剑麻纤维乳化沥青混凝土路用性能研究

2013-10-23李玉龙钟燕敏何晓鸣

武汉轻工大学学报 2013年2期

李玉龙，钟燕敏，何晓鸣

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023)

乳化沥青混合料是一种较为复杂的材料，压实成型的混凝土在行车荷载和温度以及环境的影响下，水分不断蒸发，乳化沥青逐渐破乳，恢复沥青的粘结性质，大约30 d左右，混凝土中水分基本蒸发完毕，强度基本形成，理论上讲会与热拌沥青有相同的路用性能，通过一系列室内试验，对该材料的路用性能做出评价。

1 剑麻纤维乳化沥青混凝土力学性能研究

乳化沥青混合料从使用初期到最后完全成型，需满足初始强度和成型强度两个强度要求［1］。一方面，由于混合料在使用初期乳液中的沥青微粒并没有发挥粘结的作用，路面强度比较低，但为了满足开放交通的要求，混合料应具有一定的初始强度来抵抗车辆荷载作用;另一方面，为保证乳化沥青混合料在后期使用过程中，能够在重复的车辆荷载下不产生二次病害，该混合料应具有足够的成型强度。

本文采用 0.2%，0.3%，0.4%，0.5% 四种不同的掺量，每种掺量分别取2 mm，4 mm，6 mm，8 mm四种不同长度来研究不同掺量、不同长度的剑麻纤维对乳化沥青混凝土路用性能的影响。

1.1 初始强度研究

首先制作马歇尔试件，加料顺序为先将集料拌匀，加入水和剑麻纤维搅拌，拌匀后加入乳化沥青，拌匀后再加矿粉搅拌。由于剑麻纤维具有一定的吸油性，故对于掺加剑麻纤维的试件，要增加与剑麻纤维等量的乳化沥青，以加强试验的准确性。

制作不加纤维以及不同掺量、不同长度剑麻纤维的试件共12×4+3=51个。在常温下(温度15—25℃，相对湿度50%—80%)养生24 h，再双面击实45次，在常温下条件下养生24 h后，进行马歇尔试验，试验结果如表1。

表1 初期马歇尔稳定度 /kN

当剑麻纤维掺量为0.2%和0.3%时，纤维分布均匀，无结团现象，而掺量为0.4%时，有少许结团现象，掺量为0.5%时，结团现象严重，已经影响了混凝土的工作性能。从试验结果来看，长度为4 mm时乳化沥青混凝土的初始强度达到最大值。

1.2 成型强度研究

成型强度研究与初始强度研究区别在于养生条件及实验条件不同，成型强度研究是为了反映路面在车辆荷载以及环境、温度、时间的作用下达到的强度［2］。初始强度的试件在室温条件下养生，而成型强度的试件需要在60℃的烘箱中养生，击实后的试件在60℃条件下养生24 h，脱模，在常温下放置48 h后，放在60℃恒温水浴中浸泡30 min，从水浴中取出后在60℃条件下试压。试验结果如表2所示。

表2 成型马歇尔稳定度 /kN

马歇尔稳定度是一个用来评价混合料综合性能的指标，在我国主要用作沥青混合料配合比设计和沥青路面施工质量检验，主要体现了混合料的高温性能。由试验结果可知，剑麻纤维掺量为0.2%时，成型马歇尔稳定度与不掺加纤维的试件稳定度差别不大，但当掺量为0.3%时，成型马歇尔稳定度提高幅度很大，大约在30%左右，峰值更是达到7.6 KN，这已经非常接近普通热拌沥青混凝土。

值得注意的一点是，成型马歇尔稳定度在数值上略小于初始马歇尔稳定度，主要是因为两者的试验条件是不同的，初期强度是在空气中存放，20℃条件下进行，而成型强度是在水浴中存放，60℃条件下进行的，所以两者的试验值并不能体现出混合料性能增长的趋势。

