㊀文章编号:１６７３－６０５２(２０１８)１０－００７４－０４㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１５９９６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｂｆｊｔ.２０１８.１０.０２１
冉红平
(山西交通控股集团有限公司吕梁北高速公路分公司㊀吕梁市㊀０３３１００)
㊀㊀摘㊀要：在重载交通下ꎬ微表处的高温稳定性和抗水损害能力较差ꎬ为提高微表处的使用寿命常常在微表处中添加少量纤维ꎮ将玄武岩纤维㊁聚丙烯纤维和木质素纤维分别作为纤维外加剂加入到微表处中ꎬ对三种纤维微表处的施工性能和路用性能进行研究ꎮ
㊀㊀关键词：纤维微表处ꎻ纤维类型ꎻ路用性能ꎻ施工应用
中图分类号:Ｕ４１４.０１㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ｂ
０㊀引言
微表处作为道路养护的常规手段因其便捷㊁快速的特点在公路养护中大规模应用ꎮ微表处铺筑厚度一般
在１０ｍｍ左右ꎬ其主要成分改性乳化沥青较热沥青粘结力低ꎬ一般可持续使用２~３年ꎮ在山西吕梁ꎬ由于运煤重载的车辆较多ꎬ高速公路行车道车辙病害较为严重ꎬ微表处施工一年左右即发生破损ꎬ在轮迹部位常常伴随开裂㊁剥离等二次病害ꎮ分析其原因ꎬ主要是高温和重载的相互作用下ꎬ微表处表面集料被严重挤压ꎬ产生轻微变形ꎬ构造深度和摩擦力同时下降ꎬ尤其是在雨水的侵蚀加速作用下ꎬ路面破损严重[１－３]ꎮ 基于以上现状ꎬ尝试在微表处混合料中添加少量纤维以增大微表处的强度ꎮ纤维具有比表面积大㊁吸油量大的特点ꎬ在微表处中可起到增韧的作用ꎬ对所受载荷进行应力传导ꎬ从而提高微表处抵抗剪切和被剥离的能力[４]ꎮ纤维种类较多ꎬ常用的有玄武岩纤维㊁聚丙烯纤维和木质素纤维ꎮ采用以上纤维作为外加剂分别加入到微表处混合料中ꎬ考察三种纤维对微表处性能的改良效果ꎮ
１㊀主要原材料
(１)乳化沥青
所用乳化沥青是采用慢裂快凝型阳离子沥青乳化剂制备的ꎮ所用沥青为齐鲁石化生产以７０＃沥青为基质沥青的ＳＢＳ改性沥青ꎬ所用乳化剂为济南珍东化工有限公司提供ꎮ所制备的改性乳化沥青性能见表１ꎮ
试验项目规范要求试验结果试验方法沥青固含量/％ȡ６０６２.４Ｔ０６５１
筛上筛余量/％ɤ０.１０.０７Ｔ０６５２沥青标准粘度Ｃ２５.３/ｓ１２~６０１３.３Ｔ０６２１离子电荷阳离子阳离子Ｔ０６５３
残留物
性质
针入度(２５ħꎬ５ｓ)/０.１ｍｍ４０~１００６６.２Ｔ０６０４
软化点/ħȡ５７５８Ｔ０６０６
延度(５ħ)/ｃｍȡ２０２５Ｔ０６０５㊀㊀(２)集料
微表处作为抗滑表层对集料的物理性能要求比较高ꎬ压碎值㊁磨光值和坚固性对微表处的使用寿命和抗滑能力影响较大ꎮ选用吕梁交城兴隆石料厂生产加工的辉绿岩作为集料ꎬ粗细集料分０~３ｍｍ㊁３~５ｍｍ㊁５~９.５ｍｍ三档ꎬ其技术指标经第三方检测满足试验要求ꎬ试验结果见表２ꎮ
