玄武巖纖維高黏降噪型OGFC-10超薄磨耗層性能研究

石宜清， 邵景干， 李文凱

（1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450000； 2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，鄭州 450000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)交通行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，公路里程逐漸增加，早期修建的道路在運(yùn)營(yíng)一定年限后逐漸出現(xiàn)了裂縫、坑槽、車轍、松散以及抗滑能力不足等病害，不僅嚴(yán)重影響行車安全，同時(shí)車輛輪胎與路面之間的噪聲也隨之增大，產(chǎn)生噪聲污染，影響人們的身心健康［1-5］. 開級(jí)配排水式瀝青磨耗層混合料（OGFC）被廣泛應(yīng)用到路面養(yǎng)護(hù)工程中，但此結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)空隙率要求為18%～25%，較大的空隙率能夠吸收車輛行駛中的部分噪聲，減少噪聲污染，但抗水損害能力較差，雨水的長(zhǎng)期沖刷，會(huì)降低礦料間瀝青膜的厚度，降低瀝青與礦料之間的黏附性；季節(jié)性冰凍區(qū)，冬季雨雪天氣，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層內(nèi)部長(zhǎng)期受到凍融循環(huán)的作用，路面容易開裂；同時(shí)空隙內(nèi)部容易被雜物長(zhǎng)期堵塞，降低結(jié)構(gòu)層的耐久性［6-12］. 本文通過降低空隙率及使用高黏橡膠改性瀝青來改善OGFC-10混合料性能的不足，選用設(shè)計(jì)空隙率分別為10%、16%、22%進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過析漏損失及肯特堡飛散試驗(yàn)確定OGFC-10-10%、OGFC-10-16%、OGFC-10-22%三種超薄磨耗層最佳油石比；通過高溫抗車轍、抗水損害、低溫抗開裂、滲水、抗滑試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同空隙率的OGFC-10混合料性能差異；在層間相同SBS改性乳化瀝青撒布量時(shí)，通過室內(nèi)45°斜剪試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同空隙率的OGFC-10混合料與下承層間的黏結(jié)能力，為玄武巖纖維高黏降噪型OGFC-10混合料在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

瀝青種類對(duì)瀝青路面性能起著關(guān)鍵性作用，本文選用高黏橡膠改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì). OGFC 結(jié)構(gòu)層與下承層之間黏結(jié)能力會(huì)對(duì)瀝青路面的使用年限有較大影響，本文選用SBS 改性乳化瀝青作為黏結(jié)層.兩種瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2.

表1 高黏橡膠改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of main technical indexes of high viscosity rubber modified asphalt

表2 SBS改性乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of main technical indexes of SBS modified emulsified asphalt

1.2 纖維

纖維在混合料中能夠起到吸附、穩(wěn)定瀝青的作用，增強(qiáng)礦料間的黏附性，減緩瀝青膠漿從孔隙中剝落.本文選用的玄武巖纖維由鄭州登電集團(tuán)生產(chǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of main technical indexes of basalt fiber

1.3 集料

本文OGFC選用的粗骨料分別為5～10 mm、3～5 mm石灰?guī)r碎石，細(xì)骨料為0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，粗、細(xì)骨料及填料主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004的規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5、表6.

表4 粗集料主要指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of main indexes of coarse aggregate

表5 細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of main technical indexes of fine aggregate

表6 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of main technical indexes of mineral powder

1.4 配合比設(shè)計(jì)

本文通過降低空隙率及使用高黏橡膠改性瀝青來改善OGFC-10 混合料性能的不足，選用設(shè)計(jì)空隙率分別為10%、16%、22%進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表7. 玄武巖纖維摻量為0.4%（占混合料質(zhì)量），其中纖維與加熱后的礦料同時(shí)裝入拌和鍋內(nèi)干拌45 s，不同空隙率的OGFC-10 混合料析漏損失及肯特堡飛散試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1、圖2，由析漏損失及肯特堡飛散試驗(yàn)結(jié)果確定OGFC-10-10%、OGFC-10-16%、OGFC-10-22%三種超薄磨耗層最佳油石比分別為6.5%、5.2%、3.5%. 不同空隙率的OGFC-10馬歇爾及析漏、飛散試驗(yàn)結(jié)果見表8.

表7 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.7 Results of aggregate gradation design

表8 馬歇爾及析漏、飛散試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Results of Marshall test，leakage test and dispersion test

圖1 析漏試驗(yàn)損失率Fig.1 Loss rate of leakage test

圖2 飛散試驗(yàn)損失率Fig.2 Loss rate of flying test

2 路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性主要反映瀝青路面在高溫環(huán)境下抵抗軸載塑性變形的能力［13-14］. 本文選用車轍試驗(yàn)來研究不同空隙率的OGFC-10 混合料高溫抗車轍能力，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

由圖3 可以得出，隨著空隙率的增大，OGFC-10 混合料動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低，但均大于3000 次/mm. 這主要因?yàn)槔w維的摻入能夠起到吸附、穩(wěn)定瀝青的效果，使得礦料間的穩(wěn)定性更強(qiáng)，同時(shí)三種混合料均為粗骨料相互嵌擠構(gòu)成的骨架空隙結(jié)構(gòu)來抵抗軸載的剪切變形，空隙率越小，最佳油石比越大，細(xì)集料越多，粗集料間的瀝青膠漿越多，黏結(jié)力越強(qiáng)，高溫抗車轍能力越好.

