剑麻纤维沥青混合料AC-13配合比设计及最佳油石比确定

2011-01-12黄江波

武汉轻工大学学报 2011年2期

陈军，冯伟，黄江波，关鹏

(1.宜昌市五峰县交通局公路管理所，湖北宜昌，443400;2.武汉地产开发投资集团有限公司，湖北武汉，430022;3.武汉市洪山区建设局，湖北武汉，430014)

至2010年，我国高速公路通车里程达到了6.5万km，仅次于美国。但在我国公路建设飞速发展的同时，大量早期建成的公路出现了大规模的病害，建设与养护的成本也因此与日俱增，严重制约了我国公路建养的进度。

为改善沥青混凝土路面性能，越来越多的新材料正在进人沥青混凝土路面技术领域。纤维混合料具有较高的强度和韧性，纤维的掺加可提高混凝土的各种物理性能、力学性能及路用性能。剑麻纤维是一种新兴的植物纤维，它具有天然、环保、可再生、高强度及廉价等优点，符合纤维添加剂的要求。

1 剑麻纤维沥青混合料原材料试验

经仔细比选，确定出了杂质含量少、尺寸规则的2#、3#、4#、5#集料以及符合规范要求的矿粉及沥青。由于尚未见有关于剑麻纤维沥青混合料的规范要求，试验将中等品质的剑麻纤维加工成4 mm、7 mm、10mm三种长度规格备用。

1.1 集料

沥青混合料集料为玄武岩2#、3#、4#料及石灰石5#料，产自江苏省，具有耐磨、吃水量少、导电性能差、抗压性强、压碎值低、抗腐蚀性强、沥青黏附性强等优点［1］。通过筛分试验，得出各集料的各孔径通过率，通过水洗法得出各集料的表观相对密度。经取样检测能满足国家行业标准的要求，其实测质量技术指标如表1所示。

表1 咸宁试验沥青混合料集料检验技术指标

1.2 填料

沥青混合料填料料源产自武汉江夏区段岭庙京港，采用湿法细磨生产的石灰岩矿粉。经取样检测能满足国家行业标准的要求［2］，其实测质量技术指标如表2所示。

表2 沥青混合料用矿粉质量技术指标

1.3 沥青

沥青采用鄂州壳牌SBS PG76-22改性沥青，经检测技术指标已满足国家行业标准，实测质量技术指标如表3所示。

表3 沥青实测质量技术指标

1.4 剑麻纤维

剑麻又名西沙尔麻(Sisal)，属龙舌兰科，是一种多年生，高产稳产的经济作物。我国广东、海南、福建等省均有种植，尤其是广东湛江地区种植面积大，剑麻产量高，年产剑麻干纤维已达1.5万t以上。

1.4.1 剑麻纤维耐腐性

剑麻纤维(SF)是一种绿色、环保、可再生资源，它与人工纤维和矿物纤维相比具有多方面的优点，其中经济性最为突出。剑麻纤维还具有质地坚韧、拉伸强度高、耐磨损、耐酸碱、耐海水、抗腐蚀及耐低温等多种优点［3］。各植物纤维化学成分见表4。

表4 几种纤维化学组成/%

由表4可知，剑麻纤维含果胶较多，果胶多不仅能增加强度，还能起保护作用，防止微生物破坏纤维细胞。表5与表6分别为剑麻纤维与黄麻纤维在海水及淡水中的耐腐力。

表5 剑麻纤维在海水及淡水中的耐腐力 /kg·g-1

表6 黄麻纤维在海水及淡水中的耐腐力 /kg·g-1

由表5及表6可知，剑麻纤维不仅强度高，其耐腐力也特别强，尤其是在海水中的耐腐力更强，大于浸泡在淡水中的强度。可见，剑麻纤维较适宜于作为路面材料。

1.4.2 剑麻纤维吸油性

剑麻纤维表面较为光滑，初步判断其吸油性较差，试验对剑麻纤维与木质素纤维的吸油性进行了对比。将一份20 g剑麻纤维与一份20 g木质素纤维分别放入两支装有20 mL无水煤油的量筒中，5 min后，在装有剑麻纤维的量筒中有较多煤油析出(见图1)，而在装有木质素纤维的量筒中无煤油析出，而且还未达到饱和状态(见图2)。

试验说明，剑麻纤维的吸油性不如木质素纤维。但鉴于其诸多优点，仍尝试性的加入到沥青混凝土中。

1.4.3 剑麻纤维耐高温性

混合料在生产过程中，拌合楼的温度为200—220℃，这对纤维添加剂是一个考验，试验将40 g剑麻纤维与40 g木质素纤维同时放入300℃恒温烘箱内加热20 min后，剑麻纤维有明显烧焦气味，且颜色由原来的浅黄色变成暗黄色，性质发脆，强度明显减弱;木质素纤维也已燃烧怠尽，丧失了原本的力学性能。《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求纤维在250℃的干拌温度下不变质，不发脆。故将试验温度调至250℃，20 min后无明显变化。试验得出剑麻纤维可作为添加剂掺入到沥青混凝土中。

2 沥青混合料配合比设计及最佳油石比确定

2.1 矿料配合比设计

结合AC-13路面结构的规范要求，经筛分试验确定各级碎石各孔径的通过率，经水洗法确定各级碎石的表观相对密度，进一步计算得到混合料的合成级配［4］。试验调配得到的矿料配比为：2#∶3#∶4#∶5#∶矿粉 =20∶32∶10∶36∶2。从而获得 AC-13 沥青混合料矿料配合比设计合成级配如表7及图3所示。

表7 AC-13矿料配合比设计表

图3 AC-13矿料合成级配曲线图

试验中剑麻纤维的质量掺量分为0.1%、0.2%及0.3%三组，以便进一步通过马歇尔试验、车辙试验及冻融劈裂等试验确定出剑麻纤维的最佳长度及最佳掺量。

2.2 沥青混合料最佳油石比确定

通过得到的矿料配合比进行沥青混合料的试拌。矿料加热温度为185℃，沥青混合料的拌和温度为185℃，马氏击实成型温度为155±2℃［4］。沥青混合料油石比以0.5%为梯级间隔，拟定六个试验油石比 3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5% 和6.0%分别进行沥青混合料马氏试验，从而获得各种油石比下的沥青混合料的物理性能指标和力学性能指标，沥青混合料性能采用表干法进行测试，AC-13沥青混合料马歇尔试验结果如表8及图4所示。

表8 AC-13沥青混合料马歇尔试验结果

图4 AC-13沥青混合料马歇尔试验结果示例图中阴影范围为设计要求范围

由表8及图4可知：①相应于密度最大值、稳定度最大值、设计目标空隙率、沥青饱和度中值的油石比分别为 a1=5.1%，a2=4.9%，a3=5.1%，a4=5.0% 即：OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=5.0% 。②满足AC-13型沥青混合料设计技术标准的油石比OACmin=4.7% ，OACmax=5.4% 。即：OAC2=(4.7%+5.4%)/2=5.1% 。③故可以计算得到设计最佳油石比为：OAC=(OAC1+OAC2)/2=5.1% 。