纤维对浇注式沥青混合料性能的影响

2021-08-10陈华明王志祥

公路交通科技 2021年7期

陈华明，王志祥

(1.广东交科检测有限公司，广东广州 510550；2.广东华路交通科技有限公司，广东广州 510420)

0 引言

浇注式沥青混合料以高含量沥青胶浆为主要特点，具有密水性好、抗疲劳及耐久性良、变形协调性优、施工不需碾压的优势，在桥面铺装中逐渐被推广应用[1]。浇注式沥青混合料本身的组成特点决定了其高温抗永久变形能力较差，这给桥面铺装长期高质量的使用带来了隐患，在保证浇注式沥青混合料本身优良性能发挥的同时，提升其高温抗车辙性能成了国内外学者关注和研究的重点[2-3]。部分专家学者通过对混合料设计、组合结构铺装优化、生产工艺、施工工艺等方面的改进来提升浇注式沥青混合料乃至铺装层结构的抗高温变形能力，但是效果不佳[4-6]。还有学者也通过采用纤维格栅来增强浇注式沥青混合料的强度，但是施工工程较为繁琐，施工质量难于有效控制[7]，而通过在拌和过程中添加纤维的方式改善其耐久性能成为不错的选择。纤维作为一种优良的稳定剂，在增强混合料性能方面，尤其在抗裂、抗变形性能方面有独特的优势[8-9]。刘福军[10]、邱国洲等[11]、何静[12]研究了玄武岩纤维对基质及天然沥青沥青胶浆流变性能、AC及SMA沥青混凝土性能的影响。陈华鑫等[13]、张卫华[14]分析了纤维类别及掺量对热拌沥青混合料性能的影响及作用机理，并根据研究成果进行了试验路铺筑验证。本研究尝试通过工程上常用的纤维加强浇注式沥青混合料性能，以弥补其高温性能差的缺陷，为其推广应用奠定基础。

1 原材料及性能指标

1.1 沥青

采用TLA湖沥青与SBS改性沥青复配的胶结料(质量比为6∶4)，性能指标见表1。

表1 胶结料性能指标Tab.1 Performance indicators of cementitious material

1.2 矿料

采用规格为5～10 mm，3～5 mm的辉绿岩集料； 0～3 mm的石灰石机制砂和石灰石矿粉，技术指标满足规范要求。

1.3 纤维

试验采用木质素、矿物、聚酯3种性质不同的纤维(外观见图1)，技术指标见表2。

表2 不同纤维的技术指标Tab.2 Technical indicators of different fibers

图1 不同的纤维外观Fig.1 Appearance of different fibers

2 级配设计

根据规范及文献[6]，确定如表3所示的GA10级配。用油石比为7.2%%，7.4%，7.6%，7.8%，8.0%的拌制混合料(拌制方法：石料和矿粉加温到(250±5) ℃，复合改性沥青加温到180 ℃，试验拌和温度达到230 ℃，拌和时间达到45 min)，成型沥青混合料试件并分别进行230 ℃刘埃尔流动度(工作性能)、60 ℃贯入度(高温性能)及-10 ℃(低温性能)低温弯曲试验，测试结果见表4。基于均衡设计理念，综合考虑施工和易性、高温及低温指标，确定最佳油石比为7.6%。

表3 GA10合成级配Tab.3 Composite gradation of GA10

表4 混合料性能试验结果Tab.4 Performance test result of mixture

3 不同纤维对浇注式沥青混合料路用性能的影响

纤维掺量按照沥青混合料总质量的百分比计，掺量范围0%～10%，间隔2%，按照提出的拌和工艺制备混合料，成型相关试件进行试验，评价浇注式沥青混合料施工性能、路用性能、长期耐久性能。

3.1 施工和易性

浇注式沥青混合料的良好流动性是性能保障的关键。采用230 ℃刘埃尔流动度评价其施工流动性，测试结果如图2所示。刘埃尔流动度表征落锤通过一定量具有流动性的混合料所需时间，其值越小表征混合料流动性越好。

图2 不同纤维掺量的沥青混合料的流动性Fig.2 Fluidity of asphalt mixture with different fiber dosages

由图2可以看出，随纤维掺量的增加，浇注式沥青混合料的流动性呈减弱的趋势。纤维稳定浇注式沥青混合料效果不尽相同，同等纤维掺量下，掺加木质素纤维的浇注式沥青混合料的流动度最大，流动性最差；掺加聚酯纤维的浇注式沥青混合料的流动度最小，流动性最好。除掺加10%木质素纤维的刘埃尔流动度23 s外，其他掺量纤维的浇注式沥青混合料的流动度均满足规范要求(5～20 s)。纤维的参与使得浇注式沥青混合料流动性出现明显的变化，纤维吸附固定了混合料中的自由沥青使得混合料相对流动效率降低，流动性减弱。从对沥青的作用看，相同掺量的木质素纤维对沥青的吸附最多，其次是玄武岩纤维，聚酯纤维的最少。

