玄武岩纤维透水沥青混合料的配合比设计

2019-07-23吴正光伏伟俐康爱红寇长江

筑路机械与施工机械化 2019年6期

王胜，吴正光，伏伟俐，肖鹏，康爱红，寇长江

（1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.滑铁卢大学路面和运输技术中心，安大略滑铁卢 N2L3G1）

0 引言

透水沥青混合料作为一种具有相互连通空隙的开级配沥青混合料，以其显著的透水性、良好的抗滑性和降低路面温度的功能在国内外得到了广泛应用。玄武岩纤维在增强沥青混合料高温稳定性、水稳定性、耐久性等方面均有显著效果。因此，研究玄武岩纤维对透水沥青混合料配合比设计指标的影响成为解决透水沥青混合料配合比设计问题的主要方案之一。Voskuilen等人通过研究认为，大空隙透水路面集料的飞散原因主要是由于沥青的黏度以及其与集料的黏附性不足，用于透水路面的改性沥青要具有较高的黏度［1］。Kimberly等研究了不同添加剂对大空隙沥青路面稳定性的影响，发现添加剂可显著提高混合料的耐磨性能，但会影响透水路面的空隙率，因此应进行充分试验，在控制空隙率的同时提高路面的耐久性［2］。肖鹏选取AC-20C级配对基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、单掺玄武岩纤维沥青混合料、高模量沥青混合料以及掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料等5种混合料进行组成设计，并对混合料的马歇尔指标进行分析，结果表明，玄武岩纤维能够进一步提高高模量沥青混合料的稳定度，降低流值［3］。

本文拟通过设计掺加4种不同长度的玄武岩纤维PAC-13透水性沥青混合料，并进行谢伦堡析漏试验和马歇尔试验，研究玄武岩纤维长度对沥青混合料配合比设计指标的影响，为玄武岩纤维在透水性沥青路面的推广应用提供理论依据。

1 材料与级配

1.1 原材料

本文采用江阴宝利生产的SBS成品改性沥青，粗细集料均为镇江玄武岩，矿粉为磨细的镇江石灰岩，沥青、集料、矿粉的主要技术指标分别如表1～4所示，均满足规范要求。选用的江苏天龙玄武岩纤维（Basalt Fiber，简称BF），其主要技术指标如表5所示。选用的HVA改性剂是由交通运输部公路科学研究院开发的，HVA改性剂掺量为沥青用量的8.7%，其基本性能参数如表6所示。

表1 SBS改性沥青的性能检测结果

表2 粗集料的主要性能指标

表3 细集料的主要性能指标

表4 矿粉的主要技术指标

表5 玄武岩纤维的技术指标

表6 HVA高黏度改性剂的基本特性

1.2 透水性沥青混合料级配

透水沥青混合料PAC-13的级配设计参照《透水沥青路面技术规程》（CJJ／T 190—2012）中所规定的矿料级配范围进行设计，目标空隙率为20%。确定的掺入玄武岩纤维PAC-13透水沥青混合料的合成级配见表7。

2 试验过程

2.1 最佳油石比的确定

为提高透水沥青混合料的抗松散能力，可以在混合料中添加纤维，纤维添加量控制在混合料质量的0.1%～0.5%，对于木质素纤维或玄武岩纤维，用量约为0.3%［4－7］。谢伦堡析漏试验是检测沥青胶结料在高温状态下从沥青混合料中析出的多余游离沥青的数量，目的在于限定沥青用量以保证沥青混合料的高温稳定性，并防止混合料在搬运、施工过程中发生沥青的滴漏、流淌现象而堵塞孔隙［8－11］。本文透水性沥青混合料的最佳油石比采用谢伦堡析漏试验来确定。根据矿料表面吸附沥青膜厚度确定初始油石比为4.5%，在初始油石比4.5%的基础上以±0.5%为变量设置7种油石比用量，对不掺入玄武岩纤维和掺入0.3%玄武岩纤维的透水沥青混合料分别进行谢伦堡析漏试验，得出不同长度的玄武岩纤维下透水沥青混合料油石比与析漏损失的关系曲线，如图1所示。

表7 PAC-13透水沥青混合料级配各筛孔通过率

由图1可见，析漏损失随油石比的增大而增大，当油石比大于拐点处的油石比时，析漏损失率骤然增大，表明沥青混合料中的自由沥青含量明显增多。因此，拐点处的油石比为最佳油石比，即不掺入玄武岩纤维和掺入长度为3、6、9、12mm的玄武岩纤维透水沥青混合料最佳油石比分别为4.6%、4.8%、4.8%、4.9%、4.95%。通过飞散试验验证，飞散损失都小于15%，满足相关要求。综上所述，掺入玄武岩纤维透水沥青混合料的最佳油石比，随着掺入玄武岩纤维长度的增加而提高。

