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                玻璃纖維透水瀝青混合料路用性能試驗研究

                發布時間:2021-02-28 12:33人氣:
                    要:

                透水瀝青混合料是一種適用于排水路面結構的材料,為綜合提升其服役性能,研究采用玻璃纖維和TPS高粘劑材料制備高性能透水瀝青混合料,纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%,分別考察了纖維摻量對混合料的高溫性能、水穩性能、低溫抗裂性能及透水性能的影響,研究認為,纖維摻量的增加會在一定程度上提升材料的低溫抗裂性能,高溫性能和水穩性能呈現先上升后下降的趨勢,而透水性影響較小,建議采用0.2%~0.4%摻量的玻璃纖維用于透水瀝青路面鋪筑工程。

                Experimental Study on Road Performance of Glass Fiber Permeable Asphalt Mixture

                WANG Chun-yang

                Zhengzhou Highway Engineering Company

                Abstract:

                Permeable asphalt mixture is a kind of material suitable for drainage pavement structure.In order to comprehensively improve its service performance,high performance permeable asphalt mixture was prepared by using glass fiber and TPS high viscosity materials.The fiber content was 0%,0.2%,0.4% and 0.6%,respectively.The effects of fiber content on high temperature performance,water stability,low temperature crack resistance and water permeability of the mixture were investigated.The results show that the increase of fiber content can improve the low-temperature crack resistance of the material to a certain extent The hightemperature performance and water stability performance show a trend of first rising and then decreasing,while the influence of water permeability is small.It is suggested that 0.2% ~0.4% glass fiber should be used in pervious asphalt pavement.

                瀝青混合料是將瀝青、礦料等主要材料拌和,用于道路瀝青面層鋪筑的功能材料,在長期的道路服役過程中,受復雜交通工況和日照、雨水侵蝕,瀝青路面往往會產生各類病害問題。傳統的瀝青路面結構主要采用密級配瀝青混凝土,在雨雪天氣下易造成路面濕滑現場,直接危及交通安全[1,2,3]。與此同時,瀝青馬蹄脂碎石、開級配等新型路面結構被廣泛應用,可緩解路面積水、濕滑等問題,其基本原理是采用較大孔隙的瀝青混合料,能使路面技術快速排出,提升路面的抗滑性能[4,5]。但在長期的雨水侵蝕和路面持續荷載作用下,瀝青混合料內部結構仍舊會產生松散、剝落等問題,縮短瀝青混合料的使用壽命[6]。為提升該種路面材料的耐久性,國內外學者也進行了一定研究,隨著產生了聚合物改性瀝青混合料,能在一定程度上提升混合料內部材料的裹附性,材料的失穩和松散現象有效降低。但僅采用改性瀝青來提升混合料的綜合性能,并非完全適用于每個地區公路,針對特殊地區路面建造技術水平,高模量劑、纖維材料等新材料又被進行瀝青混合料的復摻應用,旨在全面提升瀝青混合料材料的路用性能[7,8]。玻璃纖維作為工程建設常用材料,本研究將其應用于瀝青混合料的生產過程,旨在探究瀝青混合料性能的優化。

                1 原材料與試驗方案設計

                1.1 瀝青

                研究使用的瀝青材料為普通AH-70#基質瀝青,對其進行各項指標測定,結果見表1。

                表1 基質瀝青指標檢測結果
                Table 1 Test results of matrix asphalt index     下載原表

                表1 基質瀝青指標檢測結果

                1.2 高粘劑

                高粘劑是一種瀝青材料外摻劑,可以大幅提升瀝青的黏度。研究采用TPS型高粘劑,呈黃色顆粒狀,高粘瀝青的制備過程如下:

                (1)稱取適量基質瀝青及TPS高粘劑,在180℃烘箱中加熱一個小時。

                (2)將基質瀝青倒入高速剪切機中,并分次加入TPS高粘劑,剪切半個小時。

                (3)將剪切好的高粘瀝青倒入器皿中,放置180℃烘箱中發育備用。

                制備好的高粘瀝青指標檢測結果見表2。

                表2 改性瀝青指標檢測結果
                Table 2 Test results of modified asphalt index     下載原表

