纖維穩(wěn)定劑在排水瀝青路面中的應(yīng)用研究

王偉平

(中鐵交通投資集團(tuán)有限公司 南寧 530021)

0 引 言

近年來(lái)，纖維材料在普通瀝青混合料中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被人們所認(rèn)知，SMA路面結(jié)構(gòu)的興起也在推動(dòng)著人們更加深入地分析纖維在瀝青混合料中的作用機(jī)理[1-2].

排水性瀝青混合料的推廣受到的主要制約是耐久性，將纖維穩(wěn)定劑引入到排水性瀝青混合料中來(lái)，如果確定有可觀的改善效果并積累相應(yīng)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，則有利于排水瀝青路面使用材料的體系形成，有望彌補(bǔ)排水瀝青路面的部分缺陷，對(duì)排水瀝青路面的推廣意義重大[3-4].

由于排水性瀝青混合料級(jí)配是比SMA更“粗”的級(jí)配，也就成為更容易產(chǎn)生瀝青析漏的級(jí)配[5].所以，將纖維用在排水性瀝青混合料中，同在SMA中類似，首先起到穩(wěn)定瀝青的作用，同時(shí)，纖維在其他瀝青混合料中具有的加筋、分散、吸附瀝青、增粘等作用，在排水性瀝青混合料中是否也會(huì)有所表現(xiàn)及不同種類纖維的混合料性能如何區(qū)分還有待進(jìn)一步通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的混合料試驗(yàn)來(lái)分析驗(yàn)證[6-7].

1 排水性瀝青混合料試驗(yàn)分析

作為排水性瀝青混合料的穩(wěn)定劑，纖維本身技術(shù)性質(zhì)與瀝青混合料性能之間的關(guān)系十分密切.因此，有必要對(duì)有關(guān)纖維指標(biāo)進(jìn)行分析，以利于理解纖維在排水性瀝青混合料中的作用機(jī)理，也為纖維指標(biāo)與混合料技術(shù)性質(zhì)之間的關(guān)系研究提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8].

同時(shí)，需要特別指出的是，即便是同一種纖維，由于瀝青混合料種類的不同，其表現(xiàn)出來(lái)的作用和功能往往不同甚至可能是大相徑庭的[9].因此，纖維應(yīng)用到瀝青混合料中，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)摻加纖維所帶來(lái)的性能改進(jìn)情況.

目前，在瀝青路面工程中應(yīng)用較多的是木質(zhì)素纖維、聚合物化學(xué)纖維和礦物纖維.本次試驗(yàn)用到的木質(zhì)素纖維分別為JLS-SMA-1木質(zhì)素纖維和肯特萊木質(zhì)素纖維，用到的聚合物化學(xué)纖維有兩種，一種是DCPET聚酯纖維，一種是DOLANIT(德蘭尼特)AS聚丙烯腈綸纖維，采用的礦物纖維為加拿大福貝(Fibrox300)礦物纖維.試驗(yàn)用瀝青性能指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)用瀝青性能指標(biāo)表

文中首先對(duì)各種纖維進(jìn)行了0.3%摻量下的性能試驗(yàn)，以初步認(rèn)識(shí)纖維用在排水性瀝青混合料中的各方面作用.然后，進(jìn)行了變化纖維摻量的混合料性能對(duì)比試驗(yàn)，以進(jìn)一步確定各種纖維的合適摻量.考慮到試驗(yàn)工作量和材料代表性，對(duì)五種纖維均進(jìn)行了瀝青混合料析漏試驗(yàn)；但其他物理力學(xué)試驗(yàn)(馬歇爾試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn))只對(duì)一種木質(zhì)素纖維(JLS)、一種聚合物化學(xué)纖維(德蘭尼特聚丙烯腈纖維)和福貝礦物纖維進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).

1.1 析漏試驗(yàn)

試驗(yàn)采用科氏PG76瀝青，級(jí)配B，試驗(yàn)分為不摻纖維和纖維摻量均為0.3%(纖維質(zhì)量與摻纖維前瀝青混合料質(zhì)量的比).考慮到摻加纖維后析漏率肯定會(huì)有所減少，選取的油石比為4.5%，5%，5.5%，6%，6.5%.不摻纖維得到的油石比-析漏率關(guān)系見圖1，分別摻加五種纖維得到的油石比-析漏率關(guān)系曲線見圖2.

