玄武岩纤维AC-13C沥青混合料路用性能研究

2023-10-27谭敬儒刘尊青谢海巍万曦

公路与汽运 2023年5期

谭敬儒, 刘尊青, 谢海巍, 万曦

(1.新疆农业大学交通与物流工程学院, 新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆道路工程试验检测研究中心, 新疆乌鲁木齐 830052)

掺加纤维等材料能改善沥青路面性能,提高其强度、高低温性能及抗疲劳性能[1]。常用纤维包括碳纤维、玄武岩纤维、木质素纤维及各类合成纤维。玄武岩纤维是火山岩在高温熔融后快速拉制的连续纤维,生产过程不产生有害物质,其化学组分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和CaO,其中含量较高的SiO2和Al2O3形成的紧密网络结构决定了其优异的力学性能和化学稳定性[2-3]。玄武岩纤维在沥青复合材料中以三维分散相存在,对沥青具有吸附、稳定、加筋、阻裂等作用。扫描电镜试验发现玄武岩纤维沥青胶浆中的纤维丝呈圆柱状,表面存在部分凸起、凹陷,可有效增大与沥青的接触面积;纤维间相互桥接,能避免应力集中[4]。马峰等研究了不同粉胶比、玄武岩纤维掺量和长度对沥青胶浆性能的影响[5]。邱国洲等的研究结果表明玄武岩纤维与沥青能充分黏结形成网络结构,增强混合料的整体强度和韧性,提升其高温稳定性[6]。郭振华等研究复合纤维对沥青混合料性能的影响,发现在混合料中同时加入海泡石、玄武岩纤维能显著提高其性能[7]。雷江等对比分析不同玄武岩纤维掺量对温拌再生沥青混合料性能的提升效果,结果显示玄武岩纤维掺量为0.3%时,温拌再生沥青混合料的各项路用性能明显提升,其中动稳定度提升最明显[8]。Davar A.等发现玄武岩纤维能克服硅藻土对沥青混合料低温性能的不利影响[9]。目前有关玄武岩纤维沥青复合材料路用性能及影响因素的研究成果较多,但玄武岩纤维沥青路面在干旱荒漠区复杂气候环境及不同交通荷载条件下的应用效果有待进一步考证。本文对新疆北疆地区沥青路面常用AC-13C沥青混合料进行配合比设计,通过车辙试验、冻融劈裂试验分析掺0.4%玄武岩纤维沥青混合料的路用性能,并对乌鲁木齐南山试验路路面破损、抗滑、抗渗性能进行检测,评价玄武岩纤维沥青路面的使用性能,为玄武岩纤维沥青混合料在干旱荒漠区的应用提供指导。

1 原材料性能

1.1 沥青

采用新疆克拉玛依90#基质沥青,该沥青在低温状态下的黏滞性较好,适用于新疆水稳及冻稳区、低温抗裂区沥青路面表面各层。其技术指标检测结果见表1。

表1 基质沥青的技术指标

1.2 集料及矿粉

粗集料采用无污染的破碎砾石,细集料采用洁净、无杂质的水洗砂,砂粉由石灰石磨细得到。集料及矿粉的技术性能检测结果见表2～4,均满足规范要求。

表2 粗集料的技术指标

表3 细集料的技术指标

表4 矿粉的技术指标

1.3 玄武岩纤维

采用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的6 mm短切玄武岩纤维,其物理、力学指标见表5,其弹性模量、抗拉强度具有明显优势。

表5 玄武岩纤维的性能指标

2 沥青混合料配合比设计

2.1 矿料级配组成

采用AC-13C型级配,关键筛孔为2.36 mm,集料通过关键筛孔的百分率为25.6%。矿料级配组成见表6、图1。

图1 AC-13C沥青混合料的级配曲线

表6 AC-13C沥青混合料的级配

2.2 最佳沥青用量

采用马歇尔设计方法确定AC-13C沥青混合料的最佳沥青用量。成型马歇尔试件,测定其空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积参数,记录试件受压直至破坏时的最大荷载和垂直变形,计算马歇尔稳定度与流值(分别表征沥青混合料抵抗挤压变形的能力、抵抗逐步沉降变形的能力)。结合实践经验,初定油石比为4.9%。以预估油石比为中值、0.3%为间隔进行油石比调整,对不同油石比下AC-13C沥青混合料进行马歇尔试验,试验结果见表7。

表7 AC-13C沥青混合料马歇尔试验结果

以油石比、马歇尔试验指标分别为横、纵坐标绘制散点图,对图中各点进行三次多项式拟合,得到马歇尔物理、力学指标与油石比的关系(见图2)。计算得最大稳定度为5.039%、最大密度为4.884%、目标空隙率为4.811%、饱和度中值对应的油石比为4.660%,最佳沥青用量初始值DOAC1=(5.039%+4.884%+4.811%+4.660%)/4=4.848%。

图2 AC—13C沥青混合料马歇尔试验结果的拟合曲线

规范要求目标空隙率为3%～6%,矿料间隙率不小于14.5%,沥青饱和度为65%～75%,稳定度不小于8 kN。确定马歇尔各项指标符合规范要求的沥青用量区域,结合图3,得到沥青用量最小值DOACmin=4.516%,最大值DOACmax=5.278%,DOAC2=(4.516%+5.278%)/2=4.897%。

