玄武岩纤维高黏降噪型OGFC-10超薄磨耗层性能研究

2021-12-23石宜清邵景干李文凯

河南科学 2021年11期

石宜清，邵景干，李文凯

（1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000； 2.河南交院工程技术集团有限公司，郑州 450000）

随着经济的快速发展，我国交通行业基础设施不断完善，公路里程逐渐增加，早期修建的道路在运营一定年限后逐渐出现了裂缝、坑槽、车辙、松散以及抗滑能力不足等病害，不仅严重影响行车安全，同时车辆轮胎与路面之间的噪声也随之增大，产生噪声污染，影响人们的身心健康［1-5］. 开级配排水式沥青磨耗层混合料（OGFC）被广泛应用到路面养护工程中，但此结构层设计空隙率要求为18%～25%，较大的空隙率能够吸收车辆行驶中的部分噪声，减少噪声污染，但抗水损害能力较差，雨水的长期冲刷，会降低矿料间沥青膜的厚度，降低沥青与矿料之间的黏附性；季节性冰冻区，冬季雨雪天气，会导致结构层内部长期受到冻融循环的作用，路面容易开裂；同时空隙内部容易被杂物长期堵塞，降低结构层的耐久性［6-12］. 本文通过降低空隙率及使用高黏橡胶改性沥青来改善OGFC-10混合料性能的不足，选用设计空隙率分别为10%、16%、22%进行配合比设计，通过析漏损失及肯特堡飞散试验确定OGFC-10-10%、OGFC-10-16%、OGFC-10-22%三种超薄磨耗层最佳油石比；通过高温抗车辙、抗水损害、低温抗开裂、渗水、抗滑试验评价不同空隙率的OGFC-10混合料性能差异；在层间相同SBS改性乳化沥青撒布量时，通过室内45°斜剪试验，评价不同空隙率的OGFC-10混合料与下承层间的黏结能力，为玄武岩纤维高黏降噪型OGFC-10混合料在沥青路面中的应用提供理论依据.

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

沥青种类对沥青路面性能起着关键性作用，本文选用高黏橡胶改性沥青进行配合比设计. OGFC 结构层与下承层之间黏结能力会对沥青路面的使用年限有较大影响，本文选用SBS 改性乳化沥青作为黏结层.两种沥青主要技术指标试验结果分别见表1、表2.

表1 高黏橡胶改性沥青主要技术指标试验结果Tab.1 Test results of main technical indexes of high viscosity rubber modified asphalt

表2 SBS改性乳化沥青主要技术指标试验结果Tab.2 Test results of main technical indexes of SBS modified emulsified asphalt

1.2 纤维

纤维在混合料中能够起到吸附、稳定沥青的作用，增强矿料间的黏附性，减缓沥青胶浆从孔隙中剥落.本文选用的玄武岩纤维由郑州登电集团生产，其主要技术指标试验结果见表3.

表3 玄武岩纤维主要技术指标试验结果Tab.3 Test results of main technical indexes of basalt fiber

1.3 集料

本文OGFC选用的粗骨料分别为5～10 mm、3～5 mm石灰岩碎石，细骨料为0～3 mm石灰岩机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉，粗、细骨料及填料主要技术指标试验结果均满足JTG F40—2004的规定，试验结果分别见表4、表5、表6.

表4 粗集料主要指标试验结果Tab.4 Test results of main indexes of coarse aggregate

表5 细集料主要技术指标试验结果Tab.5 Test results of main technical indexes of fine aggregate

表6 矿粉主要技术指标试验结果Tab.6 Test results of main technical indexes of mineral powder

1.4 配合比设计

本文通过降低空隙率及使用高黏橡胶改性沥青来改善OGFC-10 混合料性能的不足，选用设计空隙率分别为10%、16%、22%进行配合比设计，矿料级配设计结果见表7. 玄武岩纤维掺量为0.4%（占混合料质量），其中纤维与加热后的矿料同时装入拌和锅内干拌45 s，不同空隙率的OGFC-10 混合料析漏损失及肯特堡飞散试验结果分别见图1、图2，由析漏损失及肯特堡飞散试验结果确定OGFC-10-10%、OGFC-10-16%、OGFC-10-22%三种超薄磨耗层最佳油石比分别为6.5%、5.2%、3.5%. 不同空隙率的OGFC-10马歇尔及析漏、飞散试验结果见表8.

