玄武岩纤维沥青混凝土路用性能研究

仰建岗,刘　燕,林天发(.华东交通大学土木建筑学院,江西南昌　0000;.江西交通职业技术学院路桥工程系,江西南昌　0000;.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西南昌　005)

玄武岩纤维沥青混凝土路用性能研究

仰建岗1,刘燕2,林天发3
(1.华东交通大学土木建筑学院,江西南昌330000;2.江西交通职业技术学院路桥工程系,江西南昌330000;3.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西南昌330025)

为降低路面的初期损害,确保路面的寿命,可在沥青混合料中掺加玄武岩纤维,基于AC 13C型级配,对混合料掺加不同掺量的玄武岩纤维,并采用马歇尔试验找出各个掺量下的最佳油石比,然后进行高温车辙和低温抗裂试验.结果表明,玄武岩纤维最佳掺量为0.3%,且可显著改善混合料的路用性能.

玄武岩纤维;沥青混合料;高温车辙试验;低温抗裂试验

0　引　言

相对于水泥混凝土路面,沥青混合料路面具有无接缝、耐磨、振动小、行车舒适、噪声低、施工容易以及工期短等优点,因此在世界各地得到广泛应用[1].但是沥青路面容易出现一些早期损害,例如车辙变形、路面裂缝及早期水破坏,这与中国普遍采用的半刚性基层有很大关系.虽然利用改性剂可在一定程度上改善沥青的性能,但后期大量的试验研究发现,改性剂提高沥青性能的能力有限,于是国内外开始转向研究纤维添加剂,从而有了对木质纤维、聚合物纤维、玻璃纤维、石棉纤维、钢纤维的研究[2-9].这类研究虽然发现了一些改善效果,但副作用和缺陷也比较明显,直到玄武岩矿物纤维的出现,才使纤维作为沥青混合料添加剂的使用效果有了较大的提升.具有代表性的是BF纤维,这是中国自主创新的路用纤维,浙江省先后修筑了30多条使用BF纤维的公路养护新建及改建试验路.经过使用与评估,研究人员发现BF纤维的抗车辙效果非常明显.河北、河南、江西、湖北、湖南等省份也先后在沥青路面进行了掺加BF纤维的试验,同样取得了良好的应用效果.但是由于技术还不成熟,相关的数据积累、设备及工艺方面的规程还没有完成,所以仍需不断完善,以便于该技术的推广.

本文通过对采用AC13级配的沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性试验,研究玄武岩纤维增强沥青混凝土的路用性能效果.

1　原材料与试验方案

1.1玄武岩纤维

连续玄武岩纤维是以纯天然玄武岩矿石为惟一原料,使其在1 500℃～1 600℃高温下熔融,并通过铂铑合金漏板连续拉制而成,具有原料廉价、工艺简单、综合性能高、环境友好等特征.

本文所选用的纤维为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的长度为6 mm的短切玄武岩纤维(FB).其样品外观如图1所示,技术指标见表1.

图1　玄武岩纤维外观

表1　BF玄武岩纤维技术指标

1.2沥青性质

试验使用的沥青是由浙江形宝盈物资集团有限公司提供的壳牌SBS改性沥青,根据«公路工程沥青及沥青混合料试验规程»(JT E20—2011)中的试验方法,对其进行相关性能试验,试验结果见表2.

表2　壳牌SBS改性沥青

由表2可知,壳牌SBS改性沥青的各项技术指标均符合道路石油沥青的技术要求.

1.3集料与填料性质

本试验选用的集料为10～16 mm、5～10 mm的辉绿岩,3～5 mm的石灰岩以及0～3 mm的机制砂.根据«公路工程集料试验规程»(JT E42—2005)的试验方法进行了集料的相关性质试验,结果见表3、4.

表3　粗集料的技术指标

沥青路面使用的矿粉应能与沥青形成很好的胶浆,表面干燥、洁净.本试验所选矿粉的技术指标见表5.

表4　机制砂的技术指标

表5　矿粉的技术指标

1.4级配选择

密级配沥青混凝土AC作为一种传统的混合料级配,目前已被广泛地应用在公路工程中.本次研究所用的级配是悬浮密实结构的沥青混合料AC 13C,它主要用在沥青混凝土路面的上面层.在其中掺加不同量的玄武岩纤维,通过马歇尔试验来确定不同纤维掺量下的玄武岩纤维沥青混合料最佳油石比,从而得出纤维掺量与最佳沥青用量的对应关系.级配组成见表6.

