纖維瀝青混凝土應用技術研究
2005-10-06 00:00
摘 要: 通過研究普通及纖維瀝青混合料各項路用性能及力學性能, 表明添加纖維能顯著改善瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性能, 并且能有效增加混合料的整體性與柔韌性, 適于作為橋面鋪裝材料。同時針對揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝, 研究了纖維瀝青混合料的施工控制。
關鍵詞: 纖維瀝青混凝土; 路用性能; 力學性能; 橋面鋪裝; 施工
隨著我國公路交通事業的發展, 大跨徑橋梁逐漸增多, 鋪裝層的質量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。大跨徑橋梁的橋面鋪裝, 往往因為交通量大, 沒有替代的其他疏散道路而使得維護較為困難, 所以,需要橋面鋪裝有較長的使用壽命。
為了適應現代交通對瀝青混凝土橋面鋪裝提出的越來越高的要求, 出現了諸如改性瀝青SMA、環氧瀝青混凝土、瀝青瑪碲脂混合料、澆注式瀝青混凝土等橋面鋪裝材料和技術[ 1～4 ]。雖然它們具有較好的性能, 但或者需要采用特殊設備, 或者是有一定的施工難度, 或者造價比較高, 一時還難以大面積推廣。針對揚州西北繞城高速公路的具體工程情況, 本文選擇了纖維瀝青混合料作為橋面鋪裝材料[ 5 ]。
1 纖維瀝青混合料的路用性能研究
本研究首先通過揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2 種級配類型瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性等路用性能試驗[ 6 ] , 來綜合評價瀝青混合料的各項性能以及纖維的增強作用。
1.1 瀝青混合料的高溫穩定性試驗
由于瀝青混凝土路面的強度和剛度(模量) 隨溫度升高而顯著下降, 為了保證瀝青混凝土鋪裝層在高溫季節行車荷載反復作用下, 不至于產生諸如波浪、推移、車轍和擁包等病害, 鋪裝層應具有良好的高溫穩定性, 即在荷載的作用下具有抵抗永久變形的能力。車轍試驗因能較好地反映車轍的形成過程,得到世界各國的廣泛認可與采用, 本研究即采用車轍試驗來評價纖維瀝青混凝土的高溫抗車轍能力,試驗結果見表1。
表1 瀝青混合料車轍試驗結果
試驗結果表明: 加入纖維后, 瀝青混合料的抗車轍性能得到改善。這是因為車轍的形成主要是由于試驗初期瀝青混合料本身的壓密, 以及隨后瀝青混合料的側向流動變形。加入纖維與未加纖維對混合料的初期壓密變形影響不大, 但是對后期的側向流動變形有較大的影響。加入纖維后, 纖維吸附及穩定瀝青, 使瀝青的粘稠度和粘聚力增大, 同時由于縱橫交錯的纖維加筋作用, 使瀝青混合料的整體性、抗剪性及抗車轍能力增強。從動穩定度結果可以看出, 纖維可顯著改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能。
1.2 瀝青混合料低溫性能試驗
瀝青混合料是一種溫度敏感性材料, 環境溫度的變化會使其使用性能發生很大的變化。隨著溫度的降低, 瀝青混合料的強度和勁度都會明顯增大, 但其變形能力卻會顯著下降, 并可能會出現脆性破壞。
低溫主要是影響瀝青混合料的抗拉強度和變形能力, 從而造成瀝青混合料的低溫開裂。本研究通過試驗測定瀝青混合料在- 10 ℃時彎曲破壞的力學性質來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能, 試驗結果見表2。
表2 瀝青混合料彎拉試驗結果
從試驗結果可以看出, 纖維的加入有效地提高了鋪裝層材料低溫時的柔韌性, 這樣使得鋪裝層在低溫季節能更好地適應橋面板的變形, 減少在低溫季節容易出現的橋面溫縮裂縫和疲勞裂縫。這對于改善橋面鋪裝低溫時的使用性能具有重要意義。
1.3 瀝青混合料水穩定性試驗
瀝青混凝土鋪裝層中若有水分存在, 則在汽車車輪動態荷載的作用下, 進入路面空隙中的水會不斷產生動水壓力及真空負壓抽吸的反復循環作用,使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結力。繼而, 瀝青膜從集料表面脫落, 瀝青混合料出現掉粒、松散, 形成瀝青混凝土路面的坑槽、松散等損壞現象。因而, 必須重視瀝青混合料自身抗水損壞能力的好壞。
本文首先進行了浸水馬歇爾試驗, 結果表明不同級配、不同瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度都遠遠高于規范要求。雖然該試驗方法操作比較簡單, 但不能較好地反映實際瀝青混凝土路面早期的水損情況。為了更有效地評價瀝青混合料的水穩定性能, 本研究又進行了凍融劈裂試驗, 試驗結果見表3。
表3 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果
試驗結果表明, 加入纖維對瀝青混合料的水穩性有改善作用, 且纖維對普通瀝青混合料的改善作用相對較大。這主要是因為纖維可以吸附部分瀝青,從而增大瀝青用量, 提高瀝青飽和度; 并且使粘附在礦料上的結構瀝青膜變厚, 降低了水對瀝青膠漿的侵蝕破壞作用, 增強了瀝青膠漿抵抗自然環境破壞的能力, 使混合料抗水損害能力增強。而改性瀝青混合料本身就具有較強的水穩定性, 所以, 纖維對其的改善作用并不明顯。
另外, 對于采用相同瀝青基質的混合料, 纖維對A K213A 型改性瀝青混合料水穩定性的改善作用要優于AC220 I 型改性瀝青混合料。這是由于礦料級配越細, 細礦料比表面積越大, 與瀝青及纖維的相互作用越強, 瀝青混合料水穩性的改善幅度就越大。
2 纖維瀝青混合料的力學性能研究
橋面鋪裝結構層瀝青混凝土力學性能計算參數, 包括劈裂抗拉強度和抗壓回彈模量。本研究測得了揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2 種級配類型條件下, 各鋪裝層材料的力學性能。
2.1 瀝青混合料劈裂試驗
本試驗測定熱拌瀝青混合料在15 ℃下的劈裂抗拉強度和破壞勁度模量, 試驗結果見表4。
表4 瀝青混合料劈裂試驗結果
由試驗結果可以看出, 在A K213A 中摻加增強纖維, 增加了瀝青混合料的劈裂抗拉強度。這主要是由于在劈裂的條件下, 試件內部呈受拉狀態, 試件的破壞主要是由于內部的粘結力不足以抵抗外荷載的作用, 而纖維增加了瀝青與礦料間的粘附性, 提高了集料之間的粘結力, 進而提高了瀝青混合料的抗劈裂能力。
同時, 當瀝青混合料中摻加增強纖維后, 瀝青混合料的破壞勁度模量也有所增大。但破壞勁度模量增大速率較緩慢, 說明纖維增強瀝青混合料具有更大變形能力(柔韌性) , 更能適應橋面板的變形。
另外, 纖維對普通瀝青混合料的增強作用較之改性瀝青混合料更為明顯。這主要是由于改性瀝青本身就具有較強的粘結性, 纖維的作用無法充分體現。
2.2 瀝青混合料單軸壓縮試驗
本文測定瀝青混合料在15 ℃條件下的抗壓強度和抗壓回彈模量, 試驗結果見表5。
表5 瀝青混合料單軸壓縮試驗結果
試驗結果表明:
(1) 鋪裝上層瀝青混合料的抗壓強度有了明顯提高, 而抗壓回彈模量卻降低了, 說明加入聚合物有機纖維后, 瀝青混合料的柔韌性增加了;
(2) 瀝青混合料中摻加纖維后, 無論是普通瀝青混合料還是改性瀝青混合料, 抗壓性能都有所改善,但對普通瀝青混合料抗壓性能的改善作用更明顯;
(3) 纖維對A K213A 型瀝青混合料抗壓性能的改善作用要優于AC220 I 型瀝青混合料。
3 纖維瀝青混合料的應用
3.1 纖維瀝青混合料的施工
