玄 武 岩 矿 物 纤 维 对 沥 青 混 合 料 性 能 影 响 分 析 凌 晨 游 玉 石 ( 江 苏 省 交 通 科 学 研 究 院, 南 京 211112 ) 摘 要 : 随 着 公 路 交 通 的 发 展, 交 通 量 的 增 加 轴 载 增 加 交 通 渠 化 等 对 高 等 级 公 路 沥 青 路 面 提 出 了 更 高 的 要 求, 纤 维 作 为 稳 定 剂 的 使 用 已 成 为 沥 青 混 合 料 的 重 要 组 成 部 分 本 文 主 要 结 合 了 沥 青 混 合 料 及 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 特 点 进 行 了 沥 青 混 合 料 性 能 评 价 与 影 响 分 析, 并 与 掺 加 聚 酯 纤 维 的 沥 青 混 合 料 性 能 进 行 对 比 分 析, 以 便 对 玄 武 岩 矿 物 纤 维 在 沥 青 路 面 中 的 应 用 提 供 参 考 关 键 词 : 玄 武 岩 矿 物 纤 维 沥 青 混 合 料 性 能 评 价 影 响 分 析 0 引 言 近 年 来, 随 着 公 路 交 通 的 发 展, 交 通 量 的 增 加 轴 载 增 加 交 通 渠 化 等 对 高 等 级 公 路 沥 青 路 面 提 出 了 更 高 的 要 求, 为 了 能 更 好 地 改 善 沥 青 路 面 的 使 用 品 质, 延 长 路 面 使 用 寿 命, 从 而 提 高 投 资 效 益 是 摆 在 我 国 道 路 工 作 者 面 前 的 重 要 课 题 目 前 国 内 在 改 善 沥 青 混 合 料 的 路 用 性 能 研 究 上 出 现 了 两 个 大 的 研 究 方 向 : 一 方 面 是 从 沥 青 混 合 料 结 构 类 型 设 计 方 法 入 手, 通 过 改 善 骨 料 的 级 配 来 提 高 沥 青 混 合 料 的 高 温 抗 变 形 能 力 ; 另 一 方 面 是 通 过 改 善 沥 青 性 能 品 质 来 提 高 沥 青 混 合 料 的 力 学 性 能, 增 强 抵 抗 永 久 变 形 能 力 并 减 小 感 温 性 近 年 来, 随 着 越 来 越 多 的 新 型 材 料 正 在 进 入 沥 青 路 面 技 术 领 域 其 中 纤 维 作 为 一 种 特 殊 的 添 加 剂 材 料 加 入 到 沥 青 混 合 料 中 以 改 善 整 体 的 物 理 力 学 性 能 已 经 成 为 改 善 沥 青 混 合 料 路 用 性 能 的 第 三 个 重 要 研 究 方 向 目 前 纤 维 在 路 面 工 程 中 应 用 的 种 类 主 要 有 木 质 素 纤 维 聚 酯 纤 维 和 矿 物 纤 维 三 大 类 矿 物 纤 维 由 于 具 有 较 好 的 力 学 性 能 和 较 高 的 工 作 温 度, 从 沥 青 混 合 料 的 再 生 方 面 考 虑, 矿 物 纤 维 已 逐 渐 被 人 们 所 认 识 但 在 我 国 路 面 工 程 中, 矿 物 纤 维 的 应 用 还 没 有 形 成 较 为 成 熟 的 经 验, 如 何 将 矿 物 纤 维 更 好 地 应 用 于 实 体 工 程 中 是 一 项 重 要 的 内 容, 涉 及 到 诸 多 方 面 本 文 主 要 结 合 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 自 身 特 点 及 沥 青 混 合 料 的 性 能, 在 室 内 对 其 进 行 应 用 评 价 分 析, 并 与 聚 酯 纤 维 性 能 相 比 较, 以 便 对 玄 武 岩 矿 物 纤 维 在 沥 青 路 面 中 的 应 用 提 供 参 考 1 试 验 评 价 思 路 1
根 据 纤 维 在 沥 青 路 面 中 发 挥 的 抗 裂 加 筋 等 作 用, 室 内 选 择 中 面 层 常 用 沥 青 混 合 料 类 型 (SUP20) 进 行 评 价 研 究, 并 分 别 对 不 掺 纤 维 掺 加 纤 维 的 沥 青 混 合 料 进 行 配 合 比 设 计 与 性 能 评 价, 以 比 较 分 析 纤 维 对 沥 青 混 合 料 配 合 比 设 计 及 性 能 的 影 响, 同 时 并 比 较 玄 武 岩 矿 物 纤 维 与 聚 酯 纤 维 的 相 关 性 能 其 中 Super20 沥 青 混 合 料 配 合 比 设 计 方 法 主 要 依 据 美 国 