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玻璃纤维改善砾石沥青混合料路用性能
2019年04月11日    阅读量:1271    新闻来源: 沥青路面  |  投稿

摘要:为了改善砾石沥青混合料的路用性能,以推广砾石在道路工程中的应用,选用价格低廉、增韧效果强、取材方便的玻璃纤维来改善砾石沥青混合料的黏附性,并通过冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、弯曲疲劳试验来评价玻璃纤维对砾石沥青混合料路用性能的改善作用。冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验结果表明:掺加玻璃纤维后的砾石沥青混合料的水稳定性能有明显改善,残留稳定度MS0、冻融劈裂强度比TSR都随玻璃纤维掺量的增加呈现先增大后减小的趋势,当玻璃纤维掺量为0.35%时,砾石沥青混合料水稳定性达到最佳,其中,MS0达到91.0%,TSR达到89.6%,分别比不掺加纤维的砾石沥青混合料提高了15.5%,24.3%。由0.35%纤维掺量下砾石沥青混合料的车辙试验及疲劳试验结果可知:掺加玻璃纤维后的砾石沥青混合料的高温性能和疲劳性能也有明显改善,其中,动稳定度提高46.9%;应力水平为0.5时,疲劳寿命提高了67.9%;应力水平为0.7时,疲劳寿命提高了80.9%中国沥青网sinoasphalt.com。可见,纤维掺量为0.35%时,玻璃纤维对于AC-25砾石沥青混合料的路用性能改善作用最佳,一定条件下可将玻璃纤维砾石沥青混合料应用于高速公路沥青路面下面层之中。


关键词:道路工程;改善措施;路用性能试验;砾石沥青混合料;玻璃纤维

引言

随着高速公路建设的飞速发展,优质石料日渐匮乏,环境破坏日趋严重。砾石资源丰富、价格低廉,通过适当的技术途径将砾石应用于沥青路面面层建设中,将会大大减轻石料供应压力,降低公路建设成本,减少对环境的破坏。但砾石表面光滑无棱角,且岩性呈弱酸性,与同为酸性的沥青之间黏附性较差,将其直接用于沥青混合料中则易产生较严重的水损害,导致砾石沥青混合料路用性能不足[1-2]。因此,如何改善砾石沥青混合料的黏附性,从而提高砾石沥青混合料的路用性能,已经成为亟待解决的问题。


国内外对将砾石应用于沥青路面建设已进行了不少探索,并对如何改善砾石与沥青的黏附性做了很多研究。全凯[3]等人的研究表明:砾石沥青混合料的高温稳定性严重不足,将砾石应用于沥青路面时应该掺加碎石以提高其高温稳定性;李健[4]等研究了破碎砾石沥青混合料在高等级路面面层中的路用性能,并与石灰岩、玄武岩沥青混合料进行了对比;许玲[5]研究了天然砾石在公路中的应用,发现可以将砾石应用于二级及以下公路的基层,且砾石基层沥青路面具有良好的路用性能;杨平[6]、张文刚[7]等提出了用外加剂改善砾石等酸性集料路用性能的办法;杨耀辉[8]从天然砾石骨料界面和沥青胶浆两方面考虑,分别分析了天然砾石骨料酸碱性的判定方法,研究了不同沥青胶浆的物理力学性能,在此基础上研究了砾石骨料界面与沥青胶浆的黏附强度,并提出以骨料界面与沥青胶浆的拉伸强度这一力学性能作为评价二者黏附性优劣的直接指标。


但国内的研究多为将砾石用于路基、路面垫层及水稳基层的铺筑,或者用于低等级路面面层铺筑,而对于如何改善砾石沥青混合料的路用性能,使其应用于高速公路沥青路面面层则缺乏成熟的技术支撑和理论指导[9]。本研究依托于成安渝高速公路工程,选择了造价低、取材方便、增韧效果强的玻璃纤维来改善应用于高速公路下面层的砾石沥青混合料路用性能,确定了玻璃纤维的最佳掺量,通过冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、弯曲疲劳试验评价了玻璃纤维对砾石沥青混合料路用性能的改善作用,并结合纤维-沥青黏结界面的微观结构分析了玻璃纤维改善砾石沥青混合料路用性能的作用机理[10]。最终,为如何改善砾石沥青混合料的路用性能并应用于高速公路路面提供了借鉴和指导意义。

原材料分析及配合比试验

原材料

沥青选用中海油70#A级道路石油沥青,沥青技术指标如表1所示。

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集料是依托成安渝高速公路工程项目自行加工生产的破碎砾石,规格为20~25mm,10~20mm,5~10mm,3~5mm,0~3mm,压碎值13.3%,磨耗值12.0%。矿粉选用某矿粉厂生产的矿粉,表观相对密度为2.673。


