玄武巖纖維瀝青混合料疲勞性能研究

玄武巖纖維瀝青混合料疲勞性能研究

在混合纖維材料中添加纖維增強(qiáng)材料可以有效改善瀝青路面的道路使用性能，滿足駕駛員交通和環(huán)境變化的要求，延長瀝青路面的使用周期，減少瀝青路面的疾病，是國內(nèi)外瀝青路面技術(shù)的主要發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代,美國在喬治亞洲鋪筑了第一條摻加玄武巖纖維的瀝青混凝土路面,取得了良好的路用性能盡管在瀝青混合料中添加適量的玄武巖纖維能有效提高高速公路瀝青路面的路用性能,例如,抗車轍,抗水損等性能,但是對于抗疲勞性能的改善研究仍然不是很充分,究竟添加不同質(zhì)量比例的玄武巖纖維對于瀝青混合料疲勞性能的提升有多大仍不得而知。與此同時,由于生產(chǎn)玄武巖纖維成品時會附帶生產(chǎn)出帶有廢渣的玄武巖纖維,這些廢渣纖維能否改善瀝青混合料的抗疲勞性能,對于資源的充分利用和環(huán)境保護(hù)有很重要的意義。因此本實驗主要通過四點彎曲小梁試驗方法比較分析了不添加玄武巖纖維、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%,0.3%正常玄武纖維以及0.3%廢渣玄武巖纖維4種瀝青混合料的疲勞性能,從而為玄武纖維及其廢渣纖維在實際工程中的應(yīng)用提供參考。1材料和測試1.1瀝青的相關(guān)測試指標(biāo)(1)集料。集料采用玄武巖集料,級配采用AC-13級配,篩分通過率見表1。(2)瀝青。瀝青采用4.5線形SBS改性瀝青,油石比為5%,瀝青的相關(guān)測試指標(biāo)見表2。(3)纖維。纖維采用石金玄武巖纖維,由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供;該纖維為短切玄武巖纖維,以純天然玄武巖礦石為原料,經(jīng)1450~1500℃高溫熔融、拉絲、短切而成;玄武巖纖維外表呈光滑的圓柱狀,其截面呈完整的圓形(宏觀形貌見圖1)。纖維的摻量分別為混合料總質(zhì)量的0.3%和0.05%。廢渣纖維的摻量為混合料總質(zhì)量的0.3%。1.2瀝青的制備(1)將各種規(guī)格的礦料置于(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重(不少于4h)。(2)將烘干分級的粗、細(xì)集料,按AC-13的級配要求稱取18kg,每盤9kg分裝在2個金屬盤中混合均勻,然后置于烘箱中加熱至180℃。(3)將SBS改性瀝青置于165℃烘箱中待用,同時將試驗所需的試模和插刀等置于105℃的烘箱中加熱1h備用。(4)瀝青混合料拌和。(1)未加纖維:待拌和機(jī)的溫度達(dá)到175℃后,將加熱后的粗細(xì)集料置于拌和機(jī)中,用小鏟子適當(dāng)混合,打開機(jī)器拌和90s。然后加入450g瀝青,再拌和90s;(2)加纖維:待拌和機(jī)的溫度達(dá)到175℃后,將加熱后的粗細(xì)集料置于拌和機(jī)中,用小鏟子適當(dāng)混合,打開機(jī)器拌和90s。然后加入稱量好的玄武纖維,拌和120s(為保證飽和均勻),最后再加入450g瀝青,再拌和90s。本實驗將采用道路工程實驗室的巖石切割機(jī)進(jìn)行切割。將碾壓成型后的板切割成380mm×63.5mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)四點彎曲小梁試件。在進(jìn)行疲勞試驗前,瀝青混合料小梁試件均應(yīng)在環(huán)境溫控箱內(nèi)試驗溫度下養(yǎng)護(hù)4h以上,以確保試件在進(jìn)行疲勞試驗之前達(dá)到試驗溫度。1.34個彎曲疲勞試驗本試驗采用IPC瀝青混合料疲勞試驗儀進(jìn)行實驗,試驗溫度為15℃,試驗頻率為10Hz,選取300×101.4混合料自身為非均勻材料疲勞試驗盡管四點彎曲疲勞試驗相對于其他疲勞試驗的離散性要小,但由于瀝青混合料自身為非均勻性材料,因而四點彎曲疲勞試驗的結(jié)果仍存在明顯的離散性。本次實驗保證每組試驗的有效試件不少于3根,有效試件數(shù)為N時k值見表3。2初始勁度模量衰減在瀝青混合料應(yīng)變控制疲勞試驗中,使用最為廣泛的疲勞判斷標(biāo)準(zhǔn)為50%的初始勁度模量衰減。此項判斷標(biāo)準(zhǔn)也被AASHTO的臨時規(guī)范TP8-94采納為對疲勞破壞的定義。本標(biāo)準(zhǔn)中,考慮到儀器初始運行的穩(wěn)定性,選取第50次的勁度模量作為初始模量。2.1添加玄武巖纖維時瀝青的疲勞特性按照50%勁度模量衰減標(biāo)準(zhǔn)疲勞分析方法,未添加纖維和添加0.05%,0.3%纖維瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命見表4。由表4可見,不論在哪種應(yīng)變水平下,只要添加了玄武巖纖維就會增加瀝青混合料的疲勞壽命。另外,盡管纖維的添加量減小到0.05%,但是在300×10在300×10對比2種不同玄武巖纖維摻量的瀝青混合料在各個應(yīng)變水平下的疲勞壽命可知:增加玄武巖纖維的用量能顯著改善瀝青混合料的抗疲勞性能,尤其是在相對較高的應(yīng)變水平下(500×102.2.3%廢氣纖維的疲勞壽命按照50%勁度模量衰減標(biāo)準(zhǔn)疲勞分析方法,則未添加纖維和添加0.3%廢渣纖維瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命見表5。由表5可見,在300×10與此同時,對比添加0.3%的玄武巖纖維和添加0.3%廢渣纖維的疲勞壽命見表6。由表6可見,在300×10這種現(xiàn)象可能是因為廢渣纖維本身的組成造成的,廢渣纖維中既有纖維又有光滑的球形玄武巖顆粒。對于其中的纖維成分而言,不同于成品的玄武巖纖維,廢渣中的纖維有長有短,在低應(yīng)變情況下會增加疲勞壽命。但是在高應(yīng)變情況下,由于光滑球狀玄武石料與瀝青的粘結(jié)較差,而且由于球形石料質(zhì)量體積比相對于纖維要大,因此盡管廢渣纖維質(zhì)量是混合料總質(zhì)量的0.3%,但實際纖維的質(zhì)量其實遠(yuǎn)小于0.3%,另外廢渣纖維材料本身強(qiáng)度也小于成品纖維。綜上所述,如果能剔除廢渣纖維中的球狀顆粒,那廢渣纖維也是可以一定程度上改善瀝青混合料的疲勞性能的。3混合料疲勞性能(1)對比2種不同摻量瀝青混合料和未添加纖維的瀝青混合料疲勞壽命可知:在瀝青混合料中添加玄武巖纖維能夠顯著增加瀝青混合料的疲勞壽命,而且即便是很少量的玄武巖纖維摻量(0.05%)在改善瀝青混合料疲勞性能方面仍然有很大的優(yōu)勢。(2)增加玄武巖纖維的用量仍然能顯著改善瀝青混合料的抗疲勞性能,尤其是在相對較高的應(yīng)變水平下