纤维沥青混合料路用性能研究

纤维沥青混合料路用性能研究

1对沥青混合料的处理道路纤维不仅可以提高沥青路用的性能，而且具有简单的设计方法、低材料要求和低施工工艺的特点，在道路工程中越来越受到重视。目前,我国在纤维产品以及相应的配套设备等已经有了一整套成熟的研究成果和使用经验,路用纤维的应用已由最初的道路面层的纤维沥青混凝土到桥梁的沥青加铺层、水泥混凝土路面和机场跑道罩面等,再到各式各样的沥青混合料中,如SMA路面、薄层或超薄层的沥青混凝土、多孔性沥青混凝土(OGFC)、稀浆封层和双层防裂上铺层等。用于沥青混合料的纤维种类很多,但大多选用木质素纤维、矿物纤维或聚合物纤维,我国为此还分别颁布了《沥青路面用木质素纤维》JT/T533-2004和《沥青路面用聚合物纤维》JT/T534-2004。纤维沥青混合料的设计、施工与普通沥青混合料主要过程比较类似,但纤维沥青混合料的特殊性决定了两者还是存在差别。掺加纤维后沥青混合料的物理指标和路用性能均发生相应的改变,如果不能系统分析纤维对沥青混合料指标体系的影响,就会在纤维沥青混合料的设计和施工中无法准确把握其精髓,可能会由于那样或那样的原因而导致混合料力学性能和路用性能的降低。本文选用两种常用的路用纤维,通过室内研究分析纤维的类型、剂量对沥青混合料的物理、力学参数进行规律性研究,结合对路用性能的影响变化规律分析,以期能准确了解和把握纤维沥青混合料力学参数的特点和路用性能的本质,为纤维沥青混合料的设计、施工提供参考。2添加纤维到沥青混合料本文选用公路中常用的木质素纤维和聚合物纤维作为研究基础,木质素纤维为国产的松散装木质素纤维,聚合物纤维为国外进口的聚酯纤维。沥青混合料类型选择AC-16C型,级配见表1。沥青为克拉玛依90号A级沥青,集料选用陕西榆林的砂岩,矿粉为石灰岩磨细而成。添加纤维到沥青混合料中的方法有干拌法和湿拌法两种,本文选取拌合效果好、易于分散的干拌法。首先将烘干到预定温度的集料放入拌合锅内进行简单搅拌,接着添加需要数量的纤维进行混合、分散搅拌,最后再添加沥青和矿粉拌合均匀。3纤维对沥青路用材料的物理指标的影响分析本文以马歇尔试验为基础,依据室内试验结果,分析沥青混合料的物理指标变化规律。3.1纤维沥青混凝土与油石比的关系纤维的密度很小,在沥青混合料中大量分散,必然要占用一定的体积空间,纤维剂量越大,占用的体积越大;同时,纤维具有弹性性能,大量分散纤维在混合料中互相搭接形成“类弹性基体”,使得纤维沥青混合料不易密实,从而影响了混合料的压实性能,纤维剂量越大,这种影响越明显。沥青混合料的密度与沥青混合料试件的成型方法、成型温度以及操作方法有很大关系,也是其他物理指标的基础。图1反映的是纤维沥青混合料密度与油石比的关系,图2反映混合料在最佳油石比下的密度与纤维剂量的关系。由图1来看,纤维沥青混凝土随油石比的变化呈现抛物线型关系,与普通沥青混凝土的密度变化规律一致。依据变化的线形,在油石比较小(小于5.0%)时随着油石比的变化,不加纤维的沥青混合料密度变化速率最大,说明对沥青变化敏感,而随着纤维剂量的增加,沥青混合料密度的敏感性降低;当油石比较大(超过5.0%)时,纤维沥青混合料的密度随油石比的变化敏感性与普通沥青混合料差异较小,但是当大剂量(聚酯纤维剂量为0.5%)的纤维沥青混合料却显得相当敏感,说明纤维剂量过大,混合料的密度敏感性增强,这要求大剂量纤维的沥青路面在施工中应重视和提高施工工艺稳定性,通过降低施工质量的波动性来提高沥青路面的施工质量。由图2分析,无论是掺加木质素纤维还是掺加聚酯纤维,混合料的密度和普通沥青混合料的相比都有所减小,而且纤维剂量越大,减小幅度越大。从密度的变化规律来看,聚酯纤维的转折点在0.225%左右,而木质素纤维的转折点在0.3%左右。