表２㊀粗细集料试验测试结果
试验项目规范要求试验结果试验方法粗集料
压碎值/％ɤ２６１０Ｔ０３１６
洛杉矶磨耗/％ɤ２８１２Ｔ０３１７
磨光值/ＢＰＮȡ４２５４Ｔ０３１２
坚固性/％ɤ１２６Ｔ０３４０
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针片状含量/％ɤ１５７Ｔ０３１２
细集料
坚固性/％ɤ１２７Ｔ０３４０
砂当量/％ȡ６５７６Ｔ０３３４亚甲蓝值/(ｇ ｋｇ－１)ɤ２.００.９Ｔ０３４９㊀㊀(３)纤维
主要考察不同纤维和纤维用量对微表处性能的影响ꎮ所选用的纤维分别是山西晋投玄武岩开发有
限公司生产的玄武岩纤维ꎬ复纳新材料科技(上海)有限公司生产的木质素纤维ꎬ常州天怡工程纤维有限公司生产的聚丙烯纤维ꎮ纤维的技术参数见表３ꎮ
表３㊀纤维的技术参数
技术参数长度/ｍｍ熔点/ħ断裂延伸率
/％
抗拉强度/ＭＰａ
第五种快乐玄武岩纤维６２８０<２０/木质素纤维<６
２３０<２０>２０００聚丙烯纤维
６１６５
<２０
>５５０
２㊀配合比
黄家传菜微表处的级配设计采用ＭＳ－３型ꎬ对三档料各个筛孔的通过率进行统计ꎬ经过多次级配设计和混合料
性能测试后ꎬ最终确定各档料的掺配比例为矿粉:０~３ｍｍʒ３~５ｍｍʒ５~９.５ｍｍ＝６ʒ５２ʒ１７ʒ２５ꎮ其合成级配曲线见图
１ꎮ
图１㊀微表处合成级配
由于三种纤维以纤维外加剂的形式加入ꎬ试验中在加入乳化沥青拌和２０ｓ后加入ꎮ故在小规模加入时ꎬ对微表处的用水量㊁用油量影响较小ꎮ纤维加入之前ꎬ已经确定好微表处混合料的油石比㊁用水量等关键参数ꎮ结合材料性能和集料级配ꎬ油石比选用７％ꎬ用水量５％ꎬ水泥掺量２％ꎬ固定以上关键参数ꎬ考察纤维对微表处性能的影响ꎮ３㊀纤维对微表处施工性能的影响３.１㊀可拌和时间
微表处的可拌和时间对施工性能具有重要影响ꎬ可拌和时间受到材料性能㊁施工季节㊁拌和设备㊁拌和方法等因素的干扰ꎮ纤维作为添加剂ꎬ在其中起到填充和加筋的作用ꎮ不过不同纤维的吸油量具有较大差别ꎬ对不同用量的三种纤维可拌和时间进行测试ꎬ试验结果见图２ꎮ
在图２中ꎬ没有纤维加入的微表处混合料在试验室内其可拌和时间达到１５３ｓꎮ随着纤维的加入
ꎬ
图２㊀纤维掺量对拌和时间的影响
可拌和时间在逐渐减少ꎮ其中ꎬ掺有木质素纤维的微表处混合料可拌和时间较另两种下降较快ꎬ在掺量０.１％时可拌和时间已经低于１２０ｓꎬ无法满足拌和施工时间的要求ꎮ玄武岩纤维和聚丙烯纤维的微表处混合料可拌和时间基本一致ꎬ在掺量０.１％时ꎬ可拌和时间分别为１４５ｓ和１３８ｓꎮ玄武岩
纤维和聚丙烯纤维可拌和时间的减少与纤维用量基本呈线性下降关系ꎬ两者较之玄武岩纤维吸油量更小ꎬ乳化沥青破乳时间较稳定ꎬ当纤维添加量达到０.３％左右时ꎬ其拌和时间已经明显不满足规范要求ꎮ从拌和的角度来选择ꎬ玄武岩纤维和聚丙烯纤维的添加量应低于０.３％ꎮ３.２㊀粘聚力