圖1 不摻纖維的油石比-析漏關(guān)系

由圖1可知，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)連線的趨勢(shì)變化和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)析漏率突變點(diǎn)，得到該組混合料的油石比拐點(diǎn)在4.9%.

圖2 不同纖維的油石比-析漏關(guān)系

由圖2可知：

1) 五種纖維的油石比-析漏關(guān)系圖大都存在明顯的拐點(diǎn)，因此，摻加纖維后，通過析漏試驗(yàn)找拐點(diǎn)初步確定排水性瀝青混合料最佳瀝青用量的方法仍然適用，只是同不摻加纖維的情況相比，同樣油石比下對(duì)應(yīng)的絕對(duì)析漏率有所減小.

2) 在同樣的油石比下，五種纖維的析漏率由小到大的順序?yàn)镴LS<肯特萊<德蘭尼特

1.2 馬歇爾試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)

排水性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和勁度模量均小于密級(jí)配瀝青混合料.在排水性瀝青混合料的設(shè)計(jì)中，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度均可以作為試驗(yàn)參考指標(biāo).試驗(yàn)采用級(jí)配B、科氏PG76瀝青進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度的性能驗(yàn)證.試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 不同纖維試驗(yàn)對(duì)比

由圖3可知：

1) 總體上看，使用0.3%木質(zhì)素(KJ)和有機(jī)纖維(KD)的組其馬歇爾強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度稍低于不使用纖維的組(KS)，而使用礦物纖維(KB)的組則明顯高于不使用纖維的組，特別是馬歇爾穩(wěn)定度以及浸水穩(wěn)定度，添加礦物纖維后，其絕對(duì)數(shù)值已經(jīng)同SK高粘度一組相媲美.

2) 從殘留穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)看，摻加纖維的低于不摻加纖維的；從凍融劈裂強(qiáng)度比TSR來(lái)看，聚合物化學(xué)纖維和礦物纖維的組大于不加纖維的，也大于高粘度的SK組.兩個(gè)指標(biāo)在規(guī)范里都是反映水穩(wěn)性的指標(biāo)，但是這里得到的規(guī)律卻是相反的.考慮到凍融劈裂是比浸水馬歇爾更為苛刻的水損條件，所以，可以認(rèn)為，摻聚合物化學(xué)纖維和礦物纖維可以改善排水性瀝青混合料的水穩(wěn)性.而對(duì)木質(zhì)素纖維的摻加，無(wú)論哪個(gè)指標(biāo)都顯示出其水穩(wěn)性的下降.這是因?yàn)槟举|(zhì)素纖維容易吸收水分，吸收的水分侵入到瀝青和集料作用的界面上，導(dǎo)致瀝青混合料的水損條件更趨嚴(yán)重所致.

1.3 車轍試驗(yàn)

瀝青混合料的高溫抗車轍能力主要依賴于礦料的嵌擠作用.瀝青結(jié)合料對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響主要依賴于其高溫粘度和勁度模量；這也是為什么纖維應(yīng)用在瀝青混合料中強(qiáng)調(diào)“增粘”作用的理由之一.因此，動(dòng)穩(wěn)定度的高低一是反映了排水性瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的構(gòu)成情況，即粗集料間的摩阻力；二是反映了結(jié)合料同集料間的作用情況，即粘聚力.通過車轍試驗(yàn)，摻纖維后的排水性瀝青混合料不摻相比在高溫穩(wěn)定性方面總體趨勢(shì)、動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)瀝青用量的敏感程度及不同纖維種類造成的差異如何有待研究.

用科氏PG76瀝青、級(jí)配B進(jìn)行了摻加不同纖維的車轍試驗(yàn).纖維摻量統(tǒng)一采用0.3%.瀝青由馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)得到混合料的毛體積密度后，計(jì)算得到車轍試件用料量.

同時(shí)，用SK高黏度改性瀝青、級(jí)配B做一組試件，以對(duì)比動(dòng)穩(wěn)定度的相對(duì)水平.結(jié)果見圖4.

