摘 要   為研究?jī)鋈谘h(huán)條件下不同纖維種類(lèi)對(duì)瀝青混凝土強(qiáng)度的影響，采用凍融循環(huán)試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)方法，對(duì)比分析了不同纖維種類(lèi)及不同摻量的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律，研究結(jié)果表明:在凍融循環(huán)作用下，礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度均為最佳值，其次是聚酯纖維瀝青混凝土，木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度最小;在經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)后，當(dāng)纖維摻量為4%時(shí)，礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度均為最大值。其結(jié)論可為纖維瀝青混凝土的設(shè)計(jì)及施工研究提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞礦物纖維 | 瀝青混凝土 | 凍融循環(huán) | 劈裂強(qiáng)度

01引言

近年來(lái)，我國(guó)道路工程迅猛發(fā)展，瀝青混凝土路面因具有噪音小和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在高等級(jí)公路中得到了廣泛應(yīng)用［1］。由于瀝青混凝土本身強(qiáng)度較低，在凍融循環(huán)和外力荷載作用下，瀝青路面的水穩(wěn)定性能極易遭到破壞，嚴(yán)重影響道路安全運(yùn)營(yíng)。因此，加強(qiáng)對(duì)瀝青混凝土路用性能的研究具有重要意義［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者從多個(gè)方面對(duì)纖維瀝青混凝土的路用性能進(jìn)行了探討，并取得了重要研究結(jié)果，而關(guān)于不同纖維種類(lèi)對(duì)瀝青混凝土凍融劈裂強(qiáng)度的影響仍需進(jìn)一步研究［3－4］。例如，黃春水等［5］針對(duì)纖維瀝青混凝土彎曲性能試驗(yàn)展開(kāi)研究，結(jié)果表明纖維含量特征參數(shù)能綜合反映纖維體積率和長(zhǎng)徑比對(duì)瀝青混凝土彎曲性能的影響;文中試驗(yàn)范圍內(nèi)，聚酯纖維瀝青混凝土的最佳纖維體積率、長(zhǎng)徑比和纖維含量特征參數(shù)分別為0.35%、324和1. 13。

常睿等［6］關(guān)于聚酯纖維復(fù)配RET改性瀝青混合料的技術(shù)性能展開(kāi)研究，結(jié)果表明聚酯纖維復(fù)配RET能夠顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，有效改善RET改性瀝青混合料的低溫性能，且對(duì)瀝青混合料的疲勞性能有較顯著的影響。秦先濤等［7］關(guān)于纖維水泥乳化瀝青混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)及微觀機(jī)理展開(kāi)分析，結(jié)果表明兩種纖維水泥乳化瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度增幅明顯;在聚酯纖維摻量為0.3%、水鎂石纖維摻量為0.2%時(shí)FRCEAM的間接拉伸強(qiáng)度分別取得最大值，抗壓強(qiáng)度雖最小但對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變最大。王增先［8］針對(duì)淺析玻璃纖維對(duì)溫拌瀝青混合料路用性能的影響展開(kāi)研究，結(jié)果表明改善后的玻璃纖維對(duì)各種溫拌瀝青混合料具有較好的適用性，加入玻璃纖維后，瀝青混合料各項(xiàng)路用性能均有不同程度改善和提高。基于此，本文在通過(guò)借鑒和參考已有研究的基礎(chǔ)上，采用凍融循環(huán)試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)方法，對(duì)比研究不同纖維種類(lèi)對(duì)瀝青混凝土凍融劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律。

02原材料

瀝青混合料主要由瀝青、粗細(xì)集料和纖維等組成，原材料性質(zhì)在瀝青路面路用性能方面具有較大的作用和影響，本文根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范要求選取以下原材料進(jìn)行瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究:

a.瀝青: 試驗(yàn)選用70#基質(zhì)瀝青，該瀝青基本性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

b.粗集料: 試驗(yàn)采用石灰?guī)r碎石作為粗集料，其具體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

c.細(xì)集料: 試驗(yàn)采用天然機(jī)制砂，其具體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

d.纖維: 試驗(yàn)選用礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維3種常用纖維進(jìn)行對(duì)比研究，其主要性能指標(biāo)如表4 所示。

