復(fù)合纖維SMA-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究

，，

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.湖南邦贏交通投資發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 前言

在瀝青混合料中摻加纖維已成為提高混合料路用性能的普遍手段[1]。道路工程中，木質(zhì)素纖維、礦物纖維比較常用，其中礦物棉纖維成本比較昂貴，直徑均勻性差，在混合料中易發(fā)生結(jié)團(tuán)、分散性差；木質(zhì)素纖維由于較好的吸附能力常用于 SMA 瀝青混合料中，但缺點(diǎn)是木質(zhì)素纖維易吸水，造成混合料水穩(wěn)定性差，影響其耐久性。因此，探討研究礦棉纖維和木質(zhì)素纖維組成的復(fù)合纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響顯得非常重要。已有研究成果表明，在SMA-13瀝青混合料中摻加0.3%的單一纖維能使其路用性能大幅度提升[2]，所以本文中2種纖維的摻加總量也采用混合料質(zhì)量的0.3%，在設(shè)計(jì)礦料級(jí)配確定之后，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得出2種纖維在0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0比例下混合料對(duì)應(yīng)的最佳油石比，然后在各自的最佳油石比下制備相應(yīng)的瀝青混合料，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)出動(dòng)穩(wěn)定度，分析2種纖維在何種比例時(shí)SMA—13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最佳。

1 原材料性能

1.1 瀝青

表1 中海泰州SBS改性瀝青性能指標(biāo)類(lèi)別針入度(25℃)/(0．1mm)軟化點(diǎn)/℃60℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)15℃延度/cm閃點(diǎn)/℃溶解度/%密度(15℃)/(g·cm-3)RTFOT后質(zhì)量變化/%延度(10℃)/cm針入度比(25℃)技術(shù)指標(biāo)40～55≥49≥240≥80≥260≥99．5實(shí)測(cè)記錄≤±0．8≥4≥63試驗(yàn)結(jié)果5249．628015428399．91．0330．041064

由表1可知，中海泰州SBS改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 集料

本次試驗(yàn)采用的集料全部為石灰?guī)r，其具體物理技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.3 礦粉

本次試驗(yàn)采用的礦粉為磨細(xì)石灰?guī)r石粉，其物理力學(xué)性能如表3所示。

表2 石灰?guī)r技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果匯總表粒徑/mm毛體積相對(duì)密度表觀相對(duì)密度吸水率/%13．2～16 2．7372．750．18 9．5～13．22．7302．7480．254．75～9．5 2．7112．7470．52．36～4．752．6922．7370．73 0～2．362．6482．7121．04

表3 礦粉技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果匯總表類(lèi)別表觀密度/(g·cm-3)親水系數(shù)/%塑性指數(shù)規(guī)范要求≥2．5≤0．8≤4試驗(yàn)結(jié)果2．7280．532含量/%<0．6mm<0．15mm<0．075mm外觀10090～10075～100無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊10093．688．3無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊

1.4 纖維

復(fù)合纖維由2種單纖維復(fù)配而成，分別是礦物棉纖維和顆粒狀木質(zhì)素纖維，如圖1、圖2所示，2種纖維的各項(xiàng)技術(shù)性能見(jiàn)表4。

圖1 礦物棉纖維

圖2 顆粒狀木質(zhì)素纖維

表4 纖維技術(shù)性能表類(lèi)別顏色狀態(tài)長(zhǎng)度/mm礦物棉纖維灰白色棉絮狀4～8顆粒狀木質(zhì)素纖維灰色顆粒狀5～8密度/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa2．700>1500>400．992 <3003．6

2 瀝青混合料的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

按照表5中給出3種初試級(jí)配，計(jì)算初始混合料的礦料合成毛體積相對(duì)密度，合成表觀相對(duì)密度，有效相對(duì)密度，采用干搗實(shí)法測(cè)定4.75 mm以上粗集料的裝填密度，計(jì)算粗集料間隙率VCADRC，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 SMA—13礦料級(jí)配范圍及組成設(shè)計(jì)級(jí)配類(lèi)型通過(guò)下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%16 013 29 54 752 361 180 60 30 150 075上限1001007534262420161512 下限100905020151412109 8 中值1009562 52720 51916131210 級(jí)配110096 671 430 324 917 914 511 710 7 9 9級(jí)配210094 96226 720 2161311 510 710 級(jí)配310094 453 324 119 2151311 310 610 1

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選擇6.1%為初試油石比，纖維摻量為混合料質(zhì)量的0.3%，按照表5中的3個(gè)初試級(jí)配進(jìn)行配料，成型馬歇爾試件。計(jì)算混合料的理論最大相對(duì)密度，測(cè)試試件的毛體積相對(duì)密度，由此計(jì)算試件的各項(xiàng)體積參數(shù)。測(cè)試試件的馬歇爾穩(wěn)定度和流值，測(cè)試和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 3種初試級(jí)配的礦料技術(shù)指標(biāo)初選級(jí)配編號(hào)合成毛體積相對(duì)密度合成表觀相對(duì)密度有效相對(duì)密度粗集料裝填密度粗集料間隙率/%級(jí)配12 7132 7452 741 60640 9級(jí)配22 7182 7472 7421 60141 2級(jí)配32 7202 7472 7421 59441 5 注：代替部分礦粉所用水泥的密度為3 021g/cm3。

