基于汉堡车辙试验的玄武岩纤维沥青混合料高温性能研究

2021-01-22周阳阳张哲安范容雪钟雅妮朱嘉炜

科学技术创新 2021年3期

周阳阳张哲安范容雪钟雅妮朱嘉炜

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127）

1 概述

随着国民经济的快速发展，公路交通向大流量、大轴载、渠化交通方向发展[1]，交通量和轴载组成的变化会导致现有沥青路面提早损坏。国内外相当大部分的沥青路面并未达到设计使用年限就出现了不同种类的病害，包括车辙变形和水损害等，国内外[2-3]对此类病害的原因和机理进行了大量的研究。

Matias M[4]等采用汉堡车轮跟踪装置破坏性试验分析不同沥青混凝土（AC）混合物中级配的影响，并在不同温度和不同空气含量范围内进行研究。刘志华[5]研究在AC-13C、SMA-13 沥青混合料中掺加聚酯纤维和玄武岩纤维的各项路用性能发现，在进行车辙试验时纤维的加筋作用可提升沥青混合料的高温性能，且玄武岩纤维更优。刘金凤[6]等通过分析木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维3 种纤维的不同掺量对沥青胶浆高温性能的影响，并通过与沥青混合料的车辙试验相关性分析，验证纤维沥青胶浆对混合料高温性能的影响，发现玄武岩纤维对沥青胶浆及沥青混合料的高温性能改善效果最优。国内研究学者[7-8]评价纤维沥青混合料的高温性能多采用车辙试验，但沥青路面的工作状态是在水、温度和荷载综合重复作用下进行的，汉堡车辙试验更符合路面实际服役情况，可以较好评价沥青混合料的高温抗车辙性能。

本文主要通过改变水浴温度、试验环境对是否掺加玄武岩纤维的Superpave 沥青混合料进行汉堡车辙试验，分析对沥青混合料高温性能的影响。

2 原材料与级配设计

2.1 原材料

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》、《公路工程集料试验规程》等相关规范对原材料性能进行检测。

2.1.1 SBS 改性沥青

沥青选用SBS 改性沥青（表1）。

2.1.2 粗、细集料

粗细集料选用石灰岩，要求粗细集料洁净、干燥、无风化且不含杂质（表2）。

2.1.3 矿粉

填料选用石灰岩磨细的矿粉，要求矿粉洁净、干燥，能自由流（表3）。

2.1.4 玄武岩纤维

玄武岩纤维（Basalt fiber，BF）选用江苏天龙生产的9mm 短切玄武岩纤维（表4）。

表1 SBS 改性沥青主要技术指标

表2 粗、细集料主要技术指标

表3 矿粉主要技术指标

2.2 矿料级配设计

选用Sup-20 级配沥青混合料进行配合比设计，各筛孔通过率如表5 所示，其马歇尔试验结果如表6 所示。依据前期研究[9]，纤维沥青混合料中掺的玄武岩纤维长度为9mm，掺量为0.3%或0.4%较适宜。

表4 玄武岩纤维主要技术指标

3 试验方法及分析

3.1 试验方法

本试验采用轮碾法成型320mm×260mm×40mm（长×宽×厚）的板式试件[10]，试件成型后将试件在室温下冷却48h 后脱模[11]。当水浴及空气浴加热到试验要求温度后，将板块试件放入固定容器中进行试验，延时30min 确保试件内部温度达到温度要求开始轮碾试验，车轮行驶速度52 次/min，车轮荷载0.7MPa，荷载作用次数达到20000次时停止试验[12]，分析其试验结果。

试验通过车辙深度变化曲线中剥落变形拐点（SIP）和最大车辙深度这两个指标评价沥青混合料的抗车辙变形能力。在车轮碾压持续进行的过程中，车辙深度先缓慢变化（蠕变阶段）后迅速增大（剥落阶段），最终达到试验规定停止次数，得出最大车辙深度。其中剥落变形拐点为蠕变阶段和剥落阶段曲线的切线交点。

表5 沥青混合料设计级配

表6 沥青混合料马歇尔试验指标

3.2 试验结果分析

3.2.1 水浴温度

在其它试验条件不变的情况下，选取水浴温度40℃到60℃，分析评价沥青混合料抗车辙性能，其试验结果如图1 所示。由图1 可以看出，在各水浴温度下，掺加玄武岩纤维的沥青混合料其剥落变形拐点大于未掺玄武岩纤维的沥青混合料，最大车辙深度小于未掺的，结果表明沥青混合料掺加玄武岩纤维之后抗车辙变形能力有所提高。在水浴温度升高的情况下，掺与未掺玄武岩纤维的两种沥青混合料的剥落变形拐点随温度升高减小，最大车辙深度随温度升高增大，结果表明在温度升高的情况下沥青混合料的抗车辙变形能力有所下降。是因为在水浴温度升高的情况下，沥青黏结作用被削弱，集料间的嵌挤力下降，从而使得沥青混合料的抗车辙变形能力下降。

3.2.2 试验环境

在其它试验条件不变的情况下，选取试验环境水浴和空气浴60℃，分析评价沥青混合料抗车辙性能，其试验结果如图2所示。

由图2 可以看出，有水环境下沥青混合料的抗车辙变形能力有所下降，水的加入加速了沥青路面病害的发生。这是由于在浸水条件下，沥青与集料之间的黏附性降低，降低了沥青混合料的黏结强度，从而导致沥青混合料的抗车辙变形能力有所下降。