冻融对玄武岩纤维沥青混凝土的高温性能研究

2021-01-20

探索科学(学术版) 2020年9期

吉林建筑大学交通科学与工程学院吉林长春 130018

0 前言

在夏季温度较高时或渠化交通路段处,沥青路面应具有足够的高温稳定性。倘若路面材料本身具备较强的抗剪切能力,其修成的路面就能承受较高的水平力荷载而不会发生车辙病害。高温稳定性不足会减小沥青路面的服务使用年限,造成行车的不舒适,同时对路面结构的整体强度也有影响。因此提高沥青混凝土路面的高温路用性能,具有十分重要的现实意义。

玄武岩纤维作为新型环保材料,应用到沥青混凝土中,不仅对沥青混凝土的路用性能有所改善,而且对其强度的基本参数也产生影响,从微观上改善了基体的性质,弥补了高温下沥青迁移性的这一缺陷,增强了沥青混凝土在冻融循环交替作用下的抵抗外荷载破坏的能力。

1 玄武岩纤维沥青混凝土高温路用性能试验方法的确定

高温路用性能的检测试验包括直接试验(实际路面)和间接试验(室内小型车辙板和大型环道等)。本论文的高温路用性能研究,因试验经费有限,且间接试验的试验数据与实际工程应用的相关性很好,所以选用小型车辙板的动稳定试验。

混合料的级配类型选为AC-13,轮碾成型试件尺寸为30cm×30cm×5cm。1次冻融循环条件是将一组试件放入温度15℃的恒温水浴中恒温12小时,然后再放入温度-10℃恒温水浴中12小时,每组平行试件为3个。试验轮为橡胶轮且实心的,宽50mm,厚15mm,轮的直径是200mm,车辙板承受的压强是0.7MPa±0.05MPa,行走速度为42±1次/min,行程为23cm±1cm。试验温度为60℃,且试验每组试件均在恒温箱中恒温6小时以上。

2 试验结果分析

按照试验规程中动稳定度的计算公式,对试验过程中采集的数据进行计算。根据计算结果,分析不同长度的玄武岩纤维对冻融后沥青混凝土的高温路用性能的影响变化规律。本论文对5个冻融循环后的玄武岩纤维沥青混凝土和未加入玄武岩纤维的沥青混凝土各自的动稳定度和永久变形数值大小的变化趋势进行了柱状图绘制,具体结果见图1。

图1 高温性能指标随冻融循环次数变化趋势

从图1可知,沥青混凝土的高温稳定性因为玄武岩纤维的加入而得到提高,其中玄武岩纤维沥青混凝土的动稳定度最大数值大约是没有加入玄武岩纤维沥青混凝土动稳定度值的1.18倍,而永久变形数值下降程度最大为28.3%。究其原因有两个,一方面是玄武岩纤维有效加大了沥青混凝土材料的粘结力,其表征参数c,第二方面是玄武岩纤维具有传递应力的作用。

沥青混凝土中分布的玄武岩纤维丝,由于纤维丝直径以微米单位度量,故其比表面积很大,所以在几种形式的沥青中,结构沥青的比例有所增加,同时玄武岩纤维丝表面的硅烷偶联剂能强烈的与沥青进行吸附,并且不易被水置换,同沥青有很好的亲和性,这几方面都会提高沥青的粘结力,大大减小水对石料表面沥青膜的置换,故经过冻融循环后,玄武岩纤维沥青混合料的粘结力基本不会变化。

在诸多教材中,路面材料的强度判别式可以很好解释沥青混凝土在外荷载作用下发生的车辙深浅。这个判别公式左端部分是代表活动剪应力,当路面材料处于极限平衡状态,活动剪应力等于粘结力c;当路面材料处于粘弹性变形状态时,活动剪应力小于粘结力c;当路面材料将出现塑性变形时,活动剪应力大于粘结力c时。从图1中可知,加入玄武岩纤维后沥青混凝土粘结力c提高的一个定量间接证明,就是混合料永久变形的试验数值较小。

玄武岩纤维在沥青混凝土基体中的分布均匀与否,主要由纤维含量和长度的合理与否来决定。合理长度的纤维和合理的含量,能够在沥青混凝土基体中形成稳定均匀的空间加筋结构,这个稳定均匀的空间加筋结构对外荷载的有效承担,会使沥青混凝土基体的剪切应力提高。

通过沥青混合料的抗剪强度计算公式中可以知道,如果剪切应力提高,同时材料的粘结力也增大,那么在这种综合情况下,材料在外荷载作用下发生剪切破坏的概率会大大减小,在宏观路用性能表现上,就是沥青混合料的高温稳定性提高。所以玄武岩纤维沥青混凝土的高温稳定性优于没有加入玄武岩纤维的沥青混凝土的高温稳定性。

从图1中可知,在玄武岩纤维长度大于最佳长度值时,其在沥青基体中的分布均匀性相对变差,结团现象就会出现,加大沥青混凝土的内部结构的先天缺陷,所以混凝土中承受外荷载的有效骨架结构减少,对变形起到决定作用的结构沥青量也相对于最佳长度值下的减少,最后造成沥青混凝土的高温路用性能降低。在玄武岩纤维长度和掺量都是合理值时,玄武岩纤维在沥青混凝土基体中的分布是较为均匀的,所以就会形成稳定空间骨架结构,继而沥青混凝土的承载荷载能力就强,故其高温稳定性指标数值就会较大。