2.2 马歇尔试验方案

玄武岩纤维的加入，会影响透水沥青混合料的稳定度和流值［12－15］。因此，对掺加不同长度玄武岩纤维的透水沥青混合料进行马歇尔试验，并与普通透水沥青混合料进行对比，进行沥青混合料的配合比设计检验［16－18］。混合料类型如表8所示。

图1 掺不同长度纤维沥青混合料的油石比与析漏损失的关系曲线

表8 沥青混合料类型

3 试验结果与分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）规定，对5组透水沥青混合料进行马歇尔试验，试验结果如图2～4所示。

3.1 玄武岩纤维对透水沥青混合料马歇尔稳定度的影响

由图2可见，5种透水沥青混合料马歇尔稳定度由大到小依次为：A5、A4、A3、A2、A1。掺入玄武岩纤维的透水沥青混合料稳定度相对普通透水沥青混合料（A1）有所提升，其中掺入6、9、12mm三种长度玄武岩纤维的透水沥青混合料稳定度提高明显。玄武岩纤维在沥青混合料中的作用与钢筋在混凝土中的作用类似，玄武岩纤维和钢筋一样都有较高的抗拉强度，其与沥青混合料之间以一定方式黏结在一起，从而提高了透水沥青混合料的力学性能，改善了透水沥青混合料的稳定度［19－20］。

图4 不同长度玄武岩纤维透水沥青混合料的空隙率与连通空隙率对比

3.2 玄武岩纤维对透水沥青混合料流值的影响

由图3可见，5种透水沥青混合料流值由大到小依次为：A1、A3、A4、A2、A5。掺入玄武岩纤维的透水沥青混合料的流值比普通透水沥青混合料的有所降低，其中掺入3mm和12mm两种长度玄武岩纤维的透水沥青混合料的流值降低明显。玄武岩纤维的加入，可以发挥桥接与加筋作用，提高沥青混合料的抗塑性变形能力，对透水沥青混合料的流值起改善作用。

3.3 玄武岩纤维对透水沥青混合料空隙率与连通空隙率的影响

透水混合料的空隙主要由封闭空隙、半连通空隙以及连通空隙组成，这3种空隙之和称为全空隙。因为连通空隙上下都贯穿，不但可以储存水，而且还可以排除路面的积水，路面结构中连通空隙越多，进入路面的水分就越容易及时地排出到路面以外，从而减少路面水损害发生。因此，对透水沥青混合料的空隙率和连通空隙率开展研究十分有意义。

由图4可见，5种透水沥青混合料的空隙率由大到小依次为A3、A4、A1、A2、A5，连通空隙率由大到小依次为A3、A4、A1、A2、A5。其中掺入3mm长度的玄武岩纤维透水沥青混合料（A2）和掺入12mm长度的玄武岩纤维透水沥青混合料（A5）的空隙率比普通透水沥青混合料（A1）稍有降低，掺入其他长度玄武岩纤维的透水沥青混合料（A3、A4）的空隙率有所提高。掺入不同长度玄武岩纤维的透水沥青混合料连通空隙率的变化与空隙率一样，掺入玄武岩纤维的透水沥青混合料（A2～A5）的连通空隙率相对普通透水沥青混合料（A1）有所降低，但差值较小。透水性沥青混合料属于一种开级配沥青混合料，其空隙率范围为18%～25%，主要由粗集料骨架间隙决定，受细集料、沥青、纤维填充的影响。试验中的集料级配不变，玄武岩纤维的长度增大，最佳油石比因此产生变化，但变化不大，纤维和沥青对粗集料骨架间隙的填充程度影响偏小，因此掺入玄武岩纤维对透水沥青混合料的空隙率影响不明显。

4 玄武岩纤维透水沥青混合料在工程中的应用

本文所研究的玄武岩纤维透水沥青混合料在2016年盐靖高速公路排水型沥青混合料罩面工程中得到应用。

盐靖高速公路全长168km，建成通车运营已十多年，沥青路面的主要病害为车辙及横向裂缝。本次应用的路段为盐靖高速公路罩面养护试验段，通过对试验路的观测，未发现明显的车辙、开裂、剥落、松散等病害情况，体现了掺玄武岩纤维的PAC-13透水沥青混合料优良的路用性能。养护工程自实施以来，路面性能保持良好，验证了玄武岩纤维在排水沥青路面工程中应用的可行性。