表7 矿料级配设计结果Tab.7 Results of aggregate gradation design

表8 马歇尔及析漏、飞散试验结果Tab.8 Results of Marshall test，leakage test and dispersion test

图1 析漏试验损失率Fig.1 Loss rate of leakage test

图2 飞散试验损失率Fig.2 Loss rate of flying test

2 路用性能

2.1 高温稳定性

高温稳定性主要反映沥青路面在高温环境下抵抗轴载塑性变形的能力［13-14］. 本文选用车辙试验来研究不同空隙率的OGFC-10 混合料高温抗车辙能力，动稳定度试验结果见图3.

由图3 可以得出，随着空隙率的增大，OGFC-10 混合料动稳定度逐渐降低，但均大于3000 次/mm. 这主要因为纤维的掺入能够起到吸附、稳定沥青的效果，使得矿料间的稳定性更强，同时三种混合料均为粗骨料相互嵌挤构成的骨架空隙结构来抵抗轴载的剪切变形，空隙率越小，最佳油石比越大，细集料越多，粗集料间的沥青胶浆越多，黏结力越强，高温抗车辙能力越好.

图3 动稳定度试验结果Fig.3 Dynamic stability test results

2.2 水稳定性

松散、坑槽等病害是沥青路面水稳定性差的主要表现形式［15-16］. 本文选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来研究不同空隙率OGFC-10混合料抗水损害能力，试验结果分别见图4、图5.

图4 浸水马歇尔残留稳定度试验结果Fig.4 Test results of immersion Marshall residue stability

图5 冻融劈裂残留比试验结果Fig.5 Test results of freeze-thaw splitting residual ratio

由图4、图5可以得出，随着空隙率的增大，OGFC-10混合料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均逐渐降低，但均分别大于85%、80%. 其主要原因是，纤维的掺入能够增强粗集料间沥青胶浆的抗剥落能力，同时空隙率越小，最佳油石比越大，矿料间的黏韧性得到增强，混合料抵抗水侵蚀及冻融劈裂作用的能力越强，抗水损害能力越强.

2.3 低温抗裂性

北方季节性冰冻区，当结构层内部形成的温缩应力大于混合料间的极限容许拉应力时，沥青路面就会出现裂缝病害［17-18］. 本文选用低温弯曲试验来研究不同空隙率OGFC-10混合料低温抗开裂能力，试验结果分别见图6、图7.

图6 抗弯拉强度试验结果Fig.6 Test results of flexural tensile strength

图7 弯曲破坏应变试验结果Fig.7 Test results of bending failure strain

由图6、图7可以得出，随着空隙率的增大，OGFC-10混合料抗弯拉强度及低温弯曲破坏应变试验结果均逐渐降低，但低温弯曲破坏应变均大于2500 με. 这主要因为纤维能够吸附、稳定沥青，混合料稳定性增强，同时空隙率小的OGFC-10混合料对应的最佳油石比较大，粗集料间被沥青胶浆填充的越充分，低温条件下矿料间黏韧性越强，低温抗开裂能力越强.

2.4 渗水及抗滑性能

排水及抗滑性能是OGFC结构层主要的技术指标［19］. 本文选用渗水及构造深度试验来研究不同空隙率OGFC-10混合料的排水及抗滑能力，渗水系数及构造深度试验结果分别见图8、图9.由图8、图9可以得出，随着空隙率的增大，OGFC-10混合料渗水系数及构造深度试验结果均逐渐增大，这主要因为，随着空隙率的增大，各筛孔矿料的通过百分率逐渐降低，混合料最佳油石比逐渐减小，矿料之间的沥青胶浆也随之减少，混合料排水及抗滑能力逐渐增强.