玻璃纤维与聚丙烯纤维、玄武岩纤维等路用纤维相比,具有造价低、取材方便、增韧效果强等优点。玻璃纤维的几何尺寸和表面形状对沥青混合料中的黏结性能影响较大,过粗的玻璃纤维会因刚度过大脆性增强,在交叉作用下易折断,使得耐久性变差;过细的玻璃纤维虽然柔性较大,但受热后易结团、难以分散[11]。因此,根据工程经验和以往研究得出的规律,确定玻璃纤维的规格为长6mm,直径为15μm,玻璃纤维的掺量采用0%,0.20%,0.35%,0.50%,纤维的掺量以沥青混合料总质量的质量百分率计算,玻璃纤维的技术性能指标如表2所示。

砾石微观成分分析

通过X射线能谱仪对砾石表面的微观成分进行分析,并与石灰岩、玄武岩的微观成分进行对比。砾石、石灰岩、玄武岩的元素原子百分比如表3所示。

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由表3得知,砾石分子结构的主要成分是SiO2,因此砾石岩性为酸性,砾石和同为酸性的沥青之间的黏附性较差。玄武岩中SiO2含量较少,含碳量较大,呈弱碱性,黏附性比砾石强,而石灰岩主要成分为CaCO3,硅含量极少,岩性为碱性,与沥青之间的黏附性较好。


通过对砾石微观成分分析可知,将砾石应用于高速公路下面层时,需要采取措施改善砾石沥青混合料的黏附性,使沥青混合料的路用性能满足高速公路建设的要[12] 。砾石石屑中往往含有较多的酸性粉尘,施工时应尽量减少砾石石屑的含量,或者用其他石料代替砾石石屑; 在对砾石原料加工时,尽量使其拥有较多的破碎面,可以提高砾石的物理吸附能力[13 -14] 。

试验方法与试验方案设计

试验采用的沥青混合料是依托工程下面层所用的AC-25C型砾石沥青混合料,其设计级配见表4。


(2)纤维掺配试验方法在砾石沥青混合料中添加不同掺量的玻璃纤维,以观测玻璃纤维对砾石沥青混合料最佳油石比的影响,玻璃纤维的掺量分别为 0%,0. 20%,0. 35%,0. 50%,首先确定不同纤维剂量下的最佳油石比,并测定最佳油石比下的各项马歇尔试验指标,根据试验结果分析纤维掺量与砾石沥青混合料最佳油石比及各项物理力学性能之间的关系。


(2)路用性能试验方法

砾石沥青混合料的最佳油石比确定后,按照规范要求,以不同的纤维掺量成型试件,进行浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验。以下试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20—2011。


在砾石沥青混合料水稳定性改善效果最佳时的玻璃纤维掺量下,对砾石沥青混合料进行高温性能检测。以最佳玻璃纤维掺量成型车辙试件,进行高温车辙试验[15]。同理,以满足水稳定性要求的最佳纤维掺量成型试件,选用三分点应力加载的方式,利用MTS-810多功能材料试验系统进行弯曲疲劳试验,具体试验方案见表5。

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试验结果及分析

纤维掺配试验

表6为不同玻璃纤维掺量下的马歇尔试验结果。


由表6分析可知,随着纤维掺量的增大,毛体积密度减小,孔隙率、流值、矿料间隙率逐渐增大,稳定度先增大后减小;当纤维掺量为0.35%时,沥青用量为4.2%,稳定度达到最大值。纤维砾石沥青混合料中,随着纤维掺量的不同,纤维在混合料中的有效比表面积、分散程度、对混合料的改善效果等方面均不相同,因此,沥青混合料的最佳油石比也会有相应的变化。

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水稳定性试验

图1~图2,表7~表8分别为不同纤维掺量时,试件浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验结果。

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由表 7、图 1 得知,与不掺加纤维的砾石沥青混合料相比,玻璃纤维沥青混合料的马歇尔稳定度和残留稳定度 MS 0 都显著增加。且随着纤维掺量增加,MS 值,MS 1 值,MS 0 值都先增加后降低。残留稳定度 MS 0 值随着纤维用量的增加而不断地提高,当玻璃纤维掺量为 0. 35%时 MS 0 达到峰值 91. 0%。但当纤维用量过大时,MS 0 的增幅变缓,甚至有下降的趋势,但其绝对值仍远大于基质沥青混合料。


