譚敬儒, 劉尊青, 謝海巍, 萬曦

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 交通與物流工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆道路工程試驗檢測研究中心, 新疆 烏魯木齊 830052)

摻加纖維等材料能改善瀝青路面性能,提高其強度、高低溫性能及抗疲勞性能[1]。常用纖維包括碳纖維、玄武巖纖維、木質素纖維及各類合成纖維。玄武巖纖維是火山巖在高溫熔融后快速拉制的連續(xù)纖維,生產(chǎn)過程不產(chǎn)生有害物質,其化學組分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO,其中含量較高的SiO2和Al2O3形成的緊密網(wǎng)絡結構決定了其優(yōu)異的力學性能和化學穩(wěn)定性[2-3]。玄武巖纖維在瀝青復合材料中以三維分散相存在,對瀝青具有吸附、穩(wěn)定、加筋、阻裂等作用。掃描電鏡試驗發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維瀝青膠漿中的纖維絲呈圓柱狀,表面存在部分凸起、凹陷,可有效增大與瀝青的接觸面積;纖維間相互橋接,能避免應力集中[4]。馬峰等研究了不同粉膠比、玄武巖纖維摻量和長度對瀝青膠漿性能的影響[5]。邱國洲等的研究結果表明玄武巖纖維與瀝青能充分黏結形成網(wǎng)絡結構,增強混合料的整體強度和韌性,提升其高溫穩(wěn)定性[6]。郭振華等研究復合纖維對瀝青混合料性能的影響,發(fā)現(xiàn)在混合料中同時加入海泡石、玄武巖纖維能顯著提高其性能[7]。雷江等對比分析不同玄武巖纖維摻量對溫拌再生瀝青混合料性能的提升效果,結果顯示玄武巖纖維摻量為0.3%時,溫拌再生瀝青混合料的各項路用性能明顯提升,其中動穩(wěn)定度提升最明顯[8]。Davar A.等發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能克服硅藻土對瀝青混合料低溫性能的不利影響[9]。目前有關玄武巖纖維瀝青復合材料路用性能及影響因素的研究成果較多,但玄武巖纖維瀝青路面在干旱荒漠區(qū)復雜氣候環(huán)境及不同交通荷載條件下的應用效果有待進一步考證。本文對新疆北疆地區(qū)瀝青路面常用AC-13C瀝青混合料進行配合比設計,通過車轍試驗、凍融劈裂試驗分析摻0.4%玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能,并對烏魯木齊南山試驗路路面破損、抗滑、抗?jié)B性能進行檢測,評價玄武巖纖維瀝青路面的使用性能,為玄武巖纖維瀝青混合料在干旱荒漠區(qū)的應用提供指導。

1 原材料性能

1.1 瀝青

采用新疆克拉瑪依90#基質瀝青,該瀝青在低溫狀態(tài)下的黏滯性較好,適用于新疆水穩(wěn)及凍穩(wěn)區(qū)、低溫抗裂區(qū)瀝青路面表面各層。其技術指標檢測結果見表1。

表1 基質瀝青的技術指標

1.2 集料及礦粉

粗集料采用無污染的破碎礫石,細集料采用潔凈、無雜質的水洗砂,砂粉由石灰石磨細得到。集料及礦粉的技術性能檢測結果見表2～4,均滿足規(guī)范要求。

表2 粗集料的技術指標

表3 細集料的技術指標

表4 礦粉的技術指標

1.3 玄武巖纖維

采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的6 mm短切玄武巖纖維,其物理、力學指標見表5,其彈性模量、抗拉強度具有明顯優(yōu)勢。

表5 玄武巖纖維的性能指標

2 瀝青混合料配合比設計

2.1 礦料級配組成

采用AC-13C型級配,關鍵篩孔為2.36 mm,集料通過關鍵篩孔的百分率為25.6%。礦料級配組成見表6、圖1。

圖1 AC-13C瀝青混合料的級配曲線

表6 AC-13C瀝青混合料的級配

2.2 最佳瀝青用量

采用馬歇爾設計方法確定AC-13C瀝青混合料的最佳瀝青用量。成型馬歇爾試件,測定其空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積參數(shù),記錄試件受壓直至破壞時的最大荷載和垂直變形,計算馬歇爾穩(wěn)定度與流值(分別表征瀝青混合料抵抗擠壓變形的能力、抵抗逐步沉降變形的能力)。結合實踐經(jīng)驗,初定油石比為4.9%。以預估油石比為中值、0.3%為間隔進行油石比調整,對不同油石比下AC-13C瀝青混合料進行馬歇爾試驗,試驗結果見表7。