表6　AC13C沥青混合料组成级配

表6　AC13C沥青混合料组成级配

筛孔/mm 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075通过百分比/% 100 90～100 65～85 38～68 24～50 15～38 10～28 7～20 5～15 4～8中值/% 100 95 76.5 53 37 26.5 19 13.5 10 6实际取值/% 100 96.6 77.0 49.6 27.0 19.0 12.9 8.6 6.8 6.4

1.5试验方案

首先对无纤维沥青混合料进行马歇尔试验,得出最佳油石比.然后将纤维作为外掺料,按一定间隔的掺量加入沥青混合料中进行马歇尔试验,～,从而确定每一纤维掺量下混合料的配合比.纤维的掺量以混合料的质量百分数计,分别以0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的掺量拌制沥青混合料进行马歇尔试验,并计算出各自掺量下的最佳油石比.为确定最佳纤维掺量,对马歇尔试验确定的不同纤维掺量下的混合料配合比进行车辙试验、低温小梁弯试验,比较不同掺量下的高低温性能表现.

2　试验结果与分析

2.1最佳油石比的确定

本文采用马歇尔试验法确定最佳油石比,试件为双面击实75次成型的标准马歇尔试件.试验按照«公路工程沥青及沥青混合料试验规程»(JTJ 052—2011)中的要求进行.由经验公式初步确定对比组沥青混合料的5个沥青用量(油石比)为35%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%,由马歇尔试验结果可确定对比组沥青混合料的最佳油石比为4.7%.同样方法,得出纤维掺量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%时沥青混合料的最佳油石比分别为4.8%、4.9%、4.9%、5.0%、5.1%、5.1%.最佳沥青用量下的马歇尔试验结果见表7.

从表7可以看出:随着纤维掺量的增加,沥青混合料的毛体积密度一直在减少;在纤维用量从0增加到0.3%再到0.6%的过程中,尽管沥青含量不断增大,但混合料的稳定度表现为先升后降,纤维用量为0.3%时最大,因此,可以初步判定0.3%为最佳掺量.

表7　最佳沥青马歇尔指标

经研究与分析,产生以上效果的原因是:由于纤维自身相对密度较小,随着用量增加,混合料密度也随之下降越多;当矿物纤维的加入量增加到0.3%时,可以使沥青混合料易于压实,与同级配无纤维沥青混合料相比密实度更高,空隙率比无纤维沥青混合料更小,稳定度逐渐增大,起到加筋的作用.随着纤维用量的进一步增大,沥青含量增大,纤维出现结团现象,导致沥青混合料的稳定度逐渐降低.

2.2高温车辙试验与结果分析

本文采用北京今谷神箭公司生产的车辙仪进行车辙试验,车辙仪传感器精度达到0.002 mm,满足试验精度要求,量程为0～30 mm,整个试验过程由系统自动控制,同时自动采集试验过程数据,并计算得到动稳定度.试验按照«公路工程沥青及沥青混合料试验规程»(JTJ 052—2011)中的要求进行.

分别对各种掺量的沥青混合料进行高温车辙试验,试验温度为60℃,集料级配为AC3C.试验结果见表8.

表8　不同掺量沥青混合料车辙试验结果

由表8可知,随着纤维用量的增加,沥青混合料的动稳定度得到了显著的提高,这说明纤维的加入对AC3C沥青混合料的高温稳定性有明显的改善作用.在掺加了0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的纤维后,混合料的动稳定度分别提高了40.8%、109.9%、84.6%、63.8%、31.4%,相对变形率降低了22.4%、67.1%、48.4%、31.6%、14.3%.混合料动稳定度随着纤维用量的增加而提高,在纤维用量达到0.3%时出现峰值;45 min、60 min位移及相对变形率随着纤维用量的增加而降低,在纤维用量达到0.3%时降到最低.这说明掺加玄武岩纤维的沥青混合料比不掺纤维的混合料在抗高温能力方面要优越很多.相对变形率代表沥青混合料在荷载作用下车辙发展的全过程,它更能反映沥青混合料在高温下的抗永久变形能力.相对变形率越小说明混合料抵抗永久变形能力越强.

经分析,产生以上情况的原因可能是:首先,加入玄武岩纤维后,沥青混合料中随机分布的玄武岩纤维网络对沥青的流动产生较大的摩阻力,从而增大了沥青胶浆的粘度;其次,纤维表面呈碱性会与沥青很好地结合,增加了结构沥青的膜厚,并处于稳定的状态,在高温情况下纤维内部的空隙将为受热膨胀的沥青提供一定的缓冲空间,减小沥青路面高温时泛油的可能性;再次,纤维在混合料中形成的空间网状结构进一步减小了混合料的塑性变形,增强了沥青混合料的高温抗剪切性能.

由车辙试验还可以得出纤维的最佳掺量,这是因为当纤维用量较低时,纤维能够充分分散于混合料中,起到加筋的作用;随着纤维用量的进一步增大,沥青含量增大,纤维出现结团现象,导致沥青混合料的高温稳定性降低.因此,掺玄武岩纤维沥青混合料的高温性能要远远优于未掺纤维的混合料.

