畢躍忠,桑偉寧

(1.安徽省歙縣交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法大隊(duì),安徽 歙縣 245200;2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

SMA瀝青混凝土是較好的路面材料,自從SMA材料引入國內(nèi)后,開始了大范圍地應(yīng)用[1]。瀝青路面在我國占據(jù)絕大部分,瀝青混合料的性能對(duì)于瀝青路面的性能至關(guān)重要。我國引入SMA瀝青材料后,對(duì)SMA瀝青的研究也在不斷深入。瀝青是一種粘彈性材料,屬于非牛頓物體,瀝青在高溫和低溫情況下會(huì)表現(xiàn)出不同的特征,對(duì)瀝青材料的高低溫性能需要嚴(yán)格把控,以期延長瀝青路面的使用年限和防止使用過程中發(fā)生的車轍和裂縫等病害。因而需要提升瀝青混合料的性能指標(biāo),研究將纖維加入SMA瀝青混凝土中,能夠均勻分散,與SMA相互結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以有效增強(qiáng)SMA各方面的性能[2]。目前,國內(nèi)的研究主要聚焦于聚酯纖維、玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維單摻于SMA瀝青混凝土中,對(duì)各纖維的摻量和長度展開研究[3],王輝[4]等研究了纖維瀝青膠漿的路用性能指標(biāo)。將木質(zhì)素纖維作為改性劑加入瀝青膠漿中,通過BBR試驗(yàn)和DSR試驗(yàn),分別探究了木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青膠漿高低溫性能的影響,研究驗(yàn)證,木質(zhì)素纖維加入瀝青膠漿中,可以提高高溫性能,但瀝青膠漿的低溫性能有所降低。馬冬云[5]研究了不同纖維對(duì)瀝青膠漿性能的影響差異。實(shí)驗(yàn)選取了三種纖維,分別是木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維,研究顯示,對(duì)于瀝青膠漿的高溫和低溫性能,三種類別的纖維均有增強(qiáng)作用,其中效果最好的是聚酯纖維,最差的是木質(zhì)素纖維。

纖維單摻對(duì)于瀝青混合料的高溫和低溫性能具有不同程度的增強(qiáng)作用,但對(duì)于纖維混摻的研究較少,課題以聚酯纖維和玄武巖纖維混摻為方向[6],對(duì)比聚酯纖維和玄武巖纖維分別單摻,研究聚酯纖維和玄武巖纖維混摻的最佳摻量以及混摻對(duì)于SMA瀝青的增強(qiáng)效果[7],課題以瀝青膠漿為研究載體,模仿土的直剪實(shí)驗(yàn),對(duì)瀝青膠漿的抗剪性能進(jìn)行研究,以DSR實(shí)驗(yàn)和BBR實(shí)驗(yàn)為載體分別研究纖維瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能[8]。

1 原材料

1.1 瀝青

實(shí)驗(yàn)采用SBS改性瀝青和高彈復(fù)合改性瀝青,高彈改性劑是多種高分子材料合成的棕黃色圓顆粒,高彈改性瀝青是在SBS改性瀝青中加入高彈改性劑制備而成,本實(shí)驗(yàn)采用高速剪切法制備,兩種瀝青的性能如表1所示。

表1 瀝青性能指標(biāo)

1.2 礦粉

在研究瀝青膠漿實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),將復(fù)摻纖維瀝青膠漿制作完成后,做剪切實(shí)驗(yàn)效果不明顯,在瀝青膠漿中加入礦粉以提高其高溫性能和低溫性能,讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加清晰,礦粉選用的是石灰?guī)r粉末,其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 礦粉性能指標(biāo)

1.3 纖維

試驗(yàn)采用聚酯纖維和玄武巖纖維兩種纖維,將其分別單摻于瀝青混合料中,以及混摻,將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,聚酯纖維和玄武巖纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 纖維技術(shù)指標(biāo)

表4 直剪實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維瀝青膠漿直剪實(shí)驗(yàn)

瀝青膠漿為顆粒性材料,與土粒類似,土的抗剪強(qiáng)度是用摩爾-庫倫理論[9]表征的,瀝青膠漿也可采用。摩爾-庫倫理論公式(式1)的兩個(gè)參數(shù)分別是黏聚力c,內(nèi)摩擦角φ。

