楊宇婷,詹世佐

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 沈陽市 110167;2.遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

纖維瀝青混凝土是一種新型路面材料,具有優(yōu)良的路用性能,在公路工程領(lǐng)域得到了大范圍推廣應(yīng)用。相較于其他改性方式(如聚合物類),纖維改性瀝青混凝土的顯著優(yōu)勢是能夠延緩面層結(jié)構(gòu)中裂縫的擴(kuò)展,同時(shí)其優(yōu)良的高溫性能可以減少車輛荷載作用下產(chǎn)生的失穩(wěn)與壓密型車轍,減少疲勞破壞的出現(xiàn)[1-2],從而有效延長瀝青路面使用壽命,減少周期養(yǎng)護(hù)維修成本[3-4]。

目前,在公路工程瀝青路面中已經(jīng)得到應(yīng)用的纖維有木質(zhì)素纖維、礦物纖維、玻璃纖維、復(fù)合改性纖維和納米改性纖維等[5]。礦物纖維近幾年作為一種新型瀝青混合料添加劑,受到了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注,其不僅具有良好的路面性能,也具有較高的抗拉強(qiáng)度[6],在提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及改善瀝青混合料的路用性能等方面都有顯著效果[7]。

國內(nèi)鎳鐵冶煉企業(yè)產(chǎn)出的冶煉廢渣一般經(jīng)水淬處理,然后堆存或作為路基料、混凝土骨料、工程回填料等[8]。這種處理方式不僅無法充分利用廢渣,不能解決鎳鐵冶煉渣的出路問題,而且浪費(fèi)大量水資源和熱能。鎳鐵礦渣纖維是以紅土鎳礦在高溫冶煉過程中產(chǎn)生的爐渣為原料,摻配煤矸石、石灰等作為渣型調(diào)整劑,通過改變各成分配比,在1500～1600℃溫度條件下,采用高速離心顯熱吹制技術(shù)制備出的一種無機(jī)礦物纖維[9]。與其他瀝青混合料的礦物纖維改性劑相比,鎳鐵礦渣纖維不僅能提高瀝青混合料的強(qiáng)度和韌性[6],而且成本低廉,廢渣可以再利用,避免了尾礦渣的大量堆棄造成環(huán)境污染。同時(shí),該材料的應(yīng)用能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)起到積極推動(dòng)作用。

文章通過馬歇爾試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)對鎳鐵礦渣纖維改性SMA-13瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性研究,對比分析不同類型纖維改性瀝青混合料路用性能的改善效果,為今后鎳鐵礦渣纖維推廣應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支撐和研究參考。

1 原材料

1.1 瀝青

采用90號重交通道路瀝青作為基質(zhì)瀝青,SBS改性劑摻量為4.5%,主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能測試結(jié)果

1.2 粗集料

采用的粗集料是玄武巖,表面潔凈、干燥,形狀接近立方體,粗集料試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 玄武巖粗集料性能測試結(jié)果

1.3 細(xì)集料

采用的細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂,選取時(shí)應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì),并有適當(dāng)?shù)念w粒級配。細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 細(xì)集料測試結(jié)果

1.4 礦粉

礦粉試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 礦粉測試結(jié)果

1.5 纖維

鎳鐵礦渣纖維制備過程中,選擇煤矸石及石灰作為渣型調(diào)整劑,分別對不同種類的紅土鎳礦進(jìn)行了路用礦物纖維制備試驗(yàn)研究。根據(jù)前期研究成果,最終選擇三種不同型號的鎳鐵礦渣纖維。其中:1#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶3∶2,爐渣溫度1520℃;2#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶2∶3,爐渣溫度1560℃;3#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶4∶1,爐渣溫度1520℃。纖維外觀見圖1,各型號纖維技術(shù)指標(biāo)見表5。

圖1 不同型號鎳鐵礦渣纖維外觀

表5 鎳鐵礦渣纖維的基本技術(shù)性能

木質(zhì)纖維素選用山東沃爾森生產(chǎn)的絮狀纖維,技術(shù)指標(biāo)如表6所示。

表6 木質(zhì)素纖維基本技術(shù)性能

2 SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級配

SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[10]要求,采用馬歇爾體積設(shè)計(jì)方法確定。材料組成及合成級配結(jié)果如表7所示。

級配曲線如圖2所示,各礦料添加比例見表8。

圖2 SMA-13混合料合成級配曲線

表8 各種礦料的摻配比例

2.2 最佳油石比

根據(jù)確定的礦料級配,結(jié)合遼寧省已有工程經(jīng)驗(yàn),木質(zhì)素纖維摻量選定為0.3%;為了對比鎳鐵礦渣纖維和木質(zhì)素纖維對SMA-13混合料性能的改善效果,確定鎳鐵礦渣纖維的最優(yōu)摻量,不同類型的鎳鐵礦渣纖維摻量取0.3%、0.4%、0.5%。

通過馬歇爾試驗(yàn),最終確定各組混合料最佳油石比如下,具體見表9。

表9 最佳油石比確定

3 SMA-13瀝青混合料高溫性能測試

3.1 試驗(yàn)方法

通過馬歇爾試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)對鎳鐵礦渣纖維改性瀝青混合料進(jìn)行測試,比較分析不同種類纖維改性瀝青混合料高溫性能的改善效果。

