纖維瀝青混合料路用性能研究

纖維瀝青混合料路用性能研究

1對(duì)瀝青混合料的處理道路纖維不僅可以提高瀝青路用的性能，而且具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法、低材料要求和低施工工藝的特點(diǎn)，在道路工程中越來越受到重視。目前,我國(guó)在纖維產(chǎn)品以及相應(yīng)的配套設(shè)備等已經(jīng)有了一整套成熟的研究成果和使用經(jīng)驗(yàn),路用纖維的應(yīng)用已由最初的道路面層的纖維瀝青混凝土到橋梁的瀝青加鋪層、水泥混凝土路面和機(jī)場(chǎng)跑道罩面等,再到各式各樣的瀝青混合料中,如SMA路面、薄層或超薄層的瀝青混凝土、多孔性瀝青混凝土(OGFC)、稀漿封層和雙層防裂上鋪層等。用于瀝青混合料的纖維種類很多,但大多選用木質(zhì)素纖維、礦物纖維或聚合物纖維,我國(guó)為此還分別頒布了《瀝青路面用木質(zhì)素纖維》JT/T533-2004和《瀝青路面用聚合物纖維》JT/T534-2004。纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)、施工與普通瀝青混合料主要過程比較類似,但纖維瀝青混合料的特殊性決定了兩者還是存在差別。摻加纖維后瀝青混合料的物理指標(biāo)和路用性能均發(fā)生相應(yīng)的改變,如果不能系統(tǒng)分析纖維對(duì)瀝青混合料指標(biāo)體系的影響,就會(huì)在纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)和施工中無法準(zhǔn)確把握其精髓,可能會(huì)由于那樣或那樣的原因而導(dǎo)致混合料力學(xué)性能和路用性能的降低。本文選用兩種常用的路用纖維,通過室內(nèi)研究分析纖維的類型、劑量對(duì)瀝青混合料的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性研究,結(jié)合對(duì)路用性能的影響變化規(guī)律分析,以期能準(zhǔn)確了解和把握纖維瀝青混合料力學(xué)參數(shù)的特點(diǎn)和路用性能的本質(zhì),為纖維瀝青混合料的設(shè)計(jì)、施工提供參考。2添加纖維到瀝青混合料本文選用公路中常用的木質(zhì)素纖維和聚合物纖維作為研究基礎(chǔ),木質(zhì)素纖維為國(guó)產(chǎn)的松散裝木質(zhì)素纖維,聚合物纖維為國(guó)外進(jìn)口的聚酯纖維。瀝青混合料類型選擇AC-16C型,級(jí)配見表1。瀝青為克拉瑪依90號(hào)A級(jí)瀝青,集料選用陜西榆林的砂巖,礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)而成。添加纖維到瀝青混合料中的方法有干拌法和濕拌法兩種,本文選取拌合效果好、易于分散的干拌法。首先將烘干到預(yù)定溫度的集料放入拌合鍋內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單攪拌,接著添加需要數(shù)量的纖維進(jìn)行混合、分散攪拌,最后再添加瀝青和礦粉拌合均勻。3纖維對(duì)瀝青路用材料的物理指標(biāo)的影響分析本文以馬歇爾試驗(yàn)為基礎(chǔ),依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,分析瀝青混合料的物理指標(biāo)變化規(guī)律。3.1纖維瀝青混凝土與油石比的關(guān)系纖維的密度很小,在瀝青混合料中大量分散,必然要占用一定的體積空間,纖維劑量越大,占用的體積越大;同時(shí),纖維具有彈性性能,大量分散纖維在混合料中互相搭接形成“類彈性基體”,使得纖維瀝青混合料不易密實(shí),從而影響了混合料的壓實(shí)性能,纖維劑量越大,這種影響越明顯。瀝青混合料的密度與瀝青混合料試件的成型方法、成型溫度以及操作方法有很大關(guān)系,也是其他物理指標(biāo)的基礎(chǔ)。圖1反映的是纖維瀝青混合料密度與油石比的關(guān)系,圖2反映混合料在最佳油石比下的密度與纖維劑量的關(guān)系。由圖1來看,纖維瀝青混凝土隨油石比的變化呈現(xiàn)拋物線型關(guān)系,與普通瀝青混凝土的密度變化規(guī)律一致。