图3 DOAC2沥青用量范围

综上所述,最佳沥青用量DOAC=(4.848%+4.897%)/2=4.872%。

3 玄武岩纤维沥青混合料的路用性能

文献[10]的研究结果表明,综合考虑各项路用性能,AC-13C沥青混合料的玄武岩纤维最佳掺量在0.4%左右。据此采用0.4%玄武岩纤维掺量进行沥青混合料路用性能试验研究。

3.1 高温稳定性

沥青混合料作为一种黏弹性材料,在高温及交通荷载持续作用下沥青路面易产生车辙等永久变形。通过车辙试验研究玄武岩纤维沥青混合料的高温性能,采用轮碾法成型试件,试验温度为60 ℃,轮载质量为700 N,接地压强为0.7 MPa。试验前,将试件置于60 ℃恒温箱中保温5～8 h。试验轮行走与试件碾压方向一致,速度为(42±1) 次/min,行走距离为(230±10 ) mm。每组试验制作A、B、C 3个平行试件。车辙试验结果见表8。

表8 玄武岩纤维沥青混合料车辙试验结果

由表8可知:两种沥青混合料的动稳定度均符合规范要求。掺入玄武岩纤维后沥青混合料的动稳定度增大,是普通沥青混合料的2.7倍,玄武岩纤维能显著提升沥青混合料的高温稳定性。玄武岩纤维能吸附沥青中的轻质组分,沥青质相对增多,从而使沥青膜处于稳定状态,混合料流动能力下降;玄武岩纤维在沥青混合料中均匀分散,纤维间相互搭接形成三维网状结构,能抑制矿料间的相对滑移,增强混合料的高温抗车辙能力[11]。

3.2 水稳定性

水损坏是沥青路面早期破坏的主要形式之一,取决于沥青混合料的水稳定性。通过冻融劈裂试验测试玄武岩纤维沥青混合料的劈裂抗拉强度比(表征沥青混合料强度对水作用的敏感性)评价其水稳定性。采用击实法双面击实50次成型两组圆柱体试件,试件尺寸为直径(101.6±0.25) mm、高度(63.5±1.3) mm,试验温度为25 ℃。试验结果见表9。

表9 玄武岩纤维沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表9可知:1) 掺入玄武岩纤维后,沥青混合料的冻融劈裂强度比为80.1%,与普通沥青混合料相比略有增加,玄武岩纤维的加入能改善沥青混合料的水稳定性,降低其对水作用的敏感性。由于玄武岩纤维对沥青的吸附性较好,集料表面的结构沥青相对增加,沥青与集料之间的界面强度增强;同时玄武岩纤维能起到加筋作用,降低材料在水分反复冻融过程中的损伤程度,从而抑制微裂纹的产生[12]。2) 玄武岩纤维沥青混合料的劈裂抗拉强度比普通沥青混合料略有降低。结合文献[13]的研究结果,在相同击实条件下,纤维沥青混合料的空隙率比普通混合料大,水分在冻融循环时产生更大的冻胀应力,混合料的整体强度降低;玄武岩纤维的加入使沥青混合料最佳沥青用量提升,由于玄武岩纤维吸附部分游离沥青,集料间的黏附作用略有降低。综上,调整沥青用量、减小混合料内部空隙能提升玄武岩纤维沥青混合料的劈裂抗拉强度。

4 工程应用

4.1 工程概况

为了解玄武岩纤维沥青混合料在新疆北疆地区的适用性,在乌鲁木齐南山分别铺筑玄武岩纤维沥青试验路和普通沥青试验路。玄武岩纤维沥青路面结构为3 cm AC-13C玄武岩纤维沥青混合料+22 cm水泥稳定碎石,试验路状况见图4。运行一段时间后,对试验路路面破损、抗滑及抗渗性能进行检测,分析玄武岩纤维沥青混合料的路用性能。

图4 玄武岩纤维沥青试验路状况

4.2 路面破损状况

采用人工调查法对试验路破损状况进行检测,记录病害类型及损坏程度,结果见表10。调查发现,试验路现有病害均为横向贯通裂缝,不同路段裂缝均有分布。由表10可知:玄武岩纤维沥青试验路路面损坏状况指数均值为92.8,评定为优,优于普通沥青路面。

表10 试验路路面损坏状况评定结果

考虑到采用路面损坏状况指数评价试验路裂缝病害不够直观,采用裂缝率对不同沥青路面裂缝情况进行评价,不同路段裂缝率见图 5。由图5可知:玄武岩纤维沥青路面的裂缝率小于普通沥青路面,为普通沥青路面的81%。试验路位于北疆地区,该地区年、日温差较大,沥青路面易产生温度收缩裂缝。玄武岩纤维的加入,在沥青混合料中起到桥接、加筋作用,能有效分散混合料内部集中应力,使整体受力更均匀,能延缓微裂缝的产生及进一步扩展。