微表处在公路养护中一个最大的特点是可快速开放交通ꎬ一般在施工完成后１ｈ就要具备通行的条件ꎮ微表处可开放交通的参数主要通过测试微表处的初凝时间和开放交通时间ꎬ而他们的检测方法均依据微表处混合料的粘聚力ꎮ测试三种纤维微表处３０ｍｉｎ和６０ｍｉｎ的粘聚力ꎬ试验结果见图３ꎮ
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在未掺加纤维之前ꎬ微表处的３０ｍｉｎ粘聚力稍
差ꎬ接近１.２Ｎ ｍꎮ而随着纤维用量的增多ꎬ试件的粘聚力逐渐增大ꎮ在添加量少于０.１５％时ꎬ聚丙烯纤维微表处和木质素纤维微表处的粘聚力变化态势较小ꎬ纤维添加量从０.１５％增加到０.３％的过程中ꎬ粘聚力增长幅度较大ꎬ曲线斜率最高ꎬ这就意味着纤维在该阶段对粘聚力的影响最大ꎮ而在６０ｍｉｎ的粘聚力上ꎬ粘聚力与纤维用量的关系与３０ｍｉｎ的递增态势基本一致ꎬ也是在纤维掺量低于０.１％时变化较小ꎬ在掺量达到０.２％时ꎬ粘聚力递增加快ꎮ
在三种纤维的对比上ꎬ聚丙烯纤维粘聚力的递增幅度最大ꎬ木质素纤维的粘聚力较不稳定ꎬ尤其是在掺量增多后ꎬ粘聚力的离散性较强ꎬ当纤维掺量达
(ａ)３０ｍｉｎ
粘聚力
(ｂ)６０ｍｉｎ粘聚力
图３㊀纤维掺量对粘聚力的影响
到０.３％时粘聚力甚至出现下降的趋势ꎮ分析其原因ꎬ木质素纤维絮状较多ꎬ吸油量大ꎬ不容易分散ꎬ力学性能差别较大ꎮ玄武岩纤维和聚丙烯纤维的线性分布较好ꎬ在试件成型测试中能够较好地起到传导应力的作用ꎬ聚丙烯纤维的密度比玄武岩纤维密度要低ꎬ相同添加量下聚丙烯纤维掺量更多ꎬ故聚丙烯纤维微表处的粘聚力最高ꎮ４㊀纤维微表处的路用性能研究
(１)湿轮磨耗值
微表处的湿轮磨耗值主要用于测试微表处混合料的抗磨耗能力和抗水损害能力ꎮ分别测试试件浸水１ｈ和６ｄ的磨耗损失量ꎬ对１ｈ的磨耗损失值应小于５４０ｇ/ｍ２ꎬ对６ｄ的磨耗损失值应小于８００ｇ/ｍ２ꎮ在６ｄ的湿轮磨耗损失上ꎬ三种纤维的磨耗损失值相差不大ꎬ故以１ｈ的磨耗损失值作为测试指标进行比对测试ꎮ变化纤维掺量ꎬ试验结果见图４ꎮ
纤维微表处混合料的湿轮磨耗试验表明ꎬ纤维能提高混合料抗磨损的能力ꎬ纤维加入后ꎬ微表处磨耗值均出现大幅度的下降ꎮ不过这种下降的趋势随着纤维的持续增加会出现一个峰值ꎬ
即纤维在最佳
东高地一中
图４㊀纤维掺量对磨耗值的影响
掺量下出现最小的磨耗值ꎬ纤维掺量再增加的情况下磨耗值不会降低ꎬ反而出现小幅回弹ꎮ木质素纤维在掺量０.１５％时磨耗值达到最低ꎬ其磨耗值为３３７ｇ/ｍ２ꎬ聚丙烯纤维在掺量０.２％时磨耗值达到最低ꎬ其磨耗值为３１２ｇ/ｍ２ꎬ玄武岩纤维在掺量０.２５％时磨耗值达到最低ꎬ其磨耗值为３４２ｇ/ｍ２ꎮ纤维用量达到最佳用量之前纤维的加筋作用逐渐增强ꎬ但在纤维掺量继续增加后ꎬ纤维在混合料中的分布出现杂乱和结团ꎬ整体均匀性下降ꎬ故而出现在超过最