依據(jù)變化的線形,在油石比較小(小于5.0%)時(shí)隨著油石比的變化,不加纖維的瀝青混合料密度變化速率最大,說明對(duì)瀝青變化敏感,而隨著纖維劑量的增加,瀝青混合料密度的敏感性降低;當(dāng)油石比較大(超過5.0%)時(shí),纖維瀝青混合料的密度隨油石比的變化敏感性與普通瀝青混合料差異較小,但是當(dāng)大劑量(聚酯纖維劑量為0.5%)的纖維瀝青混合料卻顯得相當(dāng)敏感,說明纖維劑量過大,混合料的密度敏感性增強(qiáng),這要求大劑量纖維的瀝青路面在施工中應(yīng)重視和提高施工工藝穩(wěn)定性,通過降低施工質(zhì)量的波動(dòng)性來提高瀝青路面的施工質(zhì)量。由圖2分析,無論是摻加木質(zhì)素纖維還是摻加聚酯纖維,混合料的密度和普通瀝青混合料的相比都有所減小,而且纖維劑量越大,減小幅度越大。從密度的變化規(guī)律來看,聚酯纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.225%左右,而木質(zhì)素纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.3%左右。3.2纖維用量對(duì)復(fù)合纖維孔隙率的影響國(guó)內(nèi)外研究表明,瀝青混合料的多項(xiàng)路用性能與其孔隙率有直接關(guān)系,在瀝青路面的設(shè)計(jì)和施工中混合料孔隙率是尤為關(guān)鍵的指標(biāo)。圖3是纖維瀝青混合料密度與空隙率的關(guān)系圖,圖4反映混合料在最佳油石比下的空隙率與纖維劑量的關(guān)系。圖3說明纖維瀝青混合料的空隙率也與普通瀝青混合料的變化規(guī)律一般,隨油石比的最大空隙率減小。同等油石比條件下普通瀝青混合料空隙率最小,纖維添加的劑量越高其對(duì)應(yīng)的空隙率就越大。從線性變化的斜率可以看出油石比對(duì)混合料孔隙率的敏感性,由圖3看出普通瀝青混合料的敏感性最強(qiáng),隨著纖維劑量的加大,混合料空隙率隨油石比變化的敏感性逐步降低。由圖4可知,混合料空隙率隨劑量增大而變大,但是聚酯纖維和木質(zhì)素纖維明顯不同,聚酯纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.112%左右,而木質(zhì)素纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.15%左右。在纖維劑量較低(0.1%～0.2%)時(shí),空隙率的變化規(guī)律差別較小,而當(dāng)纖維劑量超過0.20%時(shí),聚酯纖維對(duì)混合料空隙率的影響明顯高于木質(zhì)素纖維。依據(jù)這一點(diǎn),在纖維混合料設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于劑量超過0.20%應(yīng)注意纖維對(duì)混合料空隙的影響幅度和大小,以免影響到混合料路用性能。3.3瀝青用量的影響瀝青混合料的礦料間隙率與其礦料顆粒的在混合料內(nèi)部的排列有關(guān),它一方面影響到混合料的孔隙率,另一方面也會(huì)影響到混合料的高溫性能。圖5是纖維瀝青混合料礦料間隙率與油石比的關(guān)系圖,圖6是最佳油石比的瀝青混合料礦料間隙率與纖維劑量的關(guān)系圖。圖5說明纖維瀝青混合料的礦料間隙率隨油石比變化有一個(gè)最小值。從變化的曲率來看,對(duì)油石比最敏感的是不加纖維的混合料。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)油石比大于間隙率對(duì)應(yīng)的油石比時(shí),混合料中添加與不添加纖維,間隙率對(duì)油石比敏感程度基本一致,這是因?yàn)闉r青用量偏多,瀝青自身良好的潤(rùn)滑作用使混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變較小。而當(dāng)油石比較小時(shí),纖維的類型與劑量對(duì)瀝青混合料間隙率的影響非常明顯,這可能是因?yàn)楫?dāng)瀝青用量偏少時(shí),纖維的存在使瀝青混合料結(jié)構(gòu)狀態(tài)方式一定程度的改變,而瀝青用量偏大影響最敏感的是聚酯纖維,在油石比為4.0%時(shí),劑量每增加1‰,其對(duì)應(yīng)的間隙率增大0.58%;而木質(zhì)素纖維每增加1‰,其對(duì)應(yīng)的間隙率增大0.15%由圖6可知,混合料間隙率隨纖維劑量增大有一個(gè)突變點(diǎn),聚酯纖維的突變點(diǎn)在0.35%,木質(zhì)素纖維的突變點(diǎn)在0.3%左右。