玄武岩纤维对功能层沥青混合料路用性能的影响

玄武岩纤维对功能层沥青混合料路用性能的影响

1. 前言

(1)为提高水泥混凝土路面的耐久性,已有研究提出在水泥混凝土面板与基层之间设置沥青混合料层间过渡层,其不仅能改善面板与基层的接触状况、有效减少雨水的下渗,还能缓解路面板传递来的动载冲击作用,大大提高路面的使用状况和服役寿命[1,2]。由于路面板接缝处的剪切作用往往会造成较大的应力集中,从而使过渡层产生竖向剪切变形和开裂破坏,因此需要根据所处的特殊受力环境对功能层沥青混合料进行设计[3,4]。但是前人的研究往往是针对设置层间功能层的水泥混凝土路面结构受力特性,而对功能层沥青混合料路用性能的研究较少。

(2)在国内外路面工程实践中,纤维复合材料已成为提高沥青混合料水稳定性和抗剪性能的有效技术手段。玄武岩矿物纤维由于具有耐高温、原料来源广泛和可以再生利用等优点而逐步受到工程技术人员的重视[5,6]。因此,本文采用玄武岩纤维对功能层沥青混合料进行改性,并根据功能层的技术要求对其抗渗、水稳定性和抗剪性能进行了系统分析。

2. 原材料与试验方法

(1)本研究所选用粗、细集料为玄武岩,矿粉为磨细的石灰岩,经检测各项技术指标均符合规范要求;沥青为SBS改性沥青,其技术指标见表1;玄武岩纤维为浙江石金公司生产,其技术指标见表2。

(2)混合料级配采用密级配沥青混合料AC-13,以《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)推荐的级配中值为设计级配,见表3。纤维掺量分别取0、0.15%、0.30%、0.45%和0.60%,采用马歇尔法确定的沥青掺量分别为4.5%、4.7%、4.9%、5.2%和5.2%。

(3)参照T 0730-2000沥青混合料渗水试验试验规程,采用轮碾法成型试件,对沥青混合料的抗渗性能进行测试和评价;将每一组配比的标准马歇尔试件分成两组:一组在60℃恒温水槽中保温30min后测其马歇尔稳定度MS,另一组在在60℃水浴中恒温保养48h后测其马歇尔稳定度MS1,用残留稳定度MS0来分析玄武岩纤维对混合料的水稳定性能的影响;将车辙板切割成30cm×5cm×5cm的梁式试件,然后参考文献[2]所推荐的测试方法测试其抗剪性能。

3. 结果与讨论

3.1抗渗性能。

功能层沥青混合料试件的渗水系数计算时以水面从100mL下降至500mL所需的时间为标准,将渗水系数计算结果绘于图1。从图1可以看出,随着纤维掺量的增大,混合料的渗水系数逐渐减小,说明玄武岩纤维的加入对抗渗性能有利。主要是因为随着纤维的加入,沥青的裹覆面积得以提高,从而使沥青胶浆的体积量增大,混合料的空隙率减小,所以抗渗性能提高,能有效减小雨水下渗进入水泥路面基层内部,提高基层的使用寿命。

3.2水稳定性能。

(1)采用标准试验方法进行浸水马歇尔试验[7],每组试验采用平行试件4个,测试结果如图2所示。从图2可以看出,加入玄武岩纤维以后,功能层沥青混合料的稳定度和残留稳定度均明显提高,并且随着纤维掺量的增大其提高幅度更明显。当纤维掺量分别为0.15%、0.30%、0.45%和0.60%时,马歇尔稳定度的提高幅度分别为14.5%、21.5%、31.2%和17.2%,残留稳定度的提高幅度分别为16.2%、23.6%、33.65和17.9%。纤维的加入导致沥青胶浆的粘度增大,劲度变大,所以混合料的稳定度提高;当把其浸入水中后,由于胶浆与矿料的粘附性提高,所以水分更难进入沥青胶浆与矿料表面之间,从而导致混合料的残留稳定度提高。

(2)综合分析稳定度与残留稳定度的增长趋势可以看出,当纤维掺量达到0.45%时,混合料的稳定度、残留稳定度与残留稳定度比均达到大值,所以建议玄武岩纤维的掺量为0.45%较合适。

3.3抗剪性能。

荷载重复作用次数与功能层沥青混合料累积变形之间的关系如图4所示。从图4可以看出,纤维的加入导致混合料的累积变形大大减小,在0.45%掺量下,当荷载重复作用次数分别为5000次和50000次时,累积变形分别减小了19.4%和15.4%。沥青混合料的抗剪强度主要由矿料的嵌挤作用和沥青的粘聚作用所提供,加入玄武岩纤维以后,随机分布的纤维网络对沥青胶浆的流动产生阻滞,充当了加筋的作用,从而提高了混合料的抗力和稳定性,所以导致其累积变形的减小。但是,当纤维掺量超过0.45%以后,混合料的累积变形反而增大,主要是因为随着纤维掺量的增大,其分散性受到一定的影响,纤维的加筋作用得不到完全发挥,所以累积变形略有增大。

4. 结论

玄武岩纤维的加入导致沥青的吸附面积增大,粘度增大,沥青胶浆劲度提高,所以功能层沥青混合料的抗渗性能、水稳定性和抗剪性能均明显提高,有利于功能层有效阻止雨水的下渗并缓和面层板的剪切和冲击作用,大大提高基层的使用寿命和路面的使用质量。综合考虑抗渗性能、水稳定性和抗剪性能测试结果,建议玄武岩纤维的掺量为0.45%较为合适。

参考文献

[1]余四新. 设层间功能层的水泥混凝土路面基层应力分析与结构设计[D]. 西安: 长安大学. 2009. 5.

[2]胡苗. 水泥混凝土路面沥青混合料功能层研究[D]. 西安: 长安大学. 2009. 5.

[3]廉向东, 付欣, 熊锐, 关博文, 陈拴发. 基于层间功能层的水泥混凝土路面动态响应灰关联分析[J]. 郑州大学学报(工学版). 2011. 32(6): 13~17.

[4]蔡燕霞, 臧芝树, 付欣. 设置层间功能层的刚性基层水泥混凝土路面动态响应灰关联分析[J]. 公路交通科技. 2012. 29(11): 35~39.

[5]李为民, 许金余. 玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J]. 硅酸盐学报. 2008. 36(4): 476~481.

[6]韦佑坡, 张争奇, 司伟, 李洪波. 玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理[J]. 长安大学学报(自然科学版). 2012. 32(2): 39~44.

[7]陈昌宇. 玄武岩纤维沥青混合料路用性能与应用研究[D]. 长沙: 长沙理工大学. 2012. 5.

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