3.2纤维用量对复合纤维孔隙率的影响国内外研究表明,沥青混合料的多项路用性能与其孔隙率有直接关系,在沥青路面的设计和施工中混合料孔隙率是尤为关键的指标。图3是纤维沥青混合料密度与空隙率的关系图,图4反映混合料在最佳油石比下的空隙率与纤维剂量的关系。图3说明纤维沥青混合料的空隙率也与普通沥青混合料的变化规律一般,随油石比的最大空隙率减小。同等油石比条件下普通沥青混合料空隙率最小,纤维添加的剂量越高其对应的空隙率就越大。从线性变化的斜率可以看出油石比对混合料孔隙率的敏感性,由图3看出普通沥青混合料的敏感性最强,随着纤维剂量的加大,混合料空隙率随油石比变化的敏感性逐步降低。由图4可知,混合料空隙率随剂量增大而变大,但是聚酯纤维和木质素纤维明显不同,聚酯纤维的转折点在0.112%左右,而木质素纤维的转折点在0.15%左右。在纤维剂量较低(0.1%～0.2%)时,空隙率的变化规律差别较小,而当纤维剂量超过0.20%时,聚酯纤维对混合料空隙率的影响明显高于木质素纤维。依据这一点,在纤维混合料设计时,对于剂量超过0.20%应注意纤维对混合料空隙的影响幅度和大小,以免影响到混合料路用性能。3.3沥青用量的影响沥青混合料的矿料间隙率与其矿料颗粒的在混合料内部的排列有关,它一方面影响到混合料的孔隙率,另一方面也会影响到混合料的高温性能。图5是纤维沥青混合料矿料间隙率与油石比的关系图,图6是最佳油石比的沥青混合料矿料间隙率与纤维剂量的关系图。图5说明纤维沥青混合料的矿料间隙率随油石比变化有一个最小值。从变化的曲率来看,对油石比最敏感的是不加纤维的混合料。仔细分析发现,当油石比大于间隙率对应的油石比时,混合料中添加与不添加纤维,间隙率对油石比敏感程度基本一致,这是因为沥青用量偏多,沥青自身良好的润滑作用使混合料内部结构改变较小。而当油石比较小时,纤维的类型与剂量对沥青混合料间隙率的影响非常明显,这可能是因为当沥青用量偏少时,纤维的存在使沥青混合料结构状态方式一定程度的改变,而沥青用量偏大影响最敏感的是聚酯纤维,在油石比为4.0%时,剂量每增加1‰,其对应的间隙率增大0.58%;而木质素纤维每增加1‰,其对应的间隙率增大0.15%由图6可知,混合料间隙率随纤维剂量增大有一个突变点,聚酯纤维的突变点在0.35%,木质素纤维的突变点在0.3%左右。当纤维的添加量小于突变点时,沥青混合料的间隙率变化不大,当在纤维剂量超过突变点时,混合料的间隙率明显增大,原因是纤维剂量过多会影响到混合料内部剂量的排放次序和位置,进而对混合料结构产生影响,影响最大的是聚酯纤维,因为它的阻扰、桥接以及材料的相互缠结能力更强。3.4沥青混合料颗粒排列对复合滤料力学性能的影响图7是纤维沥青混合料矿料间隙率与油石比的关系图,图8是最佳油石比的沥青混合料矿料间隙率与纤维剂量的关系图。混合料饱和度的大小会影响到沥青混合料的耐久性和水稳性,与其矿料颗粒的在混合料内部的排列有关,它一方面影响到混合料的孔隙率,另一方面也会影响到混合料的高温性能。由图7发现,纤维沥青混合料的饱和度与普通沥青混合料相比偏低,说明纤维的添加影响会到混合料内部结构和孔隙率。图8显示,纤维剂量小于0.3%时,其沥青混合料在最佳油石比下的沥青饱和度和普通沥青混合料的差别不大,而剂量超过0.3%纤维沥青混合料的饱和度大大降低。4纤维对沥青路用的影响分析4.1纤维用量对混合料稳定性的影响由9发现,当油石比较小时(例如<4.5%),在相同油石比下,纤维沥青混合料的马歇尔稳定度低于普通沥青混合料,尤其高剂量(例如聚酯纤维>0.35%,木质素纤维>0.45%)纤维沥青混合料的马歇尔稳定度减小幅度较大;当油石比较大时,相同油石比下纤维沥青混合料的马歇尔稳定度高于普通沥青混合料,这说明油石比较小而纤维剂量较大时,沥青用量不够,纤维吸收不充分,无法增大集料表面裹覆的结构沥青膜的厚度,不能有效改善沥青的稳定性,因而纤维沥青混合料的马歇尔稳定度反而有所降低,而随着沥青用量的增加,纤维的改善作用得以充分发挥,混合料的稳定度也有了较大的增加。