3.2 高温稳定性

3.2.1 贯入度

贯入度指标表征了沥青混合料在高温及荷载耦合作用下的抗变形能力，其值越小，高温稳定性越好。试验在60 ℃环境下进行，结果如图3、图4所示。

图3 不同纤维掺量的沥青混合料的贯入度Fig.3 Penetrations of asphalt mixture with different fiber dosages

图4 不同纤维掺量的沥青混合料的贯入度增量Fig.4 Penetration increments of asphalt mixture with different fiber dosages

由图3、图4可以看出，随纤维掺量的增加，浇注式沥青混合料的贯入度先降低后增大，贯入度增量有相同的规律。浇注式沥青混合料中的沥青一部分存在胶浆中，确保混凝土黏结性和延展性；另一部分以自由沥青的形式存在，保证混合料良好的工作性。在未掺加纤维之前，混合料中自由沥青较多，骨料间的相对滑移较为容易，荷载与高温耦合作用下抗变形能力较弱。随纤维的增加，纤维固定吸收一定的自由沥青，使得骨料间滑动约束增大，同时纤维的加筋作用使得沥青混合料形成稳定的整体，这使得沥青混凝土的抗高温性能不断增强。但是这种增强作用不是持续增加的，当纤维掺量达到一定量时，纤维将过度吸收自由沥青，甚至有可能剥夺胶浆中的沥青，这将导致混合料整体的流动性能和黏结性能下降，即使有纤维的加筋作用也无济于事。不同的纤维都有一个最佳掺量，此时对混合料的高温性能改善作用最大，木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维的最佳掺量分别为4%，6%，8%，贯入度分别比不添加纤维时降低36.4%，42.6%，33.3%。在最佳掺量下，玄武岩纤维对浇注式沥青混合料高温性能的提升作用优于其他2种纤维，这可能是由于玄武岩纤维增强的浇注式沥青混合料的空间网状结构更加稳固，骨料间的相对滑移约束力增大，同时能够把荷载应力迅速分散，使得荷载、温度等耦合条件下沥青混合料的整体抗破损能力得到改善[14-15]。

3.2.2 车辙试验

在60 ℃温度下对纤维增强的浇注式沥青混合料进行车辙试验，结果见图5。

图5 不同纤维掺量的混合料车辙动稳定度Fig.5 Rutting dynamic stabilities of asphalt mixture with different fiber dosages

由图5可以看出，浇注式沥青混合料抗高温变形能力较差，车辙动稳定度只有457次/mm，这与其配合比组成相关[16]。浇注式沥青混合料高温性能的提升作用并不是随纤维掺量的增加持续增加，而是先增大后减小，但是在纤维掺量试验设计范围内对混合料的性能是改善的。木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维分别在最佳掺量4%，6%，8%下对混合料的抗变形能力改善作用最大，此时高温性能比不添加纤维分别提升71.8%，93.7%，44%。玄武岩纤维改善效果最为显著，一方面是因为玄武岩纤维物理柔韧性较好，抗拉伸性能较强，纤维加筋在沥青胶浆与集料之间，使得整体结构较为稳定；另一方面，该纤维吸附、释放、分散特性良好，能够将沥青的黏结作用发挥到最大，确保混合料耐久性能。而木质素纤维在拌和过程中拌和温度已经达到其熔点230 ℃，部分木质素纤维可能失效，其改善作用稍弱，需要谨慎使用。

3.3 低温小梁弯曲试验

浇注式沥青混合料不仅要有抵抗低温开裂的性能，而且要能够抵抗荷载作用下桥面板负弯矩引起的拉应力的作用，因此在-10 ℃进行小梁弯曲试验，结果见图6～图7。

图6 不同纤维掺量的沥青混合料车的极限弯拉应变Fig.6 Ultimate flexural strains of asphalt mixture with different fiber dosages

图7 不同纤维掺量的沥青混合料的抗弯拉强度Fig.7 Flexural strengths of asphalt mixture with different fiber dosages

由图6、图7可以看出，纤维稳定的浇注式沥青混合料的低温抗裂性能增强，但是不随纤维掺量的增加而持续增强。木质素纤维的最优掺量为混合料质量的4%，极限弯拉应变是3 885 με，玄武岩纤维的最优掺量为混合料质量的6%，极限弯拉应变是4 105 με，聚酯纤维的最优掺量为混合料质量的8%，极限弯拉应变是3 775 με，玄武岩纤维对提升浇注式沥青混合料的低温性能效果最佳。

