復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能研究

肖青戰(zhàn) , 張 超

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000）

環(huán)氧瀝青混合料最早應(yīng)用在美國(guó)的San Mateo－Hayward大橋中，在該大橋中用作橋面鋪裝材料，自此之后，環(huán)氧瀝青混凝土由于其強(qiáng)度高、應(yīng)用耐久等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，并且在加拿大、澳大利亞等國(guó)家得到了大量的應(yīng)用[1-3]。我國(guó)的南京長(zhǎng)江二橋修建時(shí)應(yīng)用規(guī)模也較大，應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期，但是隨著應(yīng)用的普及發(fā)現(xiàn)環(huán)氧瀝青混凝土在應(yīng)用中存在固化后較脆、易開裂等問(wèn)題[4-5]。目前大多數(shù)研究側(cè)重于環(huán)氧瀝青混合料的抗裂性，錢振東等[6]研究表明將橡膠粉摻加在環(huán)氧瀝青混合料中可以提高環(huán)氧瀝青混合料的低溫變形能力和抗裂性能。汪林等研究結(jié)果表明[7]，在環(huán)氧瀝青混合料中摻入纖維可以提高混合料的抗疲勞性能和抗裂性能。

本文對(duì)不同復(fù)摻纖維摻量（1%、2%、3%、4%）的改性環(huán)氧瀝青進(jìn)行了黏度試驗(yàn)和BBR試驗(yàn)，并對(duì)其混合料進(jìn)行了低溫彎曲試驗(yàn)和三分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)，推薦了改性環(huán)氧瀝青混合料的最佳復(fù)摻纖維摻量，以期為復(fù)摻纖維改性環(huán)氧瀝青混合料應(yīng)用于路面工程提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法選擇

1.1 環(huán)氧瀝青及礦料

采用某公司生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)環(huán)氧瀝青，環(huán)氧瀝青包含組分A環(huán)氧樹脂、組分B石油瀝青及固化劑生成的均勻的勻質(zhì)合成物，礦料要求干燥、不含風(fēng)化顆粒，本研究中的礦料選擇玄武巖，并且根據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)全部符合要求?；旌狭系牡V料級(jí)配件見表1，采用馬歇爾試驗(yàn)確定油石比6.5%。

表1 礦料級(jí)配Table 1 Mineral aggregate gradation

1.2 纖維

纖維具有橋接和加筋的作用，并且還可以適應(yīng)環(huán)氧瀝青混凝土在應(yīng)用中的變形特性。聚酯纖維一般應(yīng)用在混凝土面層路石的修補(bǔ)中，可以改善環(huán)氧瀝青混凝土的柔韌性能，本研究中選擇的纖維為聚酯纖維和聚丙烯纖維，兩種纖維的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 兩種纖維的技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of two kinds of fibers

1.3 配合比及試件制作

纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土中，聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的體積總摻率為1%、2%、3%、4%，兩種纖維體積摻率比為1∶1，具體配合比見表3。

表3 試驗(yàn)用配合比%Table 3 Test mix proportion%

在預(yù)熱好的攪拌鍋中倒入稱重好的粗集料和細(xì)集料，聚酯纖維和聚丙烯纖維根據(jù)摻入比例加入，加入之后干拌60s，使其混合均勻；再加入一定質(zhì)量的環(huán)氧瀝青進(jìn)行拌合，拌合時(shí)間為90s使其充分混合均勻；最后根據(jù)摻入比例加入稱重好的礦粉，拌合90s之后獲得纖維環(huán)氧瀝青混凝土，整個(gè)拌合過(guò)程為恒溫控制，控制溫度為140℃，出料溫度為145℃。利用該混合料制成馬歇爾試件或車轍板，試件成型之后在140℃的烘箱中進(jìn)行固化，固化時(shí)間為5h，之后冷卻至室溫放置24h之后開展相關(guān)的路用性能研究。

1.4 試驗(yàn)方法

為了比較不同復(fù)摻聚酯纖維的環(huán)氧瀝青混凝土的路用性能差異，選擇低溫抗裂性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行分析。

1.4.1 低溫抗裂性試驗(yàn)方法

低溫抗裂性能不足對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土使用壽命具有一定的影響，因此，通過(guò)低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)試件的低溫抗裂性能進(jìn)行分析。從車轍板上切割尺寸為250mm×30mm×35mm的小梁試件，參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的彎曲試驗(yàn)相關(guān)流程，試驗(yàn)前試件在-10℃的恒溫箱中放置最少4h，采用單點(diǎn)加載方式以50mm·min-1的速率進(jìn)行加載，記錄破壞載荷和破壞應(yīng)變，利用破壞應(yīng)變指標(biāo)對(duì)復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4.2 疲勞試驗(yàn)方法

從車轍板上進(jìn)行小梁試件切割，切割尺寸為250mm×40mm×40mm，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行中采用LDMT-25的控制應(yīng)力模式、半正弦波、三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行加載控制，試驗(yàn)溫度為15℃，應(yīng)力比為0.3，加載頻率為10Hz，加載速率為50mm/min，試件兩個(gè)支點(diǎn)之間的有效跨徑為250mm，根據(jù)彎曲極限荷載與應(yīng)力比確定荷載水平，得到疲勞作用次數(shù)用以表征復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土的抗疲勞性能。

1.4.3 車轍試驗(yàn)

采用輪碾法制作車轍試件，車轍試件的尺寸為300mm×300mm×50mm，車轍試驗(yàn)進(jìn)行中溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，利用動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)高溫穩(wěn)定性進(jìn)行表征。根據(jù)JTG E20-2011進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4.4 馬歇爾試驗(yàn)