                表2 改性瀝青指標檢測結果

                1.3 纖維

                纖維材料選用12mm長的普通玻璃纖維,材料出絲均勻,伸縮性較好,其技術指標見表3。

                表3 玻璃纖維性能技術指標
                Table 3 Performance and technical indexes of glass fiber     下載原表

                表3 玻璃纖維性能技術指標

                1.4 礦料

                礦料是瀝青混合料拌和的關鍵組成材料,根據粒徑范圍不同,又可以詳細分為粗集料、細集料和填料。研究采用的粗細集料均為石灰巖,其質地堅硬,針片狀含量少,表觀潔凈無明顯雜質,對其進行主要技術指標測定,結果見表4。

                表4 粗細集料物理技術指標
                Table 4 Physical and technical indexes of coarse and fine aggregate     下載原表

                表4 粗細集料物理技術指標

                1.5 瀝青混合料配合比設計

                瀝青混合料的配合比設計是混合料成型及組織構架實現的關鍵過程,尤其是特殊地區公路建設或新材料的應用應更加重要。針對開級配的透水瀝青混合料而言,其配合比設計可考慮馬歇爾試驗法則,重點關注粗細集料合成級配的粒徑曲線及馬歇爾試件的孔隙率、流值、穩定度等指標,其級配選用OGFC-13,設計級配曲線如圖1所示。

                圖1 OGFC-13目標設計級配

                圖1 OGFC-13目標設計級配   下載原圖

                Fig.1 OGFC-13 target design gradation

                為深入研究玻璃纖維對OGFC透水瀝青混合料的性能影響,采用不同摻量的玻璃纖維對其進行針對性試驗,纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%。通過馬歇爾試驗分別確定了不同纖維摻量對應的混合料最佳油石比,相關測試結果見表5。

                表5 瀝青混合料最佳油石比及相關技術指標
                Table 5 Optimum asphalt aggregate ratio and relevant technical indexes of asphalt mixture     下載原表

                表5 瀝青混合料最佳油石比及相關技術指標

                2 透水瀝青混合料路用性能

                2.1 高溫性能

                瀝青混合料的高溫性能通常是指混合料在高溫環境下抵抗變形的能力,研究通常采用高溫車轍試驗、馬歇爾試驗、單軸壓縮試驗等用以測試和表征,考慮到本研究采用的混合料類型為透水性材料,因此,試驗采用馬歇爾試驗中的流值和穩定度來表征材料的高溫性能,探究其與纖維摻量的規律關系,相關測試結果如圖2~圖3所示。

                圖2 瀝青混合料流值結果

                圖2 瀝青混合料流值結果   下載原圖

                Fig.2 Flow value results of asphalt mixture

                圖3 瀝青混合料穩定度結果

                圖3 瀝青混合料穩定度結果   下載原圖

                Fig.3 Asphalt mixture stability results

                由圖2和圖3分析可知,隨著纖維摻量的增加,其流值呈先下降后上升的趨勢,而穩定度指標呈相反的趨勢。流值越小表征在同等壓縮變形條件下產生的變形更小,當纖維摻量為0.2%時,其流值達到1.70mm,穩定度為6.41k N,較不摻纖維分別降低39%和提升15%,達到最佳狀態。說明纖維摻量的增加并非越多越好,可以通過纖維摻量的具體化研究,實現纖維用量最優與性能最佳的匹配。

                2.2 水穩定性

                水穩定性是剖析瀝青混合料在水損傷環境下性能劣化的性能,研究通常常用浸水馬歇爾試件的殘留穩定度和凍融劈裂強度比來表征性能指標。研究對不同玻璃纖維摻量下的混合料水穩定性能進行測定,結果如圖4~圖5所示。