03試驗(yàn)方案

試件制備

試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)規(guī)定要求制備多組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，直徑為101.36mm，高度為63.5mm。

試驗(yàn)分別采用礦物纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維3種纖維制備3組試驗(yàn)試件，根據(jù)瀝青混合料的油石比規(guī)定:添加礦物纖維和聚酯纖維的瀝青混合料油石比取值為5.9%，木質(zhì)素纖維油石比取值為6.5%，每組試件設(shè)計(jì)纖維摻量分別為3%、4%及5%。根據(jù)季節(jié)性凍融地區(qū)凍融環(huán)境，凍融循環(huán)次數(shù)模擬分別取0、3、6和9次，每組12個(gè)，試件共計(jì)36個(gè)，以備后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程作為對(duì)比參照。

試驗(yàn)方法

a.凍融循環(huán)試驗(yàn)方法。

本次實(shí)驗(yàn)采用低溫箱和恒溫水浴箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)［9-11］，如圖1 所示。將纖維摻量分別為3%、4%和5% 的3 種不同纖維種類(lèi)的試驗(yàn)試件，依次放置在低溫箱中進(jìn)行冷凍，為確保試件充分冷凍凝結(jié)和更為明顯觀測(cè)凍融循環(huán)結(jié)果，冷凍溫度為(-20 ± 2) ℃，冷凍時(shí)間為(8±0.25) h; 試件冷凍完成后及時(shí)轉(zhuǎn)移至恒溫水浴箱中進(jìn)行解凍，為加速試驗(yàn)進(jìn)度和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置解凍溫度為(60 ±2) ℃，解凍時(shí)間為12h，以確保試件完全解凍;試驗(yàn)對(duì)不同纖維種類(lèi)和不同纖維摻量的瀝青混凝土試件分別進(jìn)行0、3、6 和9 次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)完成后依次對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

b.劈裂試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，如圖2 所示。將經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的瀝青混凝土試件放置在試驗(yàn)儀器的夾具中，保持試件上下圓弧形壓條居中且平行，充分固定后開(kāi)啟單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)，確認(rèn)上下壓條和壓頭相互接觸，調(diào)整好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后開(kāi)始劈裂試驗(yàn)，設(shè)置荷載≤30N，加載速率為50mm/min對(duì)瀝青混凝土試件進(jìn)行加載直至破壞，記錄好試驗(yàn)數(shù)據(jù)。馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度采用公式(1)計(jì)算。

配合比設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40－2004)要求，瀝青混合料選取AC-16型級(jí)配，為分析3種纖維種類(lèi)對(duì)瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)3種纖維摻量分別為3%、4%及5%的3組馬歇爾試件作為對(duì)比參照，并確定礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維最佳瀝青用量分別為4.43%、4.64%和4.5%。瀝青混合料級(jí)配組成如表5所示。

03結(jié)果與分析

為研究纖維摻量對(duì)瀝青混凝土影響程度，以礦物纖維瀝青混凝土為例，針對(duì)纖維摻量分別為3%、4%及5%瀝青混凝土的軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)黏度、針入度及延度進(jìn)行對(duì)比分析，得到瀝青混凝土各性能指標(biāo)變化百分比如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，隨著礦物纖維摻量的增加，瀝青混凝土的軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度均逐漸增大，針入度和延度呈逐漸減小趨勢(shì)，其中軟化點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)黏度的增幅大致相似，針入度的增幅最小，延度的增幅最大。由此可知，增加纖維摻量可以有效增強(qiáng)瀝青混凝土的粘結(jié)效果和降低延展度，對(duì)提高瀝青混凝土的工作性能有較強(qiáng)的輔助作用，但最佳纖維摻量和種類(lèi)還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3%纖維摻量