表7 AC-13C瀝青混合料馬歇爾試驗結果

以油石比、馬歇爾試驗指標分別為橫、縱坐標繪制散點圖,對圖中各點進行三次多項式擬合,得到馬歇爾物理、力學指標與油石比的關系(見圖2)。計算得最大穩(wěn)定度為5.039%、最大密度為4.884%、目標空隙率為4.811%、飽和度中值對應的油石比為4.660%,最佳瀝青用量初始值DOAC1=(5.039%+4.884%+4.811%+4.660%)/4=4.848%。

圖2 AC—13C瀝青混合料馬歇爾試驗結果的擬合曲線

規(guī)范要求目標空隙率為3%～6%,礦料間隙率不小于14.5%,瀝青飽和度為65%～75%,穩(wěn)定度不小于8 kN。確定馬歇爾各項指標符合規(guī)范要求的瀝青用量區(qū)域,結合圖3,得到瀝青用量最小值DOACmin=4.516%,最大值DOACmax=5.278%,DOAC2=(4.516%+5.278%)/2=4.897%。

圖3 DOAC2瀝青用量范圍

綜上所述,最佳瀝青用量DOAC=(4.848%+4.897%)/2=4.872%。

3 玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能

文獻[10]的研究結果表明,綜合考慮各項路用性能,AC-13C瀝青混合料的玄武巖纖維最佳摻量在0.4%左右。據(jù)此采用0.4%玄武巖纖維摻量進行瀝青混合料路用性能試驗研究。

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料作為一種黏彈性材料,在高溫及交通荷載持續(xù)作用下瀝青路面易產(chǎn)生車轍等永久變形。通過車轍試驗研究玄武巖纖維瀝青混合料的高溫性能,采用輪碾法成型試件,試驗溫度為60 ℃,輪載質量為700 N,接地壓強為0.7 MPa。試驗前,將試件置于60 ℃恒溫箱中保溫5～8 h。試驗輪行走與試件碾壓方向一致,速度為(42±1) 次/min,行走距離為(230±10 ) mm。每組試驗制作A、B、C 3個平行試件。車轍試驗結果見表8。

表8 玄武巖纖維瀝青混合料車轍試驗結果

由表8可知:兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求。摻入玄武巖纖維后瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大,是普通瀝青混合料的2.7倍,玄武巖纖維能顯著提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。玄武巖纖維能吸附瀝青中的輕質組分,瀝青質相對增多,從而使瀝青膜處于穩(wěn)定狀態(tài),混合料流動能力下降;玄武巖纖維在瀝青混合料中均勻分散,纖維間相互搭接形成三維網(wǎng)狀結構,能抑制礦料間的相對滑移,增強混合料的高溫抗車轍能力[11]。

3.2 水穩(wěn)定性

水損壞是瀝青路面早期破壞的主要形式之一,取決于瀝青混合料的水穩(wěn)定性。通過凍融劈裂試驗測試玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度比(表征瀝青混合料強度對水作用的敏感性)評價其水穩(wěn)定性。采用擊實法雙面擊實50次成型兩組圓柱體試件,試件尺寸為直徑(101.6±0.25) mm、高度(63.5±1.3) mm,試驗溫度為25 ℃。試驗結果見表9。

表9 玄武巖纖維瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表9可知:1) 摻入玄武巖纖維后,瀝青混合料的凍融劈裂強度比為80.1%,與普通瀝青混合料相比略有增加,玄武巖纖維的加入能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性,降低其對水作用的敏感性。由于玄武巖纖維對瀝青的吸附性較好,集料表面的結構瀝青相對增加,瀝青與集料之間的界面強度增強;同時玄武巖纖維能起到加筋作用,降低材料在水分反復凍融過程中的損傷程度,從而抑制微裂紋的產(chǎn)生[12]。2) 玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度比普通瀝青混合料略有降低。結合文獻[13]的研究結果,在相同擊實條件下,纖維瀝青混合料的空隙率比普通混合料大,水分在凍融循環(huán)時產(chǎn)生更大的凍脹應力,混合料的整體強度降低;玄武巖纖維的加入使瀝青混合料最佳瀝青用量提升,由于玄武巖纖維吸附部分游離瀝青,集料間的黏附作用略有降低。綜上,調整瀝青用量、減小混合料內部空隙能提升玄武巖纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度。