                圖4 瀝青混合料殘留穩定度

                圖4 瀝青混合料殘留穩定度   下載原圖

                Fig.4 Residual stability of asphalt mixture

                圖5 瀝青混合料凍融劈裂強度比

                圖5 瀝青混合料凍融劈裂強度比   下載原圖

                Fig.5 Strength ratio of freezethaw splitting of asphalt mixture

                如圖4和圖5可知,隨著纖維摻量的逐漸增大,瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均呈現一定幅度的波動變化,當纖維摻量為0.2%時,其殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別為87.2%和88.2%。但隨著纖維的逐步增加,其指標有所下降。其主要原有是纖維材料的增加,初期會提升混合料內部結構的搭接和穩定,促進整體的強度增加,在水損傷環境下能抵抗甚至提升其水穩定性,但是當纖維摻量達到一定數量時,內部結構會存在失穩現象,易造成局部材料的薄弱,易產生水損傷,因此,纖維摻量的加入對于瀝青混合料的性能需反復試驗確認研究。

                2.3 低溫抗裂性

                低溫抗裂性是表征瀝青混合料在寒冷環境下產生開裂的性能,研究經常會對成型的瀝青混合料進行小梁試驗的切割并進行力學試驗,研究小梁在低溫環境下開裂時的應變大小,其測試結果見表6。

                表6 瀝青混合料低溫抗裂性能
                Table 6 Low temperature crack resistance of asphalt mixture     下載原表

                表6 瀝青混合料低溫抗裂性能

                由表6可知,纖維的摻入在一定程度上提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能,其中破壞應變分別提升3.43%、8.12%和2.36%,劈裂抗拉強度分別提升6.96%、17.39%和0.87%,說明0.4%摻量的玻璃纖維對于瀝青混合料低溫抗裂性能的提升效果是最佳的。玻璃纖維的摻入,會將混合料內部的礦料進行裹附,在高粘瀝青的嵌擠作用下,纖維-瀝青-礦料形成合理穩定的空間結構,在寒冷穩定下,材料變得更加堅硬和易脆,纖維具有一定的彈塑性,能夠緩解低溫對混合料內部的開裂影響。

                2.4 透水性能

                作為開級配的透水瀝青混合料,需要滿足雨水天氣下大孔隙排水性能,研究對成型的車轍板試件進行透水性能的檢驗,采用滲水系數進行綜合判定,其基本原理是記錄單位時間內透過混合料試件滲出的水量,測試結果見表7。

                表7 瀝青混合料滲水系數
                Table 7 Permeability coefficient of asphalt mixture     下載原表

                表7 瀝青混合料滲水系數

                由表7可知,纖維的摻入對瀝青混合料的透水性能影響較小,滲水系數隨纖維摻量的增加而上下波動無固定規律,說明玻璃纖維的增加對透水性能影響可忽略不計。其主要原因是,在透水瀝青混合料配合比設計過程中,重點關注了材料的孔隙率,在高粘劑和纖維材料的共同作用下,材料內部的結構孔隙變化較小,如果要增強瀝青混合料的滲水系數,應對在配合比設計階段以控制材料的孔隙率大小進行優化設計。

                3 結語

                本文針對玻璃纖維透水瀝青混合料進行性能試驗,分別考察了纖維摻量對混合料高溫性能、水穩定性、低溫開裂性及透水性的影響,認為纖維的增加并不意味著對混合料性能的永久提升,對于高溫性能和水穩定性而言,呈現先上升后下降的趨勢,最佳摻量為0.2%;而低溫抗裂性隨纖維摻量的增加而波動,最佳摻量為0.4%;而對比摻纖維和不摻纖維混合料的滲水系數,其數值差別不大,說明纖維的摻加對滲水效果影響較小。綜上研究,建議在透水瀝青混合料中摻加玻璃纖維的摻量為0.2%~0.4%,可提升其綜合性能,延長使用壽命。


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