試驗(yàn)針對(duì)礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維摻量均為3%的瀝青混凝土試件，分別進(jìn)行0、3、6及9次凍融循環(huán)試驗(yàn)以及劈裂試驗(yàn)，得到瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)纖維摻量均為3%時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，添加礦物纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維的瀝青混凝土破裂強(qiáng)度均呈不斷減小趨勢(shì)變化，說(shuō)明凍融循環(huán)的作用對(duì)瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度破壞較大。在經(jīng)過(guò)0、3、6及9次凍融循環(huán)后，添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度均為最大值，分別為1.01、0.76、0.63和0.53MPa;其次為添加聚酯纖維的瀝青混凝土，劈裂強(qiáng)度的整體減小趨勢(shì)與礦物纖維較為相似;劈裂強(qiáng)度值最小的為添加木質(zhì)素纖維的瀝青混凝土，特別是經(jīng)過(guò)6次和9次凍融循環(huán)后，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低。由此可知，當(dāng)纖維摻量為3%時(shí)，在經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用后，礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度保持最佳。

4%纖維摻量

試驗(yàn)針對(duì)礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維摻量均為4%的瀝青混凝土試件，分別進(jìn)行0、3、6及9次凍融循環(huán)試驗(yàn)以及劈裂試驗(yàn)，得到瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)纖維摻量均為4%時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，添加礦物纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維的瀝青混凝土破裂強(qiáng)度均呈不斷減小趨勢(shì)變化，說(shuō)明凍融循環(huán)的作用對(duì)瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度破壞較大。在經(jīng)過(guò)0、3、6及9次凍融循環(huán)后，添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度均為最大值，分別為1.34、1.17、1和0.92MPa;其次為添加聚酯纖維的瀝青混凝土，劈裂強(qiáng)度的整體減小趨勢(shì)與礦物纖維較為相似;劈裂強(qiáng)度值最小的為添加木質(zhì)素纖維的瀝青混凝土，且隨之凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度降低趨勢(shì)越來(lái)越大。因此，當(dāng)纖維摻量為4%時(shí)，礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于纖維摻量為3%時(shí)，瀝青混凝土選擇添加礦物纖維可以有效增大和保持凍融循環(huán)作用后的劈裂強(qiáng)度。

5%纖維摻量

試驗(yàn)針對(duì)礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維摻量均為5%的瀝青混凝土試件，分別進(jìn)行0、3、6及9次凍融循環(huán)試驗(yàn)以及劈裂試驗(yàn)，得到瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，當(dāng)纖維摻量均為5%時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，添加礦物纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維的瀝青混凝土破裂強(qiáng)度均呈不斷減小趨勢(shì)變化。在經(jīng)過(guò)0、3、6及9次凍融循環(huán)后，添加礦物纖維的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度均為最大值，分別為1.19、1.04、0.95和0.75MPa，凍融循環(huán)作用下的劈裂強(qiáng)度值比纖維摻量為3%時(shí)大，但比纖維摻量為4%時(shí)小。聚酯纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度的整體減小趨勢(shì)與礦物纖維較為相似;在經(jīng)過(guò)0次和2次凍融循環(huán)后的，木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度值相對(duì)最大，但經(jīng)過(guò)6次和9次凍融循環(huán)后，瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚≈怠Ｓ纱丝芍?，?dāng)纖維摻量為5%時(shí)，在經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)作用后，礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度較為穩(wěn)定。

04結(jié)論

通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同纖維種類(lèi)及不同摻量的瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律，得到以下結(jié)論:

a.在凍融循環(huán)作用下，礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。

b.在不同纖維摻量情況下，礦物纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度在多次凍融循環(huán)作用下均為最佳值，其次是聚酯纖維瀝青混凝土，木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度最小。

c.在經(jīng)過(guò)9次凍融循環(huán)后，當(dāng)纖維摻量為4%時(shí)，礦物纖維、聚酯纖維及木質(zhì)素纖維瀝青混凝土的劈裂強(qiáng)度均為最大值