τf=σtanφ+c

(1)

研究不同纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度,對(duì)于纖維的作用機(jī)理進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑70 mm的環(huán)刀制備試件。將熱瀝青灌入環(huán)刀后,等待試件冷卻,再用熱刮刀將多余的瀝青刮除,然后將試件放入35 ℃的恒溫水箱中進(jìn)行保溫,保溫時(shí)間5 h。實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀,采用四種垂直壓力,分別為50、100、150、200 kPa。由于瀝青膠漿相較于土體材料,強(qiáng)度偏低,不能采用和土的直剪實(shí)驗(yàn)相同的剪切速率,應(yīng)當(dāng)采用更低的速率,本實(shí)驗(yàn)采用6 mm/min的剪切速率。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力-位移曲線中無明顯峰值,而在4 mm的位移時(shí),剪應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定,因而瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度可用4 mm位移時(shí)的應(yīng)力值。

根據(jù)直剪實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn),將四種壓力下的應(yīng)力與位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值繪制于表5。

表5 不同填料瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度平均值

從表5可以看出,纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度平均值明顯高于不摻纖維瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度平均值,瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著纖維的加入而顯著增加,相較于聚酯纖維單摻,復(fù)摻方案顯著提高膠漿的抗剪強(qiáng)度,在50、100、150、200 kPa的垂直壓力下,50%聚酯+玄武巖纖維復(fù)摻瀝青膠漿比聚酯纖維單摻抗剪強(qiáng)度分別提升了42.4%、54.7%、46.5%、24.7%,試驗(yàn)證明,復(fù)摻聚酯纖維和玄武巖纖維時(shí),聚酯纖維含量30%和70%,提高效果均不明顯,復(fù)摻纖維瀝青膠漿時(shí),聚酯纖維和玄武巖纖維按照1∶1摻合時(shí),直剪實(shí)驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度值最高。單摻纖維瀝青膠漿時(shí),玄武巖纖維表現(xiàn)明顯高于聚酯纖維單摻和不摻纖維。

根據(jù)瀝青膠漿最大抗剪強(qiáng)度平均值繪制纖維瀝青膠漿的4 mm處的剪應(yīng)力-垂直壓力曲線圖(強(qiáng)度包絡(luò)圖),如圖1～圖5所示。

圖1 聚酯纖維膠漿τf-σ關(guān)系曲線

圖2 玄武巖纖維膠漿τf-σ關(guān)系曲線

圖3 30%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關(guān)系曲線

圖4 50%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關(guān)系曲線

圖5 70%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關(guān)系曲線

由剪應(yīng)力-垂直壓力曲線圖可以計(jì)算出纖維瀝青膠漿的內(nèi)摩擦角和粘聚力,見表6。

表6 不同填料瀝青膠漿內(nèi)摩擦角和粘聚力匯總表

由表6可見,復(fù)摻纖維的膠漿內(nèi)摩擦角較單摻顯著提高,其中效果最好的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻,內(nèi)摩擦角比單摻玄武巖纖維提高了2.18倍,其次是70%聚酯+玄武巖纖維混摻,比單摻玄武巖纖維提高了1.66倍,單摻聚酯纖維膠漿比單摻玄武巖纖維好,和30%聚酯纖維混摻纖維差別不大,說明聚酯纖維能與瀝青膠漿較好融合,內(nèi)部縫隙較少,復(fù)摻纖維瀝青膠漿的粘聚力明顯優(yōu)于單摻玄武巖纖維,單摻聚酯纖維粘聚力表現(xiàn)較好,與混摻纖維相當(dāng),聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻的膠漿粘聚力略高于聚酯纖維單摻,瀝青膠漿抗剪性能提升效果最好的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻。

2.2 動(dòng)態(tài)流變剪切實(shí)驗(yàn)(DSR)