无论木质素还是聚酯纤维,纤维混合料的马歇尔稳定度曲线峰值对应的油石比均对纤维剂量最大而增大,说明要达到较好的击实效果,纤维沥青混合料比普通沥青混合料需要更大的沥青用量。图10说明,马歇尔稳定度随纤维剂量的增加有一个峰值,两者的峰值对应的剂量基本在0.2%～0.4%附近,添加过多的纤维可能会由于试件的击实效果,影响到混合料内部结构而使稳定度下降。分析图11和图12,随着纤维剂量的增加,流值逐渐增大,这可能是由于纤维的加入使沥青混合料结构韧性加大从而导致在承受马歇尔荷载时能够有较大的变形,尤其是剂量大时特征越明显。4.2纤维剂量对混合料动稳定度的影响图13反应纤维混合料的高温动稳定度与纤维剂量的关系。图14反映纤维混合料的高温动稳定度与纤维剂量的关系。由图13可知,纤维的添加可以较好地改善沥青混合料高温性能,但改善的效果因纤维种类而不同,从整体上来说,沥青混合料添加聚酯纤维有比木质素纤维效果好。纤维沥青混合料的动稳定度与纤维的剂量有一个峰值,两者比较理想的剂量均在0.2～0.4%,当纤维剂量较小时纤维沥青混合料的动稳定度和普通沥青混合料的相比增加不明显,当沥青混合料中含有一定的剂量(超过0.15%)时,就具有一定的改善效果;当纤维剂量超过合理范围(大于0.4%)时,会由于纤维胶结和桥接的影响而使混合料的成型困难、压实难度增大,从而导致动稳定度下降,而且高剂量纤维需要昂贵的经济代价,显然也是不合理的。图14反映了不同类型纤维沥青混合料的油石比与动稳定度的关系。按动稳定度值来分析,聚酯纤维的最佳油石比小于木质素纤维大概0.2%左右;从对动稳定度的敏感性分析,聚酯纤维对混合料动稳定度敏感程度要大于木质素纤维,这就要求在施工聚酯纤维沥青混合料时对施工工艺的质量要求更高,尤其是对沥青混合料的油石比控制。4.3纤维在沥青混合料中的低温性能沥青混合料在掺加纤维后可以比较好的提高沥青混合料的低温抗裂性能。图15说明,纤维对沥青混合料低温性能的改善聚酯纤维要优于木质素纤维。对于纤维沥青混合料来说,当纤维剂量较小时,沥青混合料的低温弯曲应变提高的幅度比较大,当超过一定界限,低温性能基本不变化甚至可能下降,聚酯纤维的界限是0.225%,木质素纤维是0.3%。图16说明了纤维沥青混合料的低温性能随油石比变化的规律,要想得到较好的低温性能,木质素纤维混合料的油石比要略高于聚酯纤维;从敏感性分析,聚酯纤维混合料的低温性能对油石比的变化的敏感程度低于木质素混合料,尤其是沥青用量偏多时。4.4纤维原料的掺加效果沥青混合料的水稳性采用残留稳定度和冻融劈裂试验来分析。图17和图18显示纤维混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度与纤维剂量的关系。图17和图18均说明沥青混合料中掺加纤维对水稳性的改善具有一定的效果,而且随纤维剂量的增加,改善效果存在一峰值。依据残留稳定度试验结果,掺加木质素纤维的效果要好,最佳剂量木质素纤维为0.3%,聚酯纤维为0.35%;依据冻融劈裂试验结果,掺加聚酯纤维的效果要好,最佳剂量聚酯纤维为0.225%,木质素纤维为0.4%。综上分析,纤维沥青混合料有一个合理的剂量,可以比较好的改善高温、低温以及水稳性能。结果表明,聚酯纤维的剂量以小于0.225%,木质素纤维以小于0.3%为宜。6不同纤维对混合料的影响依据本文的研究结果,可以得出以下结论:(1)沥青混合料在加入纤维后降低了密度随油石比变化的敏感性,但是当纤维剂量过大时,密度降低幅度加大但对沥青的敏感性又有所提高。(2)对纤维沥青混合料来说,混合料空隙率随剂量增大而变大,但是聚酯纤维和木质素纤维明显不同。纤维剂量越大,孔隙率的敏感性越低;相同条件下沥青混合料中纤维的剂量越大,对