3.4 水稳定性

为了研究水对浇注式沥青混合料抗水损坏性能的影响，试验准备了淡水和浓度为13%的饱和NaCl盐溶液[17-18]，分别测试其在不同水环境下的稳定性。每种混合料按照规范制备3组马歇尔试件，第1组室温下备用；第2组试件先在真空中饱水15 min后放置在淡水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的水中保温24 h；第3组试件先在真空中饱水15 min后放置在盐水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的盐水中保温24 h。将3组试件在25 ℃的水中保温2 h后分别进行劈裂试验，结果见图8及表5。

图8 不同纤维掺量的沥青混合料的冻融劈裂比Fig.8 Freeze-thaw splitting ratios of asphalt mixture with different fiber dosages

由图8和表5可知，对浇注式沥青混合料的抗劈裂性能的提升作用跟纤维的种类及掺量有较大的关系。每种纤维对混合料水稳定性的提升作用都是随掺量的增加先增大后降低，存在最佳掺量对其性能提升作用最大。聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维的最佳掺量分别为8%，6%，4%。在盐水更为苛刻的环境下，浇注式沥青混合料的劈裂强度比比在淡水添加下降低11.1%，这是盐分析出、溶胀等力学破坏造成的。无论是在淡水还是盐水环境下，纤维对浇注式沥青混合料的水稳定性改善作用表现出相同的规律，在最佳纤维掺量下改善作用由小到大依次是玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维。

表5 盐水条件相对于淡水条件冻融劈裂强度降低比Tab.5 Reduction ratio of freeze-thaw splitting strength under salt water condition compared to that under fresh water condition

3.5 疲劳性能

在上文研究的纤维最佳掺量下，基于UTM对不同纤维增强的浇注式沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验。选用600，700，800，900，1 000 με 5个应变控制水平，荷载频率为10 Hz，温度为15 ℃，试验结果见图9。

图9 不同纤维增强的沥青混合料的疲劳试验结果Fig.9 Fatigue test result of different fiber-reinforced asphalt mixtures

由图9可知，随应变水平的增加，浇注式沥青混合料的疲劳寿命呈指数函数递减趋势，并且拟合函数相关系数R2均大于0.95。在相同应变水平下，加6%玄武岩纤维的浇注式沥青混合料的疲劳寿命最长，在600 με水平下，疲劳寿命高达730万次，在800 με水平下，疲劳寿命高达100万次。而没有纤维增强的浇注式沥青混合料，在600 με水平下，疲劳寿命只有300万次，在800 με水平下，疲劳寿命高达50万次。这是因为纤维均匀分散在浇注式沥青混合料中，通过加筋作用使得整体混合料结构更加稳固，更能抵抗荷载的破坏作用，具有更好的抗疲劳开裂性能。

3.6 耐久性能

作为密水性优良的浇注式沥青混合料常被用在桥面铺装的下面层，起到防水、保护桥面板的作用，制备组合试件(上面层3.5 cmSMA13+下面层3 cmGA10)，采用南非MMLS1/3加速加载试验模拟服役期内浇注式沥青混合料的受荷状态，研究最佳掺量下纤维增强沥青混合料的耐久性能，试验水温60 ℃，轮胎接地压强0.7 MPa，加载频率30 Hz，试验结果见图10。

图10 不同纤维增强的浇注式沥青加速加载试验结果Fig.10 Accelerated loading test result of different fiber-reinforced gussasphalt

由图10可以看出，随着加载次数的增加，车辙深度逐渐增加，而增长速度逐渐减小，这符合压密变形、疲劳变形车辙2阶段的变化规律。在相同加载次数下，掺加纤维的浇注式沥青混合料的车辙变形更小，长期耐久性能更好。加6%玄武岩纤维的浇注式沥青混合料的耐久性能最优，其次是加4%木质素纤维和加8%聚酯纤维，这是因为混合料中沥青在高温、荷载作用下不断老化，纤维吸收沥青不断释放将改善混合料的耐久性能，木质素纤维虽然对沥青的吸附作用比较大，但是其拌和温度230 ℃已经达到了其熔点，拌和时间45 min，在拌和过程中难免有一些木质素纤维在高温下失效，其改善作用部分无法发挥，所以其耐久性能不如玄武岩纤维，聚酯纤维本身吸收沥青的能力较弱，在试验过程中吸附的自由沥青释放速度也快，相应的混合料的耐久性能也较差。4种沥青混合料的加载次数和车辙深度的回归方程满足y=alnx+b的指数关系(a，b为拟合参数)，拟合优度R2均大于0.99，拟合相关性良好，可以作为准确预测桥面铺装结构耐久性能的方法。