當(dāng)纖維的添加量小于突變點(diǎn)時(shí),瀝青混合料的間隙率變化不大,當(dāng)在纖維劑量超過突變點(diǎn)時(shí),混合料的間隙率明顯增大,原因是纖維劑量過多會(huì)影響到混合料內(nèi)部劑量的排放次序和位置,進(jìn)而對(duì)混合料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,影響最大的是聚酯纖維,因?yàn)樗淖钄_、橋接以及材料的相互纏結(jié)能力更強(qiáng)。3.4瀝青混合料顆粒排列對(duì)復(fù)合濾料力學(xué)性能的影響圖7是纖維瀝青混合料礦料間隙率與油石比的關(guān)系圖,圖8是最佳油石比的瀝青混合料礦料間隙率與纖維劑量的關(guān)系圖。混合料飽和度的大小會(huì)影響到瀝青混合料的耐久性和水穩(wěn)性,與其礦料顆粒的在混合料內(nèi)部的排列有關(guān),它一方面影響到混合料的孔隙率,另一方面也會(huì)影響到混合料的高溫性能。由圖7發(fā)現(xiàn),纖維瀝青混合料的飽和度與普通瀝青混合料相比偏低,說明纖維的添加影響會(huì)到混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙率。圖8顯示,纖維劑量小于0.3%時(shí),其瀝青混合料在最佳油石比下的瀝青飽和度和普通瀝青混合料的差別不大,而劑量超過0.3%纖維瀝青混合料的飽和度大大降低。4纖維對(duì)瀝青路用的影響分析4.1纖維用量對(duì)混合料穩(wěn)定性的影響由9發(fā)現(xiàn),當(dāng)油石比較小時(shí)(例如<4.5%),在相同油石比下,纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度低于普通瀝青混合料,尤其高劑量(例如聚酯纖維>0.35%,木質(zhì)素纖維>0.45%)纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度減小幅度較大;當(dāng)油石比較大時(shí),相同油石比下纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度高于普通瀝青混合料,這說明油石比較小而纖維劑量較大時(shí),瀝青用量不夠,纖維吸收不充分,無法增大集料表面裹覆的結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度,不能有效改善瀝青的穩(wěn)定性,因而纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度反而有所降低,而隨著瀝青用量的增加,纖維的改善作用得以充分發(fā)揮,混合料的穩(wěn)定度也有了較大的增加。無論木質(zhì)素還是聚酯纖維,纖維混合料的馬歇爾穩(wěn)定度曲線峰值對(duì)應(yīng)的油石比均對(duì)纖維劑量最大而增大,說明要達(dá)到較好的擊實(shí)效果,纖維瀝青混合料比普通瀝青混合料需要更大的瀝青用量。圖10說明,馬歇爾穩(wěn)定度隨纖維劑量的增加有一個(gè)峰值,兩者的峰值對(duì)應(yīng)的劑量基本在0.2%～0.4%附近,添加過多的纖維可能會(huì)由于試件的擊實(shí)效果,影響到混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)而使穩(wěn)定度下降。分析圖11和圖12,隨著纖維劑量的增加,流值逐漸增大,這可能是由于纖維的加入使瀝青混合料結(jié)構(gòu)韌性加大從而導(dǎo)致在承受馬歇爾荷載時(shí)能夠有較大的變形,尤其是劑量大時(shí)特征越明顯。4.2纖維劑量對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響圖13反應(yīng)纖維混合料的高溫動(dòng)穩(wěn)定度與纖維劑量的關(guān)系。圖14反映纖維混合料的高溫動(dòng)穩(wěn)定度與纖維劑量的關(guān)系。由圖13可知,纖維的添加可以較好地改善瀝青混合料高溫性能,但改善的效果因纖維種類而不同,從整體上來說,瀝青混合料添加聚酯纖維有比木質(zhì)素纖維效果好。纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與纖維的劑量有一個(gè)峰值,兩者比較理想的劑量均在0.2～0.4%,當(dāng)纖維劑量較小時(shí)纖維瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和普通瀝青混合料的相比增加不明顯,當(dāng)瀝青混合料中含有一定的劑量(超過0.15%)時(shí),就具有一定的改善效果;當(dāng)纖維劑量超過合理范圍(大于0.4%)時(shí),會(huì)由于纖維膠結(jié)和橋接的影響而使混合料的成型困難、壓實(shí)難度增大,從而導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度下降,而且高劑量纖維需要昂貴的經(jīng)濟(jì)代價(jià),顯然也是不合理的。圖14反映了不同類型纖維瀝青混合料的油石比與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系。按動(dòng)穩(wěn)定度值來分析,聚酯纖維的最佳油石比小于木質(zhì)素纖維大概0.2%左右;從對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的敏感性分析,聚酯纖維對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度敏感程度要大于木質(zhì)素纖維,這就要求在施工聚酯纖維瀝青混合料時(shí)對(duì)施工工藝的質(zhì)量要求更高,尤其是對(duì)瀝青混合料的油石比控制。4.3纖維在瀝青混合料中的低溫性能瀝青混合料在摻加纖維后可以比較好的提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。圖15說明,纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善聚酯纖維要優(yōu)于木質(zhì)素纖維。對(duì)于纖維瀝青混合料來說,當(dāng)纖維劑量較小時(shí),瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變提高的幅度比較大,當(dāng)超過一定界限,低溫性能基本不變化甚至可能下降,聚酯纖維的界限是0.225%,木質(zhì)素纖維是0.3%。圖16說明了纖維瀝青混合料的低溫性能隨油石比變化的規(guī)律,要想得到較好的低溫性能,木質(zhì)素纖維混合料的油石比要略高于聚酯纖維;從敏感性分析,聚酯纖維混合料的低溫性能對(duì)油石比的變化的敏感程度低于木質(zhì)素混合料,尤其是瀝青用量偏多時(shí)。4.4纖維原料的摻加效果瀝青混合料的水穩(wěn)性采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)來分析。圖17和圖18顯示纖維混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度與纖維劑量的關(guān)系。圖17和圖18均說明瀝青混合料中摻加纖維對(duì)水穩(wěn)性的改善具有一定的效果,而且隨纖維劑量的增加,改善效果存在一峰值。依據(jù)殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果,摻加木質(zhì)素纖維的效果要好,最佳劑量木質(zhì)素纖維為0.3%,聚酯纖維為0.35%;依據(jù)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果,摻加聚酯纖維的效果要好,最佳劑量聚酯纖維為0.225%,木質(zhì)素纖維為0.4%。綜上分析,纖維瀝青混合料有一個(gè)合理的劑量,可以比較好的改善高溫、低溫以及水穩(wěn)性能。結(jié)果表明,聚酯纖維的劑量以小于0.225%,木質(zhì)素纖維以小于0.3%為宜。6不同纖維對(duì)混合料的影響依據(jù)本文的研究結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:(1)瀝青混合料在加入纖維后降低了密度隨油石比變化的敏感性,但是當(dāng)纖維劑量過大時(shí),密度降低幅度加大但對(duì)瀝青的敏感性又有所提高。(2)對(duì)纖維瀝青混合料來說,混合料空隙率隨劑量增大而變大,但是聚酯纖維和木質(zhì)素纖維明顯不同。纖維劑量越大,孔隙率的敏感性越低;相同條件下瀝青混合料中纖維的劑量越大,對(duì)