佳掺量后磨耗值不降反升的现象ꎮ
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(２)低温抗裂性
微表处结构层较薄ꎬ在低温下较容易开裂与原路面剥离ꎬ掺加纤维能够显著提高混合料的低温抗裂性能ꎮ纤维对应力的传导桥接作用越好ꎬ其劈裂强度越高ꎮ采用小梁弯曲试验机ꎬ加载速度为１ｍｍ/ｍｉｎꎬ测试纤维沥青混合料的低温抗裂性ꎮ对不同纤维用量的低温抗裂性进行测试ꎬ纤维对抗裂强度的影响如图５所示
ꎮ
图５㊀不同纤维混合料的劈裂强度
纤维的增加提高了混合料的劈裂强度ꎬ当木质素纤维掺量为０.２％时ꎬ混合料的劈裂强度为１ ８ＭＰａꎬ当玄武岩纤维掺量为０.２５％时ꎬ混合料的
劈裂强度为２.１ＭＰａꎬ当聚丙烯纤维掺量为０.２％时ꎬ混合料的劈裂强度为２.４ＭＰａꎮ纤维掺量越大ꎬ其在混合料中的分布数量就越多ꎬ在纤维分布均匀的前提下ꎬ混合料的 抗阻加筋 效果越明显ꎮ但在超过均匀的前提下ꎬ混合料拌和不均匀ꎬ材料结构体系内部存在缺陷ꎬ在应力和载荷作用下缺陷部位更容易出现应力集中ꎬ进而引发该处的结构破坏ꎮ
(３)高温稳定性
乳化沥青的蒸发残留物较原热沥青在各项性能指标上都会有所降低ꎬ在进行高温车辙试验时ꎬ如继续按照热沥青混合料车辙试验温度６０ħ进行ꎬ其动稳定度普遍偏低ꎬ试验效果不明显ꎮ为了更好地评价不同纤维掺量对乳化沥青微表处高温稳定性的影响ꎬ在高温车辙试验中ꎬ其试验温度选为４５ħ[５]ꎮ微表处混合料需经过破乳后在６０ħ烘箱中烘干２０ｈ放入车辙板中碾压成型ꎬ室温放置２４ｈ后放入车辙试验机中于４５ħ下养护并进行动稳定度的测试ꎮ测试结果见图
６ꎮ
图６㊀不同纤维掺量的高温稳定性测试
相比未添加纤维的微表处混合料ꎬ纤维微表处
的动稳定度更高ꎬ轮迹深度更浅ꎬ高温稳定性更好ꎮ分析其中原因ꎬ主要是纤维在混合料中以三维立体分布ꎬ纤维与石料的咬合效果更好ꎬ摩擦角更大ꎬ加之纤维的吸油作用ꎬ增加了沥青和矿料的粘结力ꎮ在遇到外力作用时ꎬ纤维在混合料中以桥接的形式传导应力ꎬ提高了微表处整体的粘结效果ꎬ从而提高微表处的高温稳定性ꎮ聚丙烯纤维的熔点在１６０ħ以上ꎬ高温对其性能基本无影响ꎬ在相同掺量下ꎬ聚丙烯纤维的动稳定度较其他两种纤维都略高ꎬ其中在掺量０.２５％时ꎬ动稳定度达到１９２５次/ｍｍꎮ５㊀结论
综合纤维微表处施工性能和路用性能ꎬ对比发现ꎬ三种纤维中ꎬ聚丙烯纤维的综合性能更好ꎬ在相同掺量下其可拌和时间更长ꎬ纤维微表处的路用性能更好ꎮ木质素纤维由于其吸油量大ꎬ施工性能不稳定ꎬ不推荐应用于纤维微表处中ꎮ对于聚丙烯纤维ꎬ其最佳掺量在０.２％左右ꎬ玄武岩纤维ꎬ其最佳掺量在０.２５％左右ꎮ
参考文献
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