2.3低温抗裂性试验与结果分析

试验采用由轮碾法成型的车辙板切割而成的30 mm×35 mm×250 mm棱柱体小梁试件;试验时加载跨径为200 mm;加载方式为单点加载;加载速率为50 mműmin－1;加载设备为微机控制沥青混合料低温弯曲系统,采用设备自带环境箱控温为－10℃.

分别对不同纤维掺量的沥青混合料进行低温弯曲试验,试验按照«公路工程沥青及沥青混合料试验规程»(JTJ 052—2011)中的要求进行,结果见表9.

表9　低温弯曲试验结果

由表9可知,随着纤维掺量的增加,弯拉强度、弯拉应变不断增大;当纤维含量达到0.3%时,由于沥青量增加,弯拉应变增长缓慢,但弯曲强度降低导致弯曲劲度模量降低,且当纤维掺量为0.3%时,混合料的弯拉强度和最大弯拉应变达到最大,弯曲劲度模量达到最低,此时的混合料抗低温开裂性能最好,这说明在本次试验情况下,0.3%的纤维用量是临界点,实际施工过程中纤维的掺量可考虑工程的实际需要并结合经济性综合确定.

中国规范中以小梁最大弯拉破坏应变表征沥青混合料抵抗低温开裂的能力,破坏应变越大,说明沥青混合料的低温抗裂性能越好.加入纤维后混合料的最大弯拉应变提升显著,当纤维掺量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%时,混合料的弯拉应变分别提高了12.5%、29.2%、20.1%、15.0%、10.1%.从破坏应变角度分析,纤维的加入对混合料的抗开裂性能有很大的增强作用,分析其原因如下.

(1)沥青混合料小梁试件在低温的弯曲破坏主要是由于沥青混凝土内部应力产生拉裂破坏而引起的.因此,在低温条件下,沥青混合料内部的粘结力起着十分重要的作用,随着纤维加入,多余沥青被纤维吸附,沥青劲度增大,沥青混合料内部粘结力也随之增大;当纤维掺量过多时,多余的纤维存在于沥青混合料中,颗粒之间的剪切应力下降,抗低温能力也会随之降低.

(2)玄武岩纤维的加入,对AC结构密级配沥青混合料的“桥接”和“加筋”作用较为明显,这种作用能有效地防止沥青路面裂缝的产生,增强了沥青混合料的低温抗裂性能.

(3)纤维能增加AC结构沥青混合料的柔性.试验结果表明,沥青混合料在加入玄武岩纤维后具有一定的弹性,即通过“桥接”和“加筋”作用使沥青混合料具有了较好的柔性,对颗粒间的应力具有一定的分散作用,使得沥青路面在低温环境中能更好地适应因温度降低而引起的变形,减少在低温环境中容易出现的路面裂缝,这对于改善路面低温性能具有相当重要的作用.

3　结　语

(1)由马歇尔试验、高温车辙试验和低温小梁弯曲试验可以得出,沥青混合料的马歇尔稳定度、高温稳定性和低温抗裂性随着玄武岩纤维掺量的增加先升高后降低,掺量临界值为0.3%.

(2)玄武岩矿物纤维对密级配沥青混合料AC的高温稳定性具有明显的改善效果.由试验结果可知,掺量为0.3%玄武岩纤维沥青混合料动稳定度比无纤维沥青混合料的动稳定度提高了109.9%,并且相邻两掺量之间,该掺量提高的幅度最大;相应的相对变形率也降低67.1%.

(3)在最佳玄武岩纤维含量下,玄武岩矿物纤维改善了低温抗裂能力,混合料的弯拉应变提高了29.2%.

(4)值得注意的是,随着纤维掺量的增加,沥青混合料的毛体积密度一直在减小,最佳油石比逐渐增加,空隙率在0.3%时最小,这应该对混合料的水稳定性有改善作用,由于篇幅限制,本文没有对水稳定性试验进行相关的讨论分析.

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[责任编辑:王玉玲]

Research on Road Performance of Basalt Fiber Asphalt Concrete

YAN Jiangang1,LIU Yan2,LIN Tian-fa3
(1.School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330000,Jiangxi,China; 2.Department of Road and Bridge Engineering,Jiangxi Vocational and Technical College of Communication, Nanchang 330000,Jiangxi,China;3.Jiangxi Provincial Expressway Investment roup Co.Ltd., Nanchang 330025,Jiangxi,China)

Basalt fiber was added to the asphalt mixture in order to avoid early failure and guarantee the service time of pavement.Based on the gradation of AC13C,optimum asphalt aggregate ratios for different amounts of basalt fiber were acquired by the Marshall Test.The rutting test at high temperature and cracking test at low temperature were carried out,and the results show that the optimum amount of basalt asphalt is 0.3%,and basalt asphalt can dramatically improve the road performance.

basalt asphalt;asphalt mixture;rutting test at high temperature;cracking test at low temperature

U414.1

B

1000-033X(2015)01-0053-05

2014-09-19