镍铁矿渣纤维对SMA-13沥青混合料高温稳定性的影响研究

2024-02-01杨宇婷詹世佐

北方交通 2024年1期

杨宇婷,詹世佐

(1.沈阳城市建设学院沈阳市 110167;2.辽宁新发展公路科技养护有限公司沈阳市 110103)

0 引言

纤维沥青混凝土是一种新型路面材料,具有优良的路用性能,在公路工程领域得到了大范围推广应用。相较于其他改性方式(如聚合物类),纤维改性沥青混凝土的显著优势是能够延缓面层结构中裂缝的扩展,同时其优良的高温性能可以减少车辆荷载作用下产生的失稳与压密型车辙,减少疲劳破坏的出现[1-2],从而有效延长沥青路面使用寿命,减少周期养护维修成本[3-4]。

目前,在公路工程沥青路面中已经得到应用的纤维有木质素纤维、矿物纤维、玻璃纤维、复合改性纤维和纳米改性纤维等[5]。矿物纤维近几年作为一种新型沥青混合料添加剂,受到了国内外相关领域的关注,其不仅具有良好的路面性能,也具有较高的抗拉强度[6],在提高混凝土结构强度及改善沥青混合料的路用性能等方面都有显著效果[7]。

国内镍铁冶炼企业产出的冶炼废渣一般经水淬处理,然后堆存或作为路基料、混凝土骨料、工程回填料等[8]。这种处理方式不仅无法充分利用废渣,不能解决镍铁冶炼渣的出路问题,而且浪费大量水资源和热能。镍铁矿渣纤维是以红土镍矿在高温冶炼过程中产生的炉渣为原料,掺配煤矸石、石灰等作为渣型调整剂,通过改变各成分配比,在1500～1600℃温度条件下,采用高速离心显热吹制技术制备出的一种无机矿物纤维[9]。与其他沥青混合料的矿物纤维改性剂相比,镍铁矿渣纤维不仅能提高沥青混合料的强度和韧性[6],而且成本低廉,废渣可以再利用,避免了尾矿渣的大量堆弃造成环境污染。同时,该材料的应用能够为实现碳达峰、碳中和目标起到积极推动作用。

文章通过马歇尔试验和车辙试验对镍铁矿渣纤维改性SMA-13沥青混合料进行高温稳定性研究,对比分析不同类型纤维改性沥青混合料路用性能的改善效果,为今后镍铁矿渣纤维推广应用提供一定的数据支撑和研究参考。

1 原材料

1.1 沥青

采用90号重交通道路沥青作为基质沥青,SBS改性剂掺量为4.5%,主要技术性能如表1所示。

表1 SBS改性沥青性能测试结果

1.2 粗集料

采用的粗集料是玄武岩,表面洁净、干燥,形状接近立方体,粗集料试验结果如表2所示。

表2 玄武岩粗集料性能测试结果

1.3 细集料

采用的细集料为石灰岩机制砂,选取时应洁净、干燥、无风化、无杂质,并有适当的颗粒级配。细集料试验结果如表3所示。

表3 细集料测试结果

1.4 矿粉

矿粉试验结果如表4所示。

表4 矿粉测试结果

1.5 纤维

镍铁矿渣纤维制备过程中,选择煤矸石及石灰作为渣型调整剂,分别对不同种类的红土镍矿进行了路用矿物纤维制备试验研究。根据前期研究成果,最终选择三种不同型号的镍铁矿渣纤维。其中:1#镍铁矿渣纤维原料配比为红土镍矿∶煤矸石∶石灰=5∶3∶2,炉渣温度1520℃;2#镍铁矿渣纤维原料配比为红土镍矿∶煤矸石∶石灰=5∶2∶3,炉渣温度1560℃;3#镍铁矿渣纤维原料配比为红土镍矿∶煤矸石∶石灰=5∶4∶1,炉渣温度1520℃。纤维外观见图1,各型号纤维技术指标见表5。

图1 不同型号镍铁矿渣纤维外观

表5 镍铁矿渣纤维的基本技术性能

木质纤维素选用山东沃尔森生产的絮状纤维,技术指标如表6所示。

表6 木质素纤维基本技术性能

2 SMA-13沥青混合料配合比设计

2.1 矿料级配

SMA-13沥青混合料配合比设计根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[10]要求,采用马歇尔体积设计方法确定。材料组成及合成级配结果如表7所示。