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Dynamic stability test results

2.2 水穩(wěn)定性

松散、坑槽等病害是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［15-16］. 本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)來研究不同空隙率OGFC-10混合料抗水損害能力，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖4、圖5.

圖4 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of immersion Marshall residue stability

圖5 凍融劈裂殘留比試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of freeze-thaw splitting residual ratio

由圖4、圖5可以得出，隨著空隙率的增大，OGFC-10混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均逐漸降低，但均分別大于85%、80%. 其主要原因是，纖維的摻入能夠增強(qiáng)粗集料間瀝青膠漿的抗剝落能力，同時(shí)空隙率越小，最佳油石比越大，礦料間的黏韌性得到增強(qiáng)，混合料抵抗水侵蝕及凍融劈裂作用的能力越強(qiáng)，抗水損害能力越強(qiáng).

2.3 低溫抗裂性

北方季節(jié)性冰凍區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部形成的溫縮應(yīng)力大于混合料間的極限容許拉應(yīng)力時(shí)，瀝青路面就會(huì)出現(xiàn)裂縫病害［17-18］. 本文選用低溫彎曲試驗(yàn)來研究不同空隙率OGFC-10混合料低溫抗開裂能力，試驗(yàn)結(jié)果分別見圖6、圖7.

圖6 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of flexural tensile strength

圖7 彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of bending failure strain

由圖6、圖7可以得出，隨著空隙率的增大，OGFC-10混合料抗彎拉強(qiáng)度及低溫彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果均逐漸降低，但低溫彎曲破壞應(yīng)變均大于2500 με. 這主要因?yàn)槔w維能夠吸附、穩(wěn)定瀝青，混合料穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時(shí)空隙率小的OGFC-10混合料對(duì)應(yīng)的最佳油石比較大，粗集料間被瀝青膠漿填充的越充分，低溫條件下礦料間黏韌性越強(qiáng)，低溫抗開裂能力越強(qiáng).

2.4 滲水及抗滑性能

排水及抗滑性能是OGFC結(jié)構(gòu)層主要的技術(shù)指標(biāo)［19］. 本文選用滲水及構(gòu)造深度試驗(yàn)來研究不同空隙率OGFC-10混合料的排水及抗滑能力，滲水系數(shù)及構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果分別見圖8、圖9.由圖8、圖9可以得出，隨著空隙率的增大，OGFC-10混合料滲水系數(shù)及構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果均逐漸增大，這主要因?yàn)椋S著空隙率的增大，各篩孔礦料的通過百分率逐漸降低，混合料最佳油石比逐漸減小，礦料之間的瀝青膠漿也隨之減少，混合料排水及抗滑能力逐漸增強(qiáng).

圖8 滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of water seepage coefficient

圖9 構(gòu)造深度試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of structural depth

2.5 層間黏結(jié)能力

路面結(jié)構(gòu)層層間黏結(jié)能力不足會(huì)引起路面推移、脫皮等病害的出現(xiàn)，影響行車安全性［20-22］. 選用AC-13C混合料作為下承層，結(jié)構(gòu)層間以0.8 kg/m2撒布量撒布SBS改性乳化瀝青. 本文在試驗(yàn)溫度25 ℃時(shí)，選用45°斜剪試驗(yàn)來評(píng)價(jià)不同空隙率超薄磨耗層的層間黏結(jié)能力，試驗(yàn)結(jié)果見圖10.

由圖10可以得出，隨著空隙率的增大，OGFC-10、AC-13C兩種混合料層間黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低. 其主要原因是，在SBS改性乳化瀝青撒布量相同的情況下，空隙率越大，結(jié)構(gòu)層之間的有效接觸面積越小，乳化瀝青破乳后不能充分填充到混合料的空隙中，層間黏結(jié)強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生剪切破壞.

圖10 層間黏結(jié)能力試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of interlaminar bonding capacity

3 結(jié)論

本文通過對(duì)設(shè)計(jì)空隙率分別為10%、16%、22%的三種玄武巖纖維高黏降噪型OGFC-10超薄磨耗層，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究，得出以下結(jié)論：

1）由析漏損失及肯特堡飛散試驗(yàn)結(jié)果確定OGFC-10-10%、OGFC-10-16%、OGFC-10-22%三種超薄磨耗層最佳油石比分別為6.5%、5.2%、3.5%.

2）隨著空隙率的增大，OGFC-10混合料高溫抗車轍、抗水損害、低溫抗開裂以及層間黏結(jié)能力均逐漸降低，排水及抗滑能力均逐漸增強(qiáng)，而OGFC-10-10%混合料能夠滿足排水及抗滑要求，因此，設(shè)計(jì)空隙率為10%的OGFC-10混合料整體路用性能最優(yōu).

本研究?jī)H對(duì)玄武巖纖維摻量為0.4%的超薄磨耗層進(jìn)行了研究，不同玄武巖纖維摻量對(duì)超薄磨耗層路用性能的影響還需進(jìn)一步研究；OGFC-10超薄磨耗層能夠起到降噪的效果，但10%、16%、22%三種空隙率的超薄磨耗層降噪能力的差異還需進(jìn)一步研究.