玻璃纖維-硫酸鈣晶須復(fù)合改性瀝青混合料路用性能

李 強(qiáng)，覃 瀟

(1.廣東華路交通科技有限公司 ，廣州 510420；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528225)

0 引言

瀝青路面是我國高速公路的主要路面鋪裝形式，具有噪聲低、行車舒適、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)勢(shì)。然而，日益增長的交通量以及交通需求，促使瀝青路面的性能要求不斷被提高，傳統(tǒng)瀝青路面已難以滿足現(xiàn)代交通的需求，各種改性瀝青路面應(yīng)運(yùn)而生。纖維瀝青混合料是一種常用的改性瀝青混合料，隨機(jī)分布的纖維能在混合料中起到支撐作用，可顯著改善瀝青混合料抵抗高、低溫變形的能力[1]。瀝青混合料中常用的增強(qiáng)纖維種類主要有聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維等，其中，玻璃纖維彈性模量高、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，已被證實(shí)其對(duì)瀝青混合料的路用性能改善效果優(yōu)良。周強(qiáng)[2]探究了不同玻璃纖維長度對(duì)SMA-13型瀝青混合料的改善效果，發(fā)現(xiàn)纖維長度對(duì)瀝青混合料的高、低溫性能和疲勞性能影響顯著，路用性能最優(yōu)對(duì)應(yīng)的纖維長度為6mm。郭慶林[3]采用半圓抗拉試驗(yàn)探究了玻璃纖維改性瀝青混合料的斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)斷裂能最高值對(duì)應(yīng)的玻璃纖維長度為12mm。劉松[4]通過探究不同玻璃纖維摻量的瀝青混合料的路用性能發(fā)現(xiàn)，高溫性能改善效果與纖維摻量呈正比。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)纖維在瀝青混合料中的增強(qiáng)、阻裂、增韌效果與纖維種類、模量、尺寸關(guān)系密切，不同種類的纖維在混合料中的作用和發(fā)揮效果及側(cè)重有所不同。硫酸鈣晶須是一種微米級(jí)纖維，具有高模量、高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨耗等特點(diǎn)，在水泥、瀝青路面領(lǐng)域均有應(yīng)用，能夠明顯改善瀝青混合料的路用性能[5-7]。

基于此，為進(jìn)一步提高瀝青混合料的路用性能，本文將玻璃纖維與硫酸鈣晶須共同摻入瀝青混合料中，通過測(cè)試改性瀝青混合料的高、低溫性能、水穩(wěn)定性及抗裂性能，量化并評(píng)價(jià)復(fù)摻纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果，為玻璃纖維-硫酸鈣晶須改性瀝青混合料的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

采用四川微玻新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的短切玻璃纖維，技術(shù)指標(biāo)見表1。硫酸鈣晶須購自河北恒光礦產(chǎn)品有限公司，技術(shù)指標(biāo)見表2，化學(xué)組成見表3。

表1 玻璃纖維技術(shù)指標(biāo)

表2 硫酸鈣晶須技術(shù)指標(biāo)

表3 硫酸鈣晶須化學(xué)組成

試驗(yàn)用的瀝青為AH-90重交通瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)測(cè)試其針入度、軟化點(diǎn)及延度，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。集料采用石灰?guī)r，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E42-2005)對(duì)其相對(duì)密度、吸水率、壓碎值及洛杉磯磨耗值等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均滿足要求。

瀝青混合料級(jí)配選擇AC-13，油石比為5.0%，玻璃纖維摻量與硫酸鈣晶須摻量根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究得到的最優(yōu)摻量確定，前者為瀝青質(zhì)量的2.0%[8-9]，后者為瀝青質(zhì)量的6.0%[10-11]。

1.2 試驗(yàn)方法

采用車轍試驗(yàn)、瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及半圓彎曲試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)復(fù)合纖維改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性及抗裂性能。其中，車轍試驗(yàn)、瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)進(jìn)行，半圓彎曲試驗(yàn)(SCB)參考AASHTO TP 105-13規(guī)范進(jìn)行。試驗(yàn)步驟：

(1)高溫車轍試驗(yàn)。制備長300mm、寬300mm、厚50mm的瀝青混合料板狀試件，待其成型12h后脫模并放置于車轍試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)溫度為60℃，碾壓車輪的輪壓為0.7MPa。

(2)低溫彎曲試驗(yàn)。制作與車轍試驗(yàn)板狀試件尺寸相同的瀝青混合料試件，成型脫模后采用切割儀將其分割為長250mm、寬30mm、厚35mm的小梁試件，之后將其置于萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，測(cè)試其低溫彎曲應(yīng)變，溫度為-10℃。

(3)浸水馬歇爾試驗(yàn)。采用擊實(shí)法成型瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，脫模后將其置于60℃的恒溫水浴箱中靜置48h，之后取出試件測(cè)試馬歇爾穩(wěn)定度，其與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度的比值即為殘留穩(wěn)定度。

(4)半圓彎曲試驗(yàn)。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型半圓彎曲的瀝青混合料試件，試件半徑為75mm，厚度為50mm，試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為0.5mm/min，加載頻率為10Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

圖1為四種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試值，其中AM代表普通瀝青混合料，G-AM代表玻璃纖維改性瀝青混合料，CSW-AM代表硫酸鈣晶須改性瀝青混合料，GC-AM代表復(fù)合改性瀝青混合料。

圖1 改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

從圖1可以看出，摻入玻璃纖維或硫酸鈣晶須均能有效提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，相較于普通瀝青混合料，G-AM及CSW-AM的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高59.04%及25.63%，主要是由于纖維在瀝青混合料中隨機(jī)分散起到了增強(qiáng)和加筋作用，同時(shí)還能增加瀝青與骨料之間的粘結(jié)性，從而提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能。還可發(fā)現(xiàn)，摻入硫酸鈣晶須對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果稍弱于摻入玻璃纖維，這是由于硫酸鈣晶須為微米級(jí)纖維，外觀為白色粉末，相較于玻璃纖維表面積更大，在拌入瀝青混合料后，硫酸鈣晶須會(huì)吸附更多的瀝青。相同的油石比下，硫酸鈣晶須改性瀝青混合料的瀝青膜更薄，因此覆蓋在混合料表面的結(jié)構(gòu)瀝青層厚度相應(yīng)減少，總體上導(dǎo)致瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所降低。摻入玻璃纖維及硫酸鈣晶須的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最高，說明兩種纖維可在瀝青混合料中起到協(xié)同作用，對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的改善效果相比于單纖維改性瀝青混合料更優(yōu)。復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較于單摻玻璃纖維瀝青混合料及單摻硫酸鈣晶須的瀝青混合料分別提高34.34%及70.01%。

2.2 低溫性能

同樣地，測(cè)試四種瀝青混合料的低溫彎曲性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 改性瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變

分析圖2數(shù)據(jù)可以看出，摻入玻璃纖維或復(fù)摻玻璃纖維、硫酸鈣晶須均能有效改善瀝青混合料的低溫彎曲性能。單摻硫酸鈣晶須的瀝青混合料與普通瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變測(cè)試結(jié)果基本相同，原因同樣主要在于硫酸鈣晶須對(duì)瀝青的吸附作用。凡濤濤[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣晶須摻量越多，瀝青混合料的低溫性能越差。復(fù)摻兩種纖維后，由于玻璃纖維與硫酸鈣晶須的材料尺度并不一致，在低溫彎拉作用下，兩種纖維可共同抵抗不同尺度的彎曲裂縫，增強(qiáng)瀝青混合料抵抗低溫變形的能力。相較于普通的瀝青混合料，復(fù)摻玻璃纖維與硫酸鈣晶須的瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變提高約15.77%。

2.3 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青路面常見的病害之一，因此優(yōu)異的水穩(wěn)定性是瀝青路面必須具備的性能之一。采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)測(cè)試了四種混合料的水穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度

分析圖3數(shù)據(jù)可知，摻入纖維后瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯提高。在瀝青混合料中，瀝青將粗細(xì)骨料粘結(jié)成整體，共同抵抗高、低溫應(yīng)力以及各種荷載-環(huán)境的作用。當(dāng)路表水分沿表面孔隙和裂縫深入瀝青混合料內(nèi)部時(shí)，在車輛荷載的作用下，水壓力不斷沖刷瀝青混合料內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面剝落，使得整體結(jié)構(gòu)松散，大大降低了瀝青路面的承載力和穩(wěn)定性。纖維加入后，一方面填充了混合料中部分的大孔隙，降低了水分進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部的可能性；另一方面摻入纖維增加了瀝青的粘度，使得瀝青與混合料之間的粘結(jié)更緊密，有利于瀝青混合料抵抗水損害[12]。單摻玻璃纖維、單摻硫酸鈣晶須以及復(fù)摻玻璃纖維、硫酸鈣晶須三種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度相較于普通瀝青混合料分別提高了6.41%、7.69%及11.54%。

2.4 抗裂性能

采用半圓彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)為斷裂能，它反映了瀝青混合料試件在外力作用下吸收能量的大小，其值越大，表明瀝青混合料的抗變形能力越大、韌性越強(qiáng)，抵抗裂縫發(fā)展的能力越強(qiáng)。斷裂能Gf按下式計(jì)算：

(1)

Alig=(r-a)t

(2)

(3)

式中:Wf為施加荷載P與位移u圍成的曲線面積，Alig為韌帶面積，r為半圓瀝青混合料試件的半徑，a為切口長度，t為試件厚度。

摻入不同纖維的瀝青混合料斷裂能的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 改性瀝青混合料的斷裂能

由圖4可見，摻入纖維能大幅提高瀝青混合料抵抗開裂和塑性變形的能力，相較于普通的瀝青混合料，單摻玻璃纖維、單摻硫酸鈣晶須的改性瀝青混合料的斷裂能提高約79.14%、83.45%。更為重要的是，復(fù)摻玻璃纖維和硫酸鈣晶須的瀝青混合料的斷裂能為627J/m2，相較于單摻纖維的瀝青混合料提高幅度更大，分別為兩種單摻纖維的瀝青混合料斷裂能的1.26倍和1.23倍，說明兩種不同尺度的纖維可以在瀝青混合料開裂時(shí)起到層次抗裂的作用，這種層次抗裂效果在既有研究中也被證實(shí)[13]。

3 結(jié)語

(1)復(fù)摻玻璃纖維及硫酸鈣晶須后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度均有明顯提高，相較于普通瀝青混合料，以上參數(shù)分別提高101.50%、15.77%、11.54%，說明復(fù)摻兩種纖維對(duì)瀝青混合料的路用性能提升效果顯著。

(2)單摻硫酸鈣晶須對(duì)瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變改善效果微弱，可能是由于硫酸鈣晶須比表面積較大，吸附的瀝青更多，因此表面附著的結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度減小而造成的。

(3)復(fù)摻玻璃纖維及硫酸鈣晶須后，混合料的抗裂性能大幅提高，其斷裂能相較于普通混凝土提高125.54%。這主要是由于玻璃纖維和硫酸鈣晶須可在混凝土起到層次抗裂的作用，還能有效遏制混凝土內(nèi)部不同尺度的裂縫開展，因此改性瀝青混合料韌性更高。