圖4 摻加不同纖維的動(dòng)穩(wěn)定度比較

由圖4可知，同不加纖維的組相比，摻0.3%纖維的四組其動(dòng)穩(wěn)定度都稍有提高，但提高的幅度都不是很大.這是因?yàn)榕潘詾r青混合料中細(xì)料過少，空隙較大，纖維同瀝青只能裹附在顆粒較大的粗集料表面上，無(wú)法起到交錯(cuò)、搭接的加筋作用和對(duì)粗集料骨架的限制作用.考慮到試驗(yàn)誤差的影響，摻加0.3%纖維對(duì)排水性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度影響微小.

在車轍制件過程中，可以從直觀上對(duì)比摻與不摻纖維瀝青混合料的物理狀態(tài)：對(duì)普通的瀝青混合料，在油石比4.9%時(shí)已經(jīng)有明顯的“油光發(fā)亮”現(xiàn)象，從拌和鍋中鏟出的混合料基本上呈自由流動(dòng)態(tài).而對(duì)5.2%～5.4%油石比的摻纖維混合料，則色澤暗淡，粘稠性較大，鏟料時(shí)需要較大力氣才能探到拌和鍋底部.鏟出的料有時(shí)候堆積、粘聚在一起，需要用適當(dāng)外力才能將其分散開.而且，用肉眼仔細(xì)分辨，可以看到摻纖維的瀝青混合料表面有絨毛狀的根狀纖維嵌固.

2 纖維摻量的選擇

參考相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和廠家建議值，并方便對(duì)比不同纖維的物理、力學(xué)性能，以上試驗(yàn)都是在纖維摻量為0.3%的水平下進(jìn)行的.事實(shí)上，由于纖維的品種各異，其化學(xué)成分導(dǎo)致的作用方式和機(jī)理會(huì)有所差異.在對(duì)混合料性能的改善上，各種纖維有各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域.而且，即便是同種纖維，不同摻量的選擇也會(huì)影響這個(gè)問題.纖維使用量過少，起不到應(yīng)有的或加筋或增粘或阻裂等目標(biāo)作用；使用過多，則可能帶來(lái)結(jié)構(gòu)上的松散等問題，而且勢(shì)必導(dǎo)致瀝青用量增多，進(jìn)而導(dǎo)致成本的增加.成本的增加即便能夠帶來(lái)性能的一些進(jìn)一步改善，但如果不能獲得全壽命意義上的效益回報(bào)，則仍然無(wú)法在工程領(lǐng)域獲得認(rèn)可.根據(jù)前期試驗(yàn)，無(wú)論哪種組合，馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)同劈裂試驗(yàn)指標(biāo)之間的相關(guān)性很好，呈現(xiàn)的規(guī)律往往一致.因此，選取馬歇爾強(qiáng)度指標(biāo)和動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行纖維摻量對(duì)排水性瀝青混合料性能的影響試驗(yàn).

纖維的劑量選取0.2%，0.4%，0.6%三個(gè)水平，瀝青用量分別在不使用纖維時(shí)油石比的基礎(chǔ)上增加0.2%，0.4%和0.6%，即按照每0.1%的纖維能夠多吸附0.1%的瀝青來(lái)考慮.結(jié)合不摻加纖維時(shí)(即纖維摻量為0%)的性能參數(shù)，希望得到混合料性能隨不同纖維摻量的變化規(guī)律.

2.1 馬歇爾試驗(yàn)分析

分別對(duì)三種纖維進(jìn)行了不同摻量下的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn).試驗(yàn)采用級(jí)配A，瀝青為埃索SBS.結(jié)果見圖5.

圖5 不同纖維不同摻量的馬歇爾穩(wěn)定度比較

結(jié)合圖5分析三種纖維不同纖維摻量下的馬歇爾穩(wěn)定度變化規(guī)律如下.

1) 木質(zhì)素纖維的添加對(duì)馬歇爾強(qiáng)度的影響基本上是負(fù)面的.纖維摻量從0.4%增加到0.6%時(shí)，拌和出來(lái)的纖維瀝青混合料已經(jīng)看不到“油光”現(xiàn)象，幾乎呈現(xiàn)“干態(tài)”，擊實(shí)后的試件表面布滿毛發(fā)狀的松散纖維.由于過多的纖維將瀝青吸附在表面，纖維瀝青一起填充在粗集料間隙中間，使得粘結(jié)瀝青偏少，導(dǎo)致馬歇爾強(qiáng)度并沒有繼續(xù)上升，反而略有下降.木質(zhì)素纖維會(huì)降低排水性混合料水穩(wěn)性，而馬歇爾試驗(yàn)是60 ℃水浸養(yǎng)生后的強(qiáng)度試驗(yàn)，過干的狀態(tài)勢(shì)必導(dǎo)致混合料在高溫、水浸狀態(tài)下的整體性下降，馬歇爾強(qiáng)度降低.