由表 8 和图 7 分析可知,对于未经冻融的试件,加入纤维后混合料的劈裂强度 RT1 均有提高。经过冻融循环后,混合料的劈裂强度有所下降,但下降后的劈裂强度 RT2仍然是含玻璃纤维的混合料比不含纤维的混合料大。和不掺加纤维的混合料相比,掺加玻璃纤维的混合料劈裂强度比 TSR 显著增大。随着纤维用量增加,冻融前后试件的劈裂强度和劈裂强度比 TSR 都随着纤维用量的增加而先增大后降低,纤维掺量为 0. 35%时 TSR达到峰值 89. 6%。经过冻融循环后玻璃纤维砾石沥青混合料试件的劈裂强度下降幅度较大,但仍大于未掺加纤维的沥青混合料。

高温性能试验

车辙试验的结果如表9所示。

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由表9分析可得,0.35%掺量的纤维砾石沥青混合料动稳定度平均可以达到1756(次/mm),远大于规范要求的1000(次/mm),掺加玻璃纤维的砾石沥青混合料动稳定度平均值比不掺加纤维的砾石沥青混合料动稳定度提高了46.9%,玻璃纤维可以大幅度地提升砾石沥青混合料的高温稳定性。

疲劳性能试验

疲劳性能试验结果如表10所示。

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由表 10 的疲劳寿命检测结果可以得知,同等应力水平下,纤维掺配剂量为 0. 35% 的砾石沥青混合料较不掺加纤维的沥青混合料疲劳寿命得到大幅度的提高,当应力水平为0.5时,掺加玻璃纤维的混合料疲劳寿命比不掺加纤维的混合料疲劳寿命提高了67.9%,应力水平为0.7时,掺加纤维的混合料疲劳寿命比不掺加纤维的混合料疲劳寿命提高了80.9%。


通过以上试验结果得知,纤维掺配剂量为0.35%的砾石沥青混合料,无论高温稳定性、水稳定性还是疲劳性能都显著优于不加纤维的砾石沥青混合料,其路用性能大大增强。

改善机理

当玻璃纤维分散到沥青中后,玻璃纤维巨大的表面吸附了大量沥青,使沥青得到充分的浸润,形成较厚的界面,将其周围的沥青黏聚在一起,共同将集料包裹住,从而进一步增强了沥青与集料之间的吸附能力,改善了砾石沥青混合料的路用性能;而无纤维的砾石沥青混合料中的集料之间比较分散,沥青多呈游离态,没有足够的结构沥青裹附集料以增强集料之间的黏聚力[16]。玻璃纤维对砾石沥青混合料路用性能的改善作用主要有以下两种:


(1)吸附与增黏作用:玻璃纤维的比表面积极其巨大,可以吸附大量的沥青,使得集料周围的结构沥青增多,纤维沥青相与矿料相之间的界面效应增强,从而加大了沥青混合料的黏聚力与结构抵抗力,因此砾石沥青混合料在经受冻融循环后,劈裂强度下降的较为缓慢,冻融劈裂强度比TSR还可以保持在比较高的水平上,砾石沥青混合料的水稳定性大为改善。另外,结构沥青增多可以使胶浆黏性增大,使得动稳定度大幅度提高,从而提升了砾石沥青混合料的高温性能[17]。


(2)加筋与阻裂作用:玻璃纤维自身硬度大,有一定的断裂延伸率和较高的弹性模量,在砾石沥青混合料中掺加适量玻璃纤维,纤维相互桥接起到扩散荷载与约束作用,使应力分布均匀,纤维紧密搭接在一起呈三维网状结构,一定程度上黏结“捆绑”住材料的脆弱部位,可以增强混合料的抗变形能力,有效阻止裂缝产生,从而改善砾石沥青混合料的温度稳定性,增加了混合料的疲劳寿命[18]。

结论

(1)掺加玻璃纤维的砾石沥青混合料水稳定性比不掺加纤维的混合料显著增强,其中残留稳定度值MS0,冻融劈裂强度比TSR都随纤维用量的增加呈现先增大后减小的趋势。


(2)玻璃纤维添加剂量为0.35%时,残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR达到最大值,其中MS0达到91.0%,TSR达到89.6%。掺加玻璃纤维的砾石沥青混合料动稳定度平均值比不掺加纤维的砾石沥青混合料动稳定度提高了46.9%,同等应力条件下,沥青混合料的疲劳寿命也有显著提高。


(3)玻璃纤维掺配剂量为0.35%时,玻璃纤维对于AC-25砾石沥青混合料的路用性能改善作用最佳。玻璃纤维可以显著改善AC-25砾石沥青混合料的路用性能,一定条件下可将玻璃纤维砾石沥青混合料应用于高速公路沥青路面下面层之中。

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标签:道路建设沥青混凝土
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