(1)馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度是馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件在試驗(yàn)時(shí)可產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力,流值表征其變形情況。當(dāng)馬歇爾穩(wěn)定度大而對應(yīng)的流值較小時(shí),表明混合料的強(qiáng)度較高[11]。試驗(yàn)針對不同鎳鐵礦渣纖維在不同摻量下的馬歇爾試件進(jìn)行檢測,通過馬歇爾模數(shù)(馬歇爾穩(wěn)定度/流值)考察纖維改性瀝青混合料的高溫性能。

(2)車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是瀝青混合料的一種規(guī)范檢測方法,可以用來評價(jià)瀝青混合料的高溫性能,能夠貼近真實(shí)模擬出瀝青路面車轍的形成過程,試驗(yàn)結(jié)果與瀝青路面車轍深度之間有較好的相關(guān)性。此次研究采用室內(nèi)小型輪轍試驗(yàn)。試驗(yàn)所用設(shè)備如圖3。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

3.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

通過馬歇爾試驗(yàn)對4種改性瀝青混合料進(jìn)行高溫性能研究,其中木質(zhì)纖維摻量為0.3%,鎳鐵礦渣纖維摻量分別為0.3%、0.4%、0.5%,對最佳油石比條件下得到的馬歇爾模數(shù)進(jìn)行對比分析,結(jié)果見圖4。

圖4 SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數(shù)

由圖4可知,3種不同類型鎳鐵礦渣纖維的馬歇爾模數(shù)對比中,1#鎳鐵礦渣纖維改善效果最明顯。在同種纖維、不同摻量的情況下進(jìn)行對比分析可知,1#、3#鎳鐵礦渣纖維在摻量為0.4%時(shí)馬歇爾模數(shù)相對較大,有更好的改性效果,而2#鎳鐵礦渣纖維在不同摻量的情況下馬歇爾模數(shù)相差不大。與木質(zhì)纖維改性瀝青混合料相比,1#、2#纖維的改性效果優(yōu)于木質(zhì)纖維,3#纖維的改性效果劣于木質(zhì)素纖維。綜上,1#纖維在摻量為0.4%時(shí)對瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的提升效果最佳。

3.3 車轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果分析

通過車轍試驗(yàn)對4種纖維改性瀝青混合料進(jìn)行高溫性能研究,木質(zhì)纖維摻量為0.3%,鎳鐵礦渣纖維摻量分別為0.3%、0.4%、0.5%,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 SMA-13瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由圖5可知,在瀝青混合料中加入鎳鐵礦渣纖維后,車轍動(dòng)穩(wěn)定度有了明顯提高,達(dá)到技術(shù)規(guī)定要求(≥5500次/mm),說明在一定程度上鎳鐵礦渣纖維能夠提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

這是因?yàn)樵跒r青混合料中摻入鎳鐵礦渣纖維后,可以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),相當(dāng)于在混合料中起到加筋作用,有利于承受外部荷載,并將這些荷載分散從而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象,使抗車轍能力得到提高。同時(shí)可以看出,摻入1#纖維的車轍動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維摻量的增加而增大,這是由于鎳鐵礦渣纖維具有吸附和穩(wěn)定瀝青的作用,可以提高瀝青膠漿的勁度[12]。摻入2#和3#鎳鐵礦渣纖維的車轍動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維摻量的增加先增大后減小,在0.4%時(shí)出現(xiàn)最大值,表明鎳鐵礦渣纖維對于SMA-13瀝青混合料高溫性能的改善存在最佳摻量,當(dāng)纖維摻量過大時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)下降趨勢,這主要是因?yàn)檫^多的纖維摻入后,在混合料內(nèi)部會(huì)形成團(tuán)聚現(xiàn)象,部分沒有完全分散的纖維并不能有效提供加筋和增強(qiáng)作用,甚至?xí)纬杀∪鯀^(qū)域,降低混合料的性能[13]。

從圖5可以看出,摻入1#纖維和3#纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都有較大提高,摻量達(dá)到0.4%以上時(shí)略優(yōu)于木質(zhì)素纖維的改善效果。其中,1#纖維改性瀝青混合料的穩(wěn)定性最好,其穩(wěn)定度隨著摻量增加呈現(xiàn)上升趨勢,2#纖維改性瀝青混合料穩(wěn)定性下降明顯。綜合比較3種纖維,摻量在0.4%時(shí)瀝青混合料的高溫性能最好。

4 結(jié)論

(1)通過馬歇爾模數(shù)對比,1#鎳鐵礦渣纖維改善效果最明顯,且在摻量為0.4%時(shí)對SMA-13瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的提升效果最佳,改性效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

(2)通過車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果,1#纖維和3#纖維的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都有所提高,略優(yōu)于木質(zhì)素纖維改善效果。其中,1#纖維改性瀝青混合料的穩(wěn)定度隨著摻量增加呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。

(3)綜合高溫性能測試結(jié)果,1#鎳鐵礦渣纖維對SMA-13混合料的高溫性能提升效果最佳,其最優(yōu)摻量宜取0.4%。