Superpave 沥 青 混 合 料 设 计 标 准 进 行 设 计, 并 依 据 我 国 公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范 (JTGF40-2004) 的 要 求 进 行 性 能 验 证 2 原 材 料 矿 物 纤 维 选 用 浙 江 石 金 玄 武 岩 纤 维 有 限 公 司 生 产 的 两 种 GBF 玄 武 岩 矿 物 纤 维, 一 种 为 表 面 作 膨 胀 化 分 散 处 理, 另 一 种 为 表 面 未 作 处 理, 具 体 见 图 2-1 2-2, 该 类 玄 武 岩 矿 物 纤 维 是 以 纯 天 然 火 山 岩 为 唯 一 原 料 经 1450~1500 高 温 熔 融 后 快 速 拉 制 而 成 的 连 续 纤 维, 属 于 非 金 属 的 无 机 纤 维 聚 酯 纤 维 选 用 国 内 工 程 应 用 的 某 两 种 品 牌 图 2-1 表 面 作 膨 胀 化 处 理 的 玄 武 岩 矿 物 纤 维 1 图 2-2 表 面 未 作 处 理 的 玄 武 岩 矿 物 纤 维 2 集 料 为 杭 州 岑 岭 石 矿 石 灰 岩, 沥 青 为 浙 江 省 公 路 物 资 有 限 公 司 SBS 改 性 沥 青 纤 维 掺 量 根 据 经 验 取 沥 青 混 合 料 重 量 的 0.225% 各 种 矿 料 的 密 度 及 吸 水 率 试 验 结 果 见 表 2-1, 各 种 矿 料 及 矿 粉 的 筛 分 结 果 见 表 2-2, 沥 青 相 对 密 度 试 验 结 果 见 表 2-3 表 2-1 矿 料 密 度 及 吸 水 率 试 验 结 果 矿 料 表 观 相 对 密 度 毛 体 积 相 对 密 度 吸 水 率 (%) 1# 料 2.766 2.732 0.44 2# 料 2.761 2.724 0.48 3# 料 2.720 2.678 0.57 4# 料 2.718 2.655 0.87 矿 粉 2.674 -- -- 2
表 2-2 各 种 矿 料 和 矿 粉 的 筛 分 结 果 筛 通 过 方 孔 筛 的 百 分 率 (%) 孔 矿 料 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 1# 100 84.2 9.7 0.5 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 2# 100 100 96.6 8.8 0.5 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 4# 100 100 100 100 88.4 65.7 43.1 24.4 16.2 10.1 矿 粉 100 100 100 100 100 100 99.6 97.7 94.8 82.9 表 2-3 沥 青 相 对 密 度 试 验 结 果 表 沥 青 类 型 密 度 SBS 改 性 沥 青 1.019 3 矿 料 级 配 及 沥 青 用 量 的 确 定 试 验 采 用 的 沥 青 混 合 料 结 构 类 型 为 SUP20, 混 合 料 级 配 组 成 设 计 见 表 3-1 及 图 3-1, 矿 料 比 例 见 表 3-2 根 据 经 验 沥 青 用 量 为 不 掺 纤 维 的 沥 青 混 合 料 取 4.2%, 掺 纤 维 的 沥 青 混 合 料 取 4.4% 表 2-1 SUP20 混 合 料 级 配 设 计 组 成 级 配 通 过 下 列 筛 孔 ( 方 孔 筛,mm) 的 质 量 百 分 率 (%) 类 型 26.5 19.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 Sup20 100 99.0 79.0 61.5 40.9 24.1 18.5 12.7 9.0 6.7 5.0 19.0 mm Nominal Sieve Size 100 90 Blend 1 80 70 Percent Passing 60 50 40 30 20 10 0 0.075 0.15 0.30 0.60 1.18 2.36 4.75 9.50 12.50 19.00 25.00 Sieve Size (mm) 3