2 剑麻纤维乳化沥青混凝土水稳性研究

冻融劈裂试验适用于在规定条件下对乳化沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到水损坏前后劈裂破坏的强度比，以评价乳化沥青混合料的水稳定性。制作好试件后将需要做冻融劈裂试验的试件真空饱水，加入约10 mL水后放在－l8℃ ±2℃环境下保存16 h±1 h，然后在60℃ ±0.5℃热水中浸泡24 h，按此条件冻融循环一次，最后与做常规劈裂试验的试件一起在25℃ ±0.5℃水中浸泡2 h以上，测试劈裂强度并计算其比值(TSR)，以验证乳化沥青混合料的水稳定性［3］。

本文将做两组冻融劈裂试验，一组为不掺加剑麻纤维的试件，一组为掺加长度为4 mm，掺量为0.3%的剑麻纤维的试件。每组试验制备了10个掺加剑麻纤维的试件及10个未掺加纤维的试件，然后对所有20个试件的高度及密度进行了测定。为保证试验的一致性及可比性，每组试验各选取了其中尺寸符合规范要求且各物理力学指标差异性较小的8个掺加剑麻纤维的试件和8个未掺加纤维的试件进行冻融劈裂试验。试验将8个掺加剑麻纤维的试件随机分成两份，每份4个，将第一份试件进行常规劈裂试验，另一份进行冻融劈裂试验，以对比其劈裂抗拉强度。未加纤维的8个试件试验方法相同。对比掺加剑麻纤维与未加纤维试件的冻融劈裂抗拉强度比即可反映剑麻纤维的效应。劈裂抗拉强度按公式(1)至(3)进行计算。

式中:RT1—未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度(Mpa);

RT2—经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度(Mpa);

PT1—第一组试件的试验荷载的最大值(N);

PT2—第二组试件的试验荷载的最大值(N);

h1—第一组试件的试件平均高度(mm);

h2—第二组试件的试件平均高度(mm);

TSR—冻融劈裂抗拉强度比(%)。

冻融劈裂试验的结果如表3所示。

表3 冻融劈裂试验结果

剑麻纤维的掺加，使冻融劈裂抗拉强度比平均提高了6.7%。可见，剑麻纤维对沥青混合料的低温抗裂性和水稳定性具有一定的效果。

3 剑麻纤维乳化沥青混凝土高温稳定性研究

沥青路面的强度与刚度(模量)会随温度的升高而显著下降，为了保证沥青路面高温季节在行车荷载反复作用下，不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定性。表4和表5为强度、刚度与温度间的关系。

表4 沥青混凝土强度与温度的关系

表5 沥青混凝土的蠕变劲度S和回弹模量E与温度的关系

3.1 车辙试验

乳化沥青混凝土路面高温稳定性是指乳化沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。高温稳定性主要表现为车辙，随着交通量不断增长，沥青路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙，车辙致使路面过量的变形，影响了路面的平整度;轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其它病害，如雨天路表排水不畅，降低路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑，影响了高速行车的安全，车辆在超车或更换车道时方向失控，影响了车辆操纵的稳定性［4］。

车辙试验显示:未加剑麻纤维的试件动稳定度试验结果为:2 836次/mm;按0.3%剑麻纤维掺量以最佳油石比成型车辙试件，动稳定度试验结果为:3 709次/mm，满足设计标准＞2 400次/mm的要求并提高了沥青混合料的动稳定度873次/mm。

3.2 剑麻纤维最佳长度检验

通过马歇尔试验已基本确定剑麻纤维的最佳长度为4 mm，本节通过车辙试验对其最佳长度进行验证。按照相同的剑麻纤维含量(0.3%)，不同的纤维长度(2 mm，4 mm，6 mm，8 mm)制备沥青混合料车辙试验试块，试块制作完毕后在常温下首先放置48 h，经充分冷却后转入车辙仪恒温室内60℃恒温养护6 h，继而进行车辙试验，试验结果如表6所示: