纖維瀝青混凝土應(yīng)用技術(shù)研究論文
摘要：通過研究普通及纖維瀝青混合料各項(xiàng)路用性能及力學(xué)性能，表明添加纖維能顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)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(shí)針對(duì)揚(yáng)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(guān)鍵詞：纖維瀝青混凝土 路用性能 力學(xué)性能 橋面鋪裝 施工
隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的發(fā)展，大跨徑橋梁逐漸增多，鋪裝層的質(zhì)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?yàn)榻煌看螅瑳]有替代的其他疏散道路而使得維護(hù)較為困難，所以,需要橋面鋪裝有較長(zhǎng)的使用壽命。
為了適應(yīng)現(xiàn)代交通對(duì)瀝青混凝土橋面鋪裝提出的越來越高的要求，出現(xiàn)了諸如改性瀝青SMA、環(huán)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(shù)[ 1～4 ]。雖然它們具有較好的性能，但或者需要采用特殊設(shè)備，或者是有一定的施工難度，或者造價(jià)比較高，一時(shí)還難以大面積推廣。針對(duì)揚(yáng)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(yáng)州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2 種級(jí)配類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能試驗(yàn)[ 6 ] ，來綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料的各項(xiàng)性能以及纖維的增強(qiáng)作用。
1.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)
由于瀝青混凝土路面的強(qiáng)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(jié)行車荷載反復(fù)作用下，不至于產(chǎn)生諸如波浪、推移、車轍和擁包等病害，鋪裝層應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)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(yàn)因能較好地反映車轍的形成過程,得到世界各國(guó)的廣泛認(rèn)可與采用，本研究即采用車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)纖維瀝青混凝土的高溫抗車轍能力,試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)結(jié)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?yàn)檐囖H的形成主要是由于試驗(yàn)初期瀝青混合料本身的壓密，以及隨后瀝青混合料的側(cè)向流動(dòng)變形。加入纖維與未加纖維對(duì)混合料的初期壓密變形影響不大，但是對(duì)后期的側(cè)向流動(dòng)變形有較大的影響。加入纖維后，纖維吸附及穩(wěn)定瀝青，使瀝青的粘稠度和粘聚力增大，同時(shí)由于縱橫交錯(cuò)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(qiáng)。從動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)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(yàn)
瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，環(huán)境溫度的變化會(huì)使其使用性能發(fā)生很大的變化。隨著溫度的降低，瀝青混合料的強(qiáng)度和勁度都會(huì)明顯增大，但其變形能力卻會(huì)顯著下降，并可能會(huì)出現(xiàn)脆性破壞。
低溫主要是影響瀝青混合料的抗拉強(qiáng)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(yàn)測(cè)定瀝青混合料在- 10 ℃時(shí)彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維的加入有效地提高了鋪裝層材料低溫時(shí)的柔韌性，這樣使得鋪裝層在低溫季節(jié)能更好地適應(yīng)橋面板的變形，減少在低溫季節(jié)容易出現(xiàn)的橋面溫縮裂縫和疲勞裂縫。這對(duì)于改善橋面鋪裝低溫時(shí)的使用性能具有重要意義。
1.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)
瀝青混凝土鋪裝層中若有水分存在，則在汽車車輪動(dòng)態(tài)荷載的作用下，進(jìn)入路面空隙中的水會(huì)不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力及真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用,使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)力。繼而，瀝青膜從集料表面脫落，瀝青混合料出現(xiàn)掉粒、松散，形成瀝青混凝土路面的坑槽、松散等損壞現(xiàn)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(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果表明不同級(jí)配、不同瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。雖然該試驗(yàn)方法操作比較簡(jiǎn)單，但不能較好地反映實(shí)際瀝青混凝土路面早期的水損情況。為了更有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，本研究又進(jìn)行了凍融劈裂試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明，加入纖維對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)性有改善作用，且纖維對(duì)普通瀝青混合料的改善作用相對(duì)較大。這主要是因?yàn)槔w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(jié)構(gòu)瀝青膜變厚，降低了水對(duì)瀝青膠漿的侵蝕破壞作用，增強(qiáng)了瀝青膠漿抵抗自然環(huán)境破壞的能力，使混合料抗水損害能力增強(qiáng)。而改性瀝青混合料本身就具有較強(qiáng)的水穩(wěn)定性，所以，纖維對(duì)其的改善作用并不明顯。
另外，對(duì)于采用相同瀝青基質(zhì)的混合料，纖維對(duì)A K213A 型改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善作用要優(yōu)于AC220 I 型改性瀝青混合料。這是由于礦料級(jí)配越細(xì)，細(xì)礦料比表面積越大，與瀝青及纖維的相互作用越強(qiáng)，瀝青混合料水穩(wěn)性的改善幅度就越大。
2 纖維瀝青混合料的力學(xué)性能研究
橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土力學(xué)性能計(jì)算參數(shù)，包括劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量。本研究測(cè)得了揚(yáng)州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2 種級(jí)配類型條件下，各鋪裝層材料的力學(xué)性能。