為此，試驗(yàn)在纖維摻量為0.4%下進(jìn)行了變化瀝青用量的馬歇爾試驗(yàn).選取5.0%，5.5%，6%三個(gè)油石比，試驗(yàn)得到的馬歇爾穩(wěn)定度分別為5.32，5.50，6.24 kN.說(shuō)明瀝青用量對(duì)馬歇爾強(qiáng)度的影響是明顯的.如果適當(dāng)增加瀝青用量，摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料馬歇爾強(qiáng)度也能得到提高.但這已經(jīng)不是按照析漏試驗(yàn)規(guī)律得到的最佳瀝青用量OAC，而此處的性能橫向?qū)Ρ软毑捎迷揙AC進(jìn)行.

2) 隨著纖維摻量增加，德蘭尼特聚丙烯腈纖維對(duì)馬歇爾強(qiáng)度稍有提高，但提高的幅度不大.

3) 礦物纖維對(duì)馬歇爾強(qiáng)度的提高明顯，特別是摻量在0.2%～0.4%，增加摻量換來(lái)的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度很大.

2.2 車轍試驗(yàn)分析

分別對(duì)三種纖維進(jìn)行了不同摻量下的普通車轍試驗(yàn).試驗(yàn)采用級(jí)配A，瀝青為埃索SBS.結(jié)果見圖6.

圖6 不同纖維不同摻量的動(dòng)穩(wěn)定度比較

由圖6可知：

1) 在摻量較少時(shí)，纖維的添加對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度影響較?。浑S著摻量增大(從0.2%～0.4%)，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的提高效果急劇上升.在0.4%摻量上再提高，增加的幅度有所減緩.

2) 在0.4%摻量時(shí)，同不摻加纖維相比，礦物纖維將動(dòng)穩(wěn)定度提高了70%，德蘭尼特纖維提高了43%，JLS木質(zhì)素纖維提高了48%.

3) 由于排水性瀝青混合料的大孔隙性，纖維在其中的作用機(jī)理同在密級(jí)配中有很大區(qū)別：在密級(jí)配中，纖維同瀝青以及細(xì)集料結(jié)合成一體填充在粗集料的空隙中間，其加筋增強(qiáng)作用主要是通過與細(xì)料的搭接、交錯(cuò)作用實(shí)現(xiàn).在排水性瀝青混合料中，纖維、瀝青和少量的細(xì)料主要是裹覆在粗集料的表面，纖維的加筋作用同粗集料的嵌鎖作用相比，是很弱的；但是，由纖維分散瀝青和細(xì)料帶來(lái)的粗集料與粗集料之間接觸面面積的增大，以及增粘作用帶來(lái)的粘聚力的增大卻是可觀的，分散作用和粘聚力的增大有效阻礙了瀝青在較高溫度下的游離，從而改善混合料的高溫穩(wěn)定性.纖維用量增大時(shí)，其分散作用和粘聚力也隨之增大，因此，動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維用量增大而增大.

3 結(jié) 論

1) 從析漏試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，木質(zhì)素纖維的抗析漏效果最好.聚合物化學(xué)纖維次之，礦物纖維又次之.從對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度的改善效果來(lái)看，礦物纖維最優(yōu)，聚合物化學(xué)纖維次之，木質(zhì)素纖維又次之.

2) 馬歇爾試驗(yàn)同車轍試驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)的與纖維摻量的規(guī)律基本是一致的：纖維較低摻量時(shí)效果甚微；在0.4%摻量時(shí)強(qiáng)度和動(dòng)穩(wěn)定度均優(yōu)，再增加用量改善效果減弱.

3) 在纖維品種的橫向?qū)Ρ壬?，礦物纖維優(yōu)于聚合物化學(xué)纖維，而木質(zhì)素纖維的強(qiáng)度改善功能最弱.

4) 在纖維效果顯現(xiàn)后(0.4%摻量后)，礦物纖維的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度高出別的纖維許多.