采用DSR試驗(yàn)測(cè)定瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量和相位角,瀝青動(dòng)態(tài)剪切模量測(cè)量值的范圍為0.1～10 MPa,將纖維分別作為填料與高彈復(fù)合改性瀝青形成瀝青膠漿(粉膠比為1.50),比較兩種纖維單摻和三種比列混摻瀝青膠漿的抗高溫性能。試件制作完成后,在規(guī)定的恒溫水浴浸泡后,應(yīng)立即試驗(yàn)。多個(gè)試驗(yàn)溫度時(shí),整個(gè)試驗(yàn)過程宜控制在4 h以內(nèi)。DSR試驗(yàn)用抗車轍因子|G*|/sinδ表征瀝青膠漿的抗高溫性能,其值越大,表明瀝青膠漿的抗高溫性能越好。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表7可見,纖維瀝青膠漿高溫性能與纖維種類和纖維摻量有關(guān),50%聚酯+玄武巖纖維的相位角最大,其次是30%聚酯+玄武巖纖維,其剪切模量|G*|和相位角規(guī)律一致,不同纖維膠漿抗車轍因子差異明顯。不同纖維瀝青膠漿的抗車轍因子由大到小依次為50%聚酯+玄武巖、70%聚酯+玄武巖、30%聚酯+玄武巖、聚酯纖維、玄武巖纖維。50%聚酯+玄武巖纖維瀝青膠漿的高溫性能最好,其抗車轍因子是玄武巖纖維瀝青膠漿的1.67倍,而當(dāng)混摻纖維中,聚酯纖維摻量超過50%,達(dá)到70%后,相位角和抗車轍因子均有所下降,說明聚酯纖維的最佳摻量是50%,當(dāng)摻量過大時(shí),瀝青膠漿內(nèi)部已趨于飽和狀態(tài),增加纖維已經(jīng)不能提高內(nèi)部流動(dòng)性,反而會(huì)降低瀝青與纖維混合形成握裹結(jié)構(gòu)。

表7 不同纖維瀝青膠漿DSR試驗(yàn)結(jié)果

2.3 瀝青彎曲蠕變勁度實(shí)驗(yàn)(BBR)

瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)用于測(cè)定瀝青膠漿彎曲蠕變勁度和m值,它們表征瀝青膠漿的低溫抗裂性能。彎曲蠕變勁度越大,m值越小,表明瀝青膠漿的低溫性能越差,彎曲蠕變勁度試驗(yàn)溫度取-20 ℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將記錄在不同時(shí)間段的荷載和形變。試件模具內(nèi)部尺寸為:長127±2.0 mm、厚6.35±0.05 mm、寬12.70±0.05 mm。將不同的纖維制作瀝青膠漿(瀝青為高彈復(fù)合改性瀝青),測(cè)試不同纖維及復(fù)摻比例瀝青膠漿的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同纖維瀝青膠漿BBR試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知,50%聚酯+玄武巖纖維瀝青膠漿的實(shí)測(cè)勁度最小,其次是30%聚酯+玄武巖混摻和玄武巖纖維,在BBR試驗(yàn)中,玄武巖纖維瀝青膠漿實(shí)測(cè)勁度明顯高于聚酯纖維,對(duì)應(yīng)的五種纖維瀝青膠漿m值由大到小依次為50%聚酯+玄武巖、30%聚酯+玄武巖、聚酯纖維、70%聚酯+玄武巖、玄武巖纖維,50%聚酯+玄武巖瀝青膠漿的m值最小,其低溫性能最好,單摻聚酯纖維膠漿m值與30%聚酯+玄武巖瀝青膠漿m值差別不大,對(duì)于改善瀝青膠漿低溫性能作用效果一致,而單摻玄武巖纖維m值比單摻聚酯纖維m值降低15.9%,單玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能較單摻聚酯纖維差。

3 結(jié) 論

(1)在SBS改性瀝青中加入高彈改性劑形成的高彈復(fù)合改性瀝青延度、軟化點(diǎn)、針入度指數(shù)均高于原SBS改性瀝青,高彈復(fù)合改性瀝青的性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

(2)混摻纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度優(yōu)于單摻纖維,性能最佳的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻,抗剪強(qiáng)度較玄武巖纖維單摻提高了2.18倍。

(3)動(dòng)態(tài)流變剪切實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混摻纖維膠漿的高溫性能,與直剪實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(4)瀝青彎曲蠕變勁度實(shí)驗(yàn)中,聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻的低溫抗裂性能最好,其次是30%聚酯+玄武巖纖維混摻。