2.1 瀝青混合料劈裂試驗(yàn)
本試驗(yàn)測(cè)定熱拌瀝青混合料在15 ℃下的劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量。
由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在A K213A 中摻加增強(qiáng)纖維，增加了瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度。這主要是由于在劈裂的條件下，試件內(nèi)部呈受拉狀態(tài)，試件的破壞主要是由于內(nèi)部的粘結(jié)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(jié)力，進(jìn)而提高了瀝青混合料的抗劈裂能力。
同時(shí)，當(dāng)瀝青混合料中摻加增強(qiáng)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(qiáng)瀝青混合料具有更大變形能力(柔韌性) ，更能適應(yīng)橋面板的變形。
另外，纖維對(duì)普通瀝青混合料的增強(qiáng)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(qiáng)的粘結(jié)性，纖維的作用無法充分體現(xiàn)。
2.2 瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)
本文測(cè)定瀝青混合料在15 ℃條件下的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量。
試驗(yàn)結(jié)果表明:
(1) 鋪裝上層瀝青混合料的抗壓強(qiáng)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(jī)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(duì)普通瀝青混合料抗壓性能的改善作用更明顯;
(3) 纖維對(duì)A K213A 型瀝青混合料抗壓性能的改善作用要優(yōu)于AC220 I 型瀝青混合料。
3 纖維瀝青混合料的應(yīng)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(shè)備投入到瀝青混合料拌和機(jī)。為了保證纖維在瀝青混合料中分布均勻，同時(shí)避免干拌時(shí)間過長(zhǎng)造成集料過多磨損,本研究對(duì)混合料進(jìn)行了試拌: 選擇干拌的時(shí)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(duì)混合料做抽提試驗(yàn)，驗(yàn)證油石比、級(jí)配; 比較不同拌和時(shí)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(jié)論。
(1) 通過觀測(cè)不同干拌時(shí)間下瀝青混合料外觀狀況，發(fā)現(xiàn)干拌時(shí)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(tuán)現(xiàn)象。在干拌時(shí)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(xiàn)象。
(2) 通過抽提試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3 種干拌時(shí)間下瀝青混合料中粒徑小于01075 mm 的顆粒含量均接近于設(shè)計(jì)中值，沒有因?yàn)楦砂钑r(shí)間的增加而造成集料的過多磨損。3 種干拌時(shí)間下的瀝青混合料中2.36 mm顆粒含量與設(shè)計(jì)中值偏差較大，但也在要求的范圍內(nèi)。
試拌混合料各項(xiàng)體積指標(biāo)均能滿足我國(guó)規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。通過目測(cè)纖維均勻度及抽提試驗(yàn)，同時(shí)考慮到施工產(chǎn)量等因素，確定纖維AC- 20 混合料干拌時(shí)間為17 s，濕拌時(shí)間與普通瀝青混合料濕拌時(shí)間相同。
考慮到纖維瀝青混凝土壓實(shí)比較困難，本研究在普通瀝青混凝土壓實(shí)方案的基礎(chǔ)上，增加20 t 膠輪壓路機(jī)復(fù)壓2 遍的要求。
3.2 纖維瀝青混合料質(zhì)量檢測(cè)
纖維瀝青混合料施工質(zhì)量檢測(cè)主要包括配合比檢測(cè)與馬歇爾試驗(yàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度與滲水系數(shù)試驗(yàn)。
混合料的配合比檢測(cè)主要是通過抽提試驗(yàn)，測(cè)定混合料的級(jí)配和瀝青用量。測(cè)試結(jié)果表明，混合料級(jí)配未出現(xiàn)異常情況，油石比接近設(shè)計(jì)的最佳油石比。取樣保溫，到規(guī)定的馬歇爾成型溫度后成型馬歇爾試件，并檢測(cè)其穩(wěn)定度、流值、空隙率、飽和度等指標(biāo)，結(jié)果各指標(biāo)都比較正常。
橋面鋪裝施工結(jié)束后，在橋面取芯，檢測(cè)鋪裝層的壓實(shí)度，同時(shí)進(jìn)行滲水試驗(yàn)，檢測(cè)滲水系數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果看，現(xiàn)場(chǎng)取芯試樣按理論最大密度計(jì)算得到的壓實(shí)度平均值為94.8% ，最小壓實(shí)度為94.1% ,按馬歇爾密度計(jì)算得到的壓實(shí)度平均值為98.9% ,皆滿足相應(yīng)技術(shù)要求。從滲水系數(shù)上看，揚(yáng)州西北繞城高速公路橋面鋪裝下層12 個(gè)點(diǎn)中有2 個(gè)點(diǎn)的滲水系數(shù)超過50 ml/min，其中一個(gè)點(diǎn)在路邊緣，一個(gè)點(diǎn)在2 臺(tái)攤鋪機(jī)接縫的位置，都是瀝青混凝土路面攤鋪中不易被壓實(shí)的部位，需特別注意。進(jìn)行橋面鋪裝上層纖維瀝青混合料鋪筑時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)的滲水系數(shù)都不超過50 ml/min。
4 結(jié)語(yǔ)
本文研究了纖維瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能及力學(xué)性能，并針對(duì)揚(yáng)州西北繞城高速公路橋面特點(diǎn),考慮其施工及質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，得出以下結(jié)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(shí)的柔韌性,改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，適用于南方多雨、重載地區(qū)的高等級(jí)公路橋面鋪裝層。
(2) 纖維瀝青混凝土力學(xué)性能的研究表明，在瀝青混合料中添加一定量的有機(jī)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(qiáng)度。但其劈裂與抗壓模量增加緩慢，使纖維瀝青混合料適應(yīng)變形性能增強(qiáng)。
(3) 結(jié)合揚(yáng)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(shí)工藝。從鋪筑效果來看: 纖維瀝青混凝土路面級(jí)配合理，技術(shù)指標(biāo)滿足要求; 路面壓實(shí)度在要求的范圍之內(nèi); 路面滲水系數(shù)較小，路面密水性好。
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