分析表7中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，級(jí)配1VCAmix大于VCADRC，表明混合料中的粗集料沒(méi)有形成嵌擠骨架，而是被細(xì)集料、礦粉、瀝青瑪蹄脂撐開(kāi)了，所以不滿足要求。級(jí)配3空隙率偏大，表明級(jí)配偏粗。級(jí)配2的各項(xiàng)指標(biāo)均接近設(shè)計(jì)要求值，最后確定級(jí)配2為設(shè)計(jì)級(jí)配。

表7 3種初試級(jí)配馬歇爾試件技術(shù)指標(biāo)初試級(jí)配編號(hào)VCADRCVCAmix毛體積相對(duì)密度理論最大相對(duì)密度VV/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mm級(jí)配140 941 82 4092 4973 516 578 812 64 1級(jí)配241 239 12 3972 4994 116 975 711 83 7級(jí)配341 537 32 3852 4994 617 373 410 33 4 注：對(duì)于高溫穩(wěn)定性要求較高的重交通路段或炎熱地區(qū)，空隙率允許放寬到4 5%、VMA允許放寬到16 5%、VFA允許放寬到70%。

由于2種纖維摻入的比例不同，最佳油石比也會(huì)不同，所以需要確定5組最佳油石比，分別對(duì)應(yīng)礦物棉纖維和顆粒狀木質(zhì)素纖維的比例是0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0的情況。按照設(shè)計(jì)級(jí)配，分別采用5.8%、6.1%、6.4%3種油石比成型馬歇爾試件，并測(cè)試和計(jì)算馬歇爾試件的體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表8。

按照表8中的試驗(yàn)結(jié)果，分別繪制毛體積相對(duì)密度、空隙率、穩(wěn)定度、VMA、VFA與油石比的關(guān)系曲線(以0∶1為例)，見(jiàn)圖3。當(dāng)設(shè)計(jì)空隙率定為4%時(shí)，5種不同纖維比例的瀝青混合料的油石比分別為6.15%、6.18%、6.21%、6.24%、6.27%，并且在此油石比下，試件的礦料間隙率、瀝青飽和度、混合料粗集料間隙率VCAmix和礦質(zhì)混合料粗集料間隙率VCADRC的關(guān)系均滿足要求，所以選擇5種纖維比例混合料的最佳油石比為6.15%、6.18%、6.21%、6.24%、6.27%。

表8 SMA13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果纖維比例油石比/%毛體積相對(duì)密度VV/%VMA/%VFA/%VCAmix/%穩(wěn)定度/kN流值/mm5 82 3874 617 072 839 29 344 30∶16 12 3914 117 176 039 38 163 26 42 3963 517 179 639 38 113 15 82 3954 416 773 639 08 653 71∶36 12 3934 117 075 739 28 823 36 42 3943 717 278 539 48 213 45 82 3994 416 673 638 99 144 11∶16 12 3944 217 075 339 29 544 06 42 3993 617 078 839 38 483 75 82 4014 416 573 338 99 293 93∶16 12 3974 216 975 139 19 344 06 42 3973 817 177 839 38 673 35 82 4024 516 572 738 89 033 61∶06 12 3974 316 974 639 19 143 96 42 4033 716 978 139 28 733 7

圖3 油石比與馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系

4 SMA混合料的高溫穩(wěn)定性

表9 不同纖維比例SMA13車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果纖維比例動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)試件1試件2試件3平均值試驗(yàn)溫度/℃輪胎壓力/MPa0∶148465385516451321∶364956058588861471∶17159768370797307600 73∶163646702630064551∶05780543150815431

由表9可以看出，5種纖維比例下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均不小于3 000次/mm，滿足規(guī)范要求。其中，當(dāng)?shù)V物棉纖維與木質(zhì)素纖維的比例為1∶1時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值7 307次/mm，此時(shí)高溫穩(wěn)定性最好，比單一摻加木質(zhì)素纖維時(shí)提高了42.4%，比摻加礦棉纖維時(shí)提高了34.5%，同時(shí)可以看出摻入礦物棉纖維時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度大于單一摻加顆粒狀木質(zhì)素纖維時(shí)的穩(wěn)定度，表明礦物棉纖維在改善混合料高溫性能方面是優(yōu)于顆粒狀木質(zhì)素纖維的。

5 結(jié)論

通過(guò)本次研究可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:

1) 纖維比例為0∶1時(shí)，只摻入顆粒木質(zhì)素纖維，混合料最佳油石比為6.15%；而當(dāng)纖維比例為1∶0時(shí)，只摻入礦物棉纖維，混合料最佳油石比為6.27%，表明與顆粒木質(zhì)素纖維相比，礦物棉纖維的吸油率較大。

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