级配曲线如图2所示,各矿料添加比例见表8。

图2 SMA-13混合料合成级配曲线

表8 各种矿料的掺配比例

2.2 最佳油石比

根据确定的矿料级配,结合辽宁省已有工程经验,木质素纤维掺量选定为0.3%;为了对比镍铁矿渣纤维和木质素纤维对SMA-13混合料性能的改善效果,确定镍铁矿渣纤维的最优掺量,不同类型的镍铁矿渣纤维掺量取0.3%、0.4%、0.5%。

通过马歇尔试验,最终确定各组混合料最佳油石比如下,具体见表9。

表9 最佳油石比确定

3 SMA-13沥青混合料高温性能测试

3.1 试验方法

通过马歇尔试验和车辙试验对镍铁矿渣纤维改性沥青混合料进行测试,比较分析不同种类纤维改性沥青混合料高温性能的改善效果。

(1)马歇尔试验

马歇尔稳定度是马歇尔标准试件在试验时可产生破坏的最大应力,流值表征其变形情况。当马歇尔稳定度大而对应的流值较小时,表明混合料的强度较高[11]。试验针对不同镍铁矿渣纤维在不同掺量下的马歇尔试件进行检测,通过马歇尔模数(马歇尔稳定度/流值)考察纤维改性沥青混合料的高温性能。

(2)车辙试验

车辙试验是沥青混合料的一种规范检测方法,可以用来评价沥青混合料的高温性能,能够贴近真实模拟出沥青路面车辙的形成过程,试验结果与沥青路面车辙深度之间有较好的相关性。此次研究采用室内小型轮辙试验。试验所用设备如图3。

图3 试验设备

3.2 马歇尔试验结果分析

通过马歇尔试验对4种改性沥青混合料进行高温性能研究,其中木质纤维掺量为0.3%,镍铁矿渣纤维掺量分别为0.3%、0.4%、0.5%,对最佳油石比条件下得到的马歇尔模数进行对比分析,结果见图4。

图4 SMA-13沥青混合料马歇尔模数

由图4可知,3种不同类型镍铁矿渣纤维的马歇尔模数对比中,1#镍铁矿渣纤维改善效果最明显。在同种纤维、不同掺量的情况下进行对比分析可知,1#、3#镍铁矿渣纤维在掺量为0.4%时马歇尔模数相对较大,有更好的改性效果,而2#镍铁矿渣纤维在不同掺量的情况下马歇尔模数相差不大。与木质纤维改性沥青混合料相比,1#、2#纤维的改性效果优于木质纤维,3#纤维的改性效果劣于木质素纤维。综上,1#纤维在掺量为0.4%时对沥青混合料温度稳定性的提升效果最佳。

3.3 车辙动稳定度结果分析

通过车辙试验对4种纤维改性沥青混合料进行高温性能研究,木质纤维掺量为0.3%,镍铁矿渣纤维掺量分别为0.3%、0.4%、0.5%,试验结果如图5所示。

图5 SMA-13沥青混合料动稳定度

由图5可知,在沥青混合料中加入镍铁矿渣纤维后,车辙动稳定度有了明显提高,达到技术规定要求(≥5500次/mm),说明在一定程度上镍铁矿渣纤维能够提高沥青混合料的高温稳定性。

这是因为在沥青混合料中掺入镍铁矿渣纤维后,可以形成网状结构,相当于在混合料中起到加筋作用,有利于承受外部荷载,并将这些荷载分散从而降低应力集中现象,使抗车辙能力得到提高。同时可以看出,掺入1#纤维的车辙动稳定度随着纤维掺量的增加而增大,这是由于镍铁矿渣纤维具有吸附和稳定沥青的作用,可以提高沥青胶浆的劲度[12]。掺入2#和3#镍铁矿渣纤维的车辙动稳定度随着纤维掺量的增加先增大后减小,在0.4%时出现最大值,表明镍铁矿渣纤维对于SMA-13沥青混合料高温性能的改善存在最佳掺量,当纤维掺量过大时,动稳定度出现下降趋势,这主要是因为过多的纤维掺入后,在混合料内部会形成团聚现象,部分没有完全分散的纤维并不能有效提供加筋和增强作用,甚至会形成薄弱区域,降低混合料的性能[13]。

从图5可以看出,掺入1#纤维和3#纤维的沥青混合料的高温稳定性都有较大提高,掺量达到0.4%以上时略优于木质素纤维的改善效果。其中,1#纤维改性沥青混合料的稳定性最好,其稳定度随着掺量增加呈现上升趋势,2#纤维改性沥青混合料稳定性下降明显。综合比较3种纤维,掺量在0.4%时沥青混合料的高温性能最好。