瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

表2 改性瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果Table 2 Test results of modified asphalt index

1.3 纖維

纖維材料選用12mm 長的普通玻璃纖維，材料出絲均勻，伸縮性較好，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 玻璃纖維性能技術(shù)指標(biāo)Table 3 Performance and technical indexes of glass fiber

1.4 礦料

礦料是瀝青混合料拌和的關(guān)鍵組成材料，根據(jù)粒徑范圍不同，又可以詳細(xì)分為粗集料、細(xì)集料和填料。研究采用的粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，其質(zhì)地堅硬，針片狀含量少，表觀潔凈無明顯雜質(zhì)，對其進(jìn)行主要技術(shù)指標(biāo)測定，結(jié)果見表4。

表4 粗細(xì)集料物理技術(shù)指標(biāo)Table 4 Physical and technical indexes of coarse and fine aggregate

1.5 瀝青混合料配合比設(shè)計

瀝青混合料的配合比設(shè)計是混合料成型及組織構(gòu)架實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵過程，尤其是特殊地區(qū)公路建設(shè)或新材料的應(yīng)用應(yīng)更加重要。針對開級配的透水瀝青混合料而言，其配合比設(shè)計可考慮馬歇爾試驗(yàn)法則，重點(diǎn)關(guān)注粗細(xì)集料合成級配的粒徑曲線及馬歇爾試件的孔隙率、流值、穩(wěn)定度等指標(biāo)，其級配選用OGFC-13，設(shè)計級配曲線如圖1 所示。

圖1 OGFC-13 目標(biāo)設(shè)計級配Fig.1 OGFC-13 target design gradation

為深入研究玻璃纖維對OGFC 透水瀝青混合料的性能影響，采用不同摻量的玻璃纖維對其進(jìn)行針對性試驗(yàn)，纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4% 和0.6%。通過馬歇爾試驗(yàn)分別確定了不同纖維摻量對應(yīng)的混合料最佳油石比，相關(guān)測試結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料最佳油石比及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Table 5 Optimum asphalt aggregate ratio and relevant technical indexes of asphalt mixture

2 透水瀝青混合料路用性能

2.1 高溫性能

瀝青混合料的高溫性能通常是指混合料在高溫環(huán)境下抵抗變形的能力，研究通常采用高溫車轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)等用以測試和表征，考慮到本研究采用的混合料類型為透水性材料，因此，試驗(yàn)采用馬歇爾試驗(yàn)中的流值和穩(wěn)定度來表征材料的高溫性能，探究其與纖維摻量的規(guī)律關(guān)系，相關(guān)測試結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 瀝青混合料流值結(jié)果Fig.2 Flow value results of asphalt mixture

圖3 瀝青混合料穩(wěn)定度結(jié)果Fig.3 Asphalt mixture stability results

由圖2 和圖3 分析可知，隨著纖維摻量的增加，其流值呈先下降后上升的趨勢，而穩(wěn)定度指標(biāo)呈相反的趨勢。流值越小表征在同等壓縮變形條件下產(chǎn)生的變形更小，當(dāng)纖維摻量為0.2% 時，其流值達(dá)到1.70mm，穩(wěn)定度為6.41kN，較不摻纖維分別降低39% 和提升15%，達(dá)到最佳狀態(tài)。說明纖維摻量的增加并非越多越好，可以通過纖維摻量的具體化研究，實(shí)現(xiàn)纖維用量最優(yōu)與性能最佳的匹配。

2.2 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是剖析瀝青混合料在水損傷環(huán)境下性能劣化的性能，研究通常常用浸水馬歇爾試件的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比來表征性能指標(biāo)。研究對不同玻璃纖維摻量下的混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行測定，結(jié)果如圖4～圖5 所示。

圖4 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度Fig.4 Residual stability of asphalt mixture

圖5 瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.5 Strength ratio of freezethaw splitting of asphalt mixture

如圖4 和圖5 可知，隨著纖維摻量的逐漸增大，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)一定幅度的波動變化，當(dāng)纖維摻量為0.2%時，其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別為87.2% 和88.2%。但隨著纖維的逐步增加，其指標(biāo)有所下降。其主要原有是纖維材料的增加，初期會提升混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的搭接和穩(wěn)定，促進(jìn)整體的強(qiáng)度增加，在水損傷環(huán)境下能抵抗甚至提升其水穩(wěn)定性，但是當(dāng)纖維摻量達(dá)到一定數(shù)量時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會存在失穩(wěn)現(xiàn)象，易造成局部材料的薄弱，易產(chǎn)生水損傷，因此，纖維摻量的加入對于瀝青混合料的性能需反復(fù)試驗(yàn)確認(rèn)研究。

2.3 低溫抗裂性

低溫抗裂性是表征瀝青混合料在寒冷環(huán)境下產(chǎn)生開裂的性能，研究經(jīng)常會對成型的瀝青混合料進(jìn)行小梁試驗(yàn)的切割并進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，研究小梁在低溫環(huán)境下開裂時的應(yīng)變大小，其測試結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料低溫抗裂性能Table 6 Low temperature crack resistance of asphalt mixture

由表6 可知，纖維的摻入在一定程度上提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能，其中破壞應(yīng)變分別提升3.43%、8.12% 和2.36%， 劈裂抗拉強(qiáng)度分別提升6.96%、17.39% 和0.87%，說明0.4% 摻量的玻璃纖維對于瀝青混合料低溫抗裂性能的提升效果是最佳的。玻璃纖維的摻入，會將混合料內(nèi)部的礦料進(jìn)行裹附，在高粘瀝青的嵌擠作用下，纖維-瀝青-礦料形成合理穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，在寒冷穩(wěn)定下，材料變得更加堅硬和易脆，纖維具有一定的彈塑性，能夠緩解低溫對混合料內(nèi)部的開裂影響。

2.4 透水性能

作為開級配的透水瀝青混合料，需要滿足雨水天氣下大孔隙排水性能，研究對成型的車轍板試件進(jìn)行透水性能的檢驗(yàn)，采用滲水系數(shù)進(jìn)行綜合判定，其基本原理是記錄單位時間內(nèi)透過混合料試件滲出的水量，測試結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料滲水系數(shù)Table 7 Permeability coefficient of asphalt mixture

由表7 可知，纖維的摻入對瀝青混合料的透水性能影響較小，滲水系數(shù)隨纖維摻量的增加而上下波動無固定規(guī)律，說明玻璃纖維的增加對透水性能影響可忽略不計。其主要原因是，在透水瀝青混合料配合比設(shè)計過程中，重點(diǎn)關(guān)注了材料的孔隙率，在高粘劑和纖維材料的共同作用下，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)孔隙變化較小，如果要增強(qiáng)瀝青混合料的滲水系數(shù)，應(yīng)對在配合比設(shè)計階段以控制材料的孔隙率大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 結(jié)語

本文針對玻璃纖維透水瀝青混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)，分別考察了纖維摻量對混合料高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫開裂性及透水性的影響，認(rèn)為纖維的增加并不意味著對混合料性能的永久提升，對于高溫性能和水穩(wěn)定性而言，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最佳摻量為0.2%；而低溫抗裂性隨纖維摻量的增加而波動，最佳摻量為0.4%；而對比摻纖維和不摻纖維混合料的滲水系數(shù)，其數(shù)值差別不大，說明纖維的摻加對滲水效果影響較小。綜上研究，建議在透水瀝青混合料中摻加玻璃纖維的摻量為0.2%～0.4%，可提升其綜合性能，延長使用壽命。