試件采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法制作，馬歇爾試驗(yàn)瀝青混合料的制作方法根據(jù)JTGE20-2011中的流程，試件分成2組，一組高溫固化之后在60℃水浴中浸泡0.5h對(duì)試件的穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試；一組高溫固化之后在60℃水浴中浸泡48h對(duì)試件的穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試。

2 復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土路用性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1 低溫抗裂性

復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果見表4，當(dāng)聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的復(fù)摻量為1%時(shí)，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B抗彎拉強(qiáng)度比未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A增大了8.5%、最大彎拉應(yīng)變?cè)龃罅?.0%；纖維復(fù)摻量為3%時(shí)，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土D的抗彎拉強(qiáng)度最大、彎拉應(yīng)變最大，由此可知，聚酯纖維和聚丙烯纖維對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性具有改善作用，改善最佳的纖維復(fù)摻比為3%，這主要是因?yàn)楫?dāng)纖維的摻量不大時(shí)，聚酯纖維在環(huán)氧瀝青混合料中呈現(xiàn)出均勻分散的狀態(tài)，通過(guò)纖維的縱橫交錯(cuò)作用提高了環(huán)氧瀝青混合料的整體強(qiáng)度，而隨著纖維摻量的不斷提高，混凝土的低溫抗裂性能進(jìn)一步提高，彎曲勁度模量也不斷下降，當(dāng)含量為3%時(shí)對(duì)于環(huán)氧瀝青混凝土的改性作用最佳，當(dāng)纖維含量超過(guò)3%時(shí)，部分纖維在環(huán)氧瀝青混凝土中存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，不能均勻分散，纖維結(jié)團(tuán)導(dǎo)致薄弱界面，界面易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象從而降低環(huán)氧瀝青混凝土的強(qiáng)度。

表4 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Low temperature bending test results of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

隨著聚酯纖維和聚丙烯纖維摻量的不斷提高，纖維摻量由0%增加到4%時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的疲勞對(duì)數(shù)擬合結(jié)果如圖1所示，當(dāng)復(fù)摻纖維量為3%時(shí)，擬合曲線的K值最大，K值越大說(shuō)明疲勞曲線的線位越高，代表著環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命越大，四種復(fù)摻纖維的環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命B、C、D、E高于未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A。由此可知，摻入聚酯纖維和聚丙烯纖維之后可以明顯改善環(huán)氧瀝青混合料的抗疲勞性能，未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A疲勞壽命短并且對(duì)應(yīng)力變化比較敏感，分析原因主要如下：一是，環(huán)氧瀝青混合料中可能存在內(nèi)部缺陷，在進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中應(yīng)變的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生微裂縫。在載荷的重復(fù)作用下，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，最終破壞環(huán)氧瀝青混合料的結(jié)構(gòu)。二是，混合料中復(fù)摻纖維之后，由于纖維的分散作用在環(huán)氧瀝青混合料內(nèi)部的裂紋和孔隙中形成橋架纖維，對(duì)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大起到約束的作用，從而提高環(huán)氧瀝青混合料的裂紋自愈能力，提高混合料的疲勞壽命。三是，聚酯纖維和聚丙烯纖維的比表面積較大，直徑較小只有幾微米，與瀝青充分接觸，提高了瀝青的混合性能，最終提高瀝青混合料的抗疲勞壽命。

圖1 纖維改性環(huán)氧瀝青混合料疲勞曲線雙對(duì)數(shù)擬合結(jié)果Fig.1 Double logarithmic fitting results of fatigue curve of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.3 國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)結(jié)果

利用國(guó)產(chǎn)車轍儀對(duì)復(fù)摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E與未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of domestic rutting test

根據(jù)表5可知，與未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A相比，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E變形幅度較小，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土D基本無(wú)變形；纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A，復(fù)摻纖維為3%時(shí)，環(huán)氧瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性最好，這主要是因?yàn)槔w維的加筋橋接作用使整個(gè)環(huán)氧瀝青混凝土體系更加穩(wěn)定，提高了整個(gè)環(huán)氧瀝青混凝土體系的抗變形能力。

2.4 浸水馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)表6的數(shù)據(jù)可知，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E的殘留穩(wěn)定度要高于未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A，這是因?yàn)樵黾永w維之后，兩種纖維的吸油作用會(huì)提高混合料的油石比，纖維與環(huán)氧瀝青作用之后形成結(jié)合力比較強(qiáng)的“結(jié)構(gòu)瀝青”界面層，利于纖維與環(huán)氧瀝青固結(jié)為一體，從而提高水穩(wěn)定性能。

表6 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of immersion Marshall test

3 結(jié)論

（1）聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的復(fù)摻量為1%時(shí)，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B抗彎拉強(qiáng)度比未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A增大了8.5%、最大彎拉應(yīng)變?cè)龃罅?.0%；聚酯纖維和聚丙烯纖維對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性具有改善作用，改善最佳的纖維復(fù)摻比為3%。

（2）四種復(fù)摻纖維的環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命B、C、D、E高于未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A，聚酯纖維和聚丙烯纖維復(fù)摻量為3%時(shí)環(huán)氧瀝青混合料的疲勞壽命最好。

（3）與未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A相比，纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E變形幅度較小，纖維復(fù)摻3%環(huán)氧瀝青混凝土基本無(wú)變形。

（4）纖維復(fù)摻環(huán)氧瀝青混凝土B、C、D、E的殘留穩(wěn)定度要高于未摻纖維環(huán)氧瀝青混凝土A。