纖維瀝青混合料的施工須注意的是其拌和與碾壓。在本次施工中, 纖維采用專用添加設備投入到瀝青混合料拌和機。為了保證纖維在瀝青混合料中分布均勻, 同時避免干拌時間過長造成集料過多磨損,本研究對混合料進行了試拌: 選擇干拌的時間分別為14 s、17 s及20 s, 觀察纖維在混合料中的拌和效果; 對混合料做抽提試驗, 驗證油石比、級配; 比較不同拌和時間下集料中粒徑小于0.075 mm 的顆粒含量。通過試拌, 得到了以下結論。
(1) 通過觀測不同干拌時間下瀝青混合料外觀狀況, 發現干拌時間為17 s 及20 s 的瀝青混合料中纖維分散均勻, 未見纖維成團現象。在干拌時間為14 s的瀝青混合料中, 纖維分散比較均勻, 偶見纖維粘連現象。
(2) 通過抽提試驗, 發現3 種干拌時間下瀝青混合料中粒徑小于01075 mm 的顆粒含量均接近于設計中值, 沒有因為干拌時間的增加而造成集料的過多磨損。3 種干拌時間下的瀝青混合料中2.36 mm顆粒含量與設計中值偏差較大, 但也在要求的范圍內。
試拌混合料各項體積指標均能滿足我國規范規定的技術要求。通過目測纖維均勻度及抽提試驗, 同時考慮到施工產量等因素, 確定纖維AC- 20 混合料干拌時間為17 s, 濕拌時間與普通瀝青混合料濕拌時間相同。
考慮到纖維瀝青混凝土壓實比較困難, 本研究在普通瀝青混凝土壓實方案的基礎上, 增加20 t 膠輪壓路機復壓2 遍的要求。
3.2 纖維瀝青混合料質量檢測
纖維瀝青混合料施工質量檢測主要包括配合比檢測與馬歇爾試驗, 以及現場的壓實度與滲水系數試驗。
混合料的配合比檢測主要是通過抽提試驗, 測定混合料的級配和瀝青用量。測試結果表明, 混合料級配未出現異常情況, 油石比接近設計的最佳油石比。取樣保溫, 到規定的馬歇爾成型溫度后成型馬歇爾試件, 并檢測其穩定度、流值、空隙率、飽和度等指標, 結果各指標都比較正常。
橋面鋪裝施工結束后, 在橋面取芯, 檢測鋪裝層的壓實度, 同時進行滲水試驗, 檢測滲水系數。從試驗結果看, 現場取芯試樣按理論最大密度計算得到的壓實度平均值為94.8% , 最小壓實度為94.1% ,按馬歇爾密度計算得到的壓實度平均值為98.9% ,皆滿足相應技術要求。從滲水系數上看, 揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝下層12 個點中有2 個點的滲水系數超過50 ml/min, 其中一個點在路邊緣, 一個點在2 臺攤鋪機接縫的位置, 都是瀝青混凝土路面攤鋪中不易被壓實的部位, 需特別注意。進行橋面鋪裝上層纖維瀝青混合料鋪筑時, 所有測點的滲水系數都不超過50 ml/min。
4 結語
本文研究了纖維瀝青混合料的各項路用性能及力學性能, 并針對揚州西北繞城高速公路橋面特點,考慮其施工及質量檢測結果, 得出以下結論。
(1) 添加纖維能顯著提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能, 有效增加了鋪裝層材料低溫時的柔韌性,改善了瀝青混合料的水穩定性, 適用于南方多雨、重載地區的高等級公路橋面鋪裝層。
(2) 纖維瀝青混凝土力學性能的研究表明, 在瀝青混合料中添加一定量的有機纖維, 可有效增加混合料的整體性與柔韌性, 提高其抗劈裂及抗壓縮強度。但其劈裂與抗壓模量增加緩慢, 使纖維瀝青混合料適應變形性能增強。
(3) 結合揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝, 研究了纖維瀝青混合料的拌和及壓實工藝。從鋪筑效果來看: 纖維瀝青混凝土路面級配合理, 技術指標滿足要求; 路面壓實度在要求的范圍之內; 路面滲水系數較小, 路面密水性好。
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[6 ] JTJ 052- 2000, 公路工程瀝青混合料試驗規程[S ].
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