4 工程應用

4.1 工程概況

為了解玄武巖纖維瀝青混合料在新疆北疆地區(qū)的適用性,在烏魯木齊南山分別鋪筑玄武巖纖維瀝青試驗路和普通瀝青試驗路。玄武巖纖維瀝青路面結構為3 cm AC-13C玄武巖纖維瀝青混合料+22 cm水泥穩(wěn)定碎石,試驗路狀況見圖4。運行一段時間后,對試驗路路面破損、抗滑及抗?jié)B性能進行檢測,分析玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能。

圖4 玄武巖纖維瀝青試驗路狀況

4.2 路面破損狀況

采用人工調查法對試驗路破損狀況進行檢測,記錄病害類型及損壞程度,結果見表10。調查發(fā)現(xiàn),試驗路現(xiàn)有病害均為橫向貫通裂縫,不同路段裂縫均有分布。由表10可知:玄武巖纖維瀝青試驗路路面損壞狀況指數(shù)均值為92.8,評定為優(yōu),優(yōu)于普通瀝青路面。

表10 試驗路路面損壞狀況評定結果

考慮到采用路面損壞狀況指數(shù)評價試驗路裂縫病害不夠直觀,采用裂縫率對不同瀝青路面裂縫情況進行評價,不同路段裂縫率見圖 5。由圖5可知:玄武巖纖維瀝青路面的裂縫率小于普通瀝青路面,為普通瀝青路面的81%。試驗路位于北疆地區(qū),該地區(qū)年、日溫差較大,瀝青路面易產(chǎn)生溫度收縮裂縫。玄武巖纖維的加入,在瀝青混合料中起到橋接、加筋作用,能有效分散混合料內部集中應力,使整體受力更均勻,能延緩微裂縫的產(chǎn)生及進一步擴展。

圖5 試驗路裂縫率對比

4.3 路面抗滑性能

采用數(shù)字式擺式儀檢測不同瀝青路面測試位置前、中、后3個測點的擺值,取各測點檢測結果的平均值作為其摩擦擺值,并進行溫度(20 ℃)修正。試驗結果見表11。

表11 試驗路路面抗滑性能檢測結果

由表11可知:2種瀝青路面的抗滑性能均滿足設計要求,玄武巖纖維瀝青路面的摩擦擺值普遍大于普通瀝青路面,其抗滑性能優(yōu)于普通瀝青路面。

4.4 路面抗?jié)B性能

按照瀝青路面滲水系數(shù)測試方法對試驗路路面抗?jié)B性能進行檢測,檢測結果見表12。

表12 試驗路路面滲水系數(shù)檢測結果

由表12可知:2種瀝青路面的滲水系數(shù)均符合規(guī)范對密集配瀝青路面抗?jié)B性能的要求;不同瀝青路面的滲水系數(shù)無明顯統(tǒng)計規(guī)律,玄武巖纖維瀝青路面的抗?jié)B性能總體略優(yōu)于普通瀝青路面。

5 結論

(1) 摻入0.4%玄武巖纖維后,瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大,為不摻纖維瀝青混合料的2.7倍,玄武巖纖維能顯著提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

(2) 摻入玄武巖纖維后,瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比增大為80.1%,玄武巖纖維的加入能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(3) 在新疆烏魯木齊試驗路工程應用中,玄武巖纖維瀝青路面的裂縫率為普通瀝青路面的81%,摩擦擺值、滲水系數(shù)均符合要求,玄武巖纖維瀝青路面的破損狀況、抗滑性能與抗?jié)B性能均優(yōu)于普通瀝青路面。玄武巖纖維瀝青混合料能應用于干旱荒漠地區(qū)。