图 3-1 SUP20 混 合 料 级 配 设 计 组 成 图 表 2-2 设 计 沥 青 用 量 及 矿 料 比 例 沥 青 用 量 矿 料 名 称 及 比 例 (%) (%) 1# 2# 3# 4# 矿 粉 4.2/4.4 23.0 31.0 17.0 28.0 1.0 4 沥 青 混 合 料 体 积 指 标 本 次 试 验 采 用 旋 转 压 实 成 型, 成 型 次 数 100 次, 不 掺 纤 维 混 合 料 成 型 温 度 160-165, 掺 纤 维 混 合 料 成 型 温 度 170-175 具 体 试 验 结 果 见 表 4-1 表 4-1 旋 转 压 实 体 积 指 标 沥 青 用 试 件 毛 体 积 计 算 理 论 最 大 相 对 密 度 空 隙 率 VV(%) 矿 料 间 隙 率 VMA(%) 饱 和 度 VFA(%) 量 (%) 相 对 密 度 不 加 纤 维 4.2 2.448 2.552 4.1 13.1 68.9 玄 武 岩 矿 物 2.436 2.534 3.9 13.7 71.8 纤 维 1 4.4 玄 武 岩 矿 物 2.437 2.534 3.8 13.6 72.0 纤 维 2 聚 酯 纤 维 1 4.4 2.433 2.528 4.0 13.2 70.2 聚 酯 纤 维 2 4.4 2.434 2.535 4.0 13.4 70.3 技 术 要 求 / / / 13.0 65~75 由 表 可 知, 混 合 料 的 各 项 体 积 指 标 均 符 合 技 术 要 求, 可 以 进 行 沥 青 混 合 料 的 性 能 验 证 试 验 5 沥 青 混 合 料 性 能 评 价 试 验 5.1 抗 水 损 害 性 能 评 价 试 验 水 损 害 是 沥 青 路 面 破 坏 的 一 种 重 要 形 式, 尤 其 是 沥 青 面 层 的 早 期 破 损 多 与 此 有 关, 它 是 在 水 或 冻 融 循 环 作 用 下, 由 于 汽 车 动 载 反 复 作 用, 进 入 到 沥 青 面 层 空 隙 里 的 水 对 沥 青 混 合 料 引 起 冲 刷 和 侵 蚀, 沥 青 的 黏 附 性 下 降, 使 沥 青 膜 从 矿 料 表 面 脱 落, 从 而 使 沥 青 路 面 产 生 坑 槽 松 散 推 挤 变 形 等 损 坏 本 部 分 主 要 采 用 AASHTO T283 试 验 和 浸 水 马 歇 尔 试 验 对 沥 青 混 合 料 抗 水 损 害 性 能 的 影 响 进 行 评 价 具 体 试 验 结 果 见 表 5-1 5-2, 图 5-1 5-2 4
表 5-1 AASHTOT283 试 验 结 果 纤 维 类 型 不 加 纤 维 矿 物 纤 维 1 矿 物 纤 维 2 聚 酯 纤 维 1 聚 酯 纤 维 2 要 求 (%) TSR(%) 84.7 89.9 91.3 88.9 88.0 80 表 5-2 浸 水 马 歇 尔 稳 定 度 试 验 结 果 纤 维 类 型 残 留 稳 定 度 S 0 (%) 玄 武 岩 矿 玄 武 岩 矿 不 加 纤 维 聚 酯 纤 维 1 聚 酯 纤 维 2 要 求 (%) 物 纤 维 1 物 纤 维 2 87.1 91.0 91.4 90.3 91.6 85 TSR(%) 95 90 85 80 84.7 89.9 91.3 88.9 88 残 留 稳 定 度 (%) 95 90 85 80 87.1 91 91.4 90.3 91.6 75 不 加 纤 维 矿 物 纤 维 1 矿 物 纤 维 2 聚 脂 纤 维 1 聚 脂 纤 维 2 75 不 加 纤 维 矿 物 纤 维 1 矿 物 纤 维 2 聚 脂 纤 维 1 聚 脂 纤 维 2 图 5-1AASHTOT283 试 验 结 果 比 较 图 图 5-2 浸 水 马 歇 尔 稳 定 度 试 验 结 果 比 较 图 综 合 AASHTO T283 试 验 和 浸 水 马 歇 尔 试 验 结 果 可 见, 掺 入 纤 维 的 沥 青 混 合 料 与 不 掺 纤 维 的 沥 青 混 合 料 相 比 均 有 所 提 高, 即 沥 青 混 合 料 的 抗 水 损 害 和 抗 冻 性 能 明 显 改 善, 主 要 是 因 为 掺 入 沥 青 混 合 料 中 的 纤 维 纵 横 交 错, 吸 附 部 分 沥 青, 增 加 了 结 构 沥 青 的 比 例, 减 少 了 自 由 沥 青, 使 沥 青 膜 处 于 比 较 稳 定 的 状 态, 同 时 也 使 得 沥 青 矿 粉 胶 浆 粘 滞 性 增 强, 软 化 点 提 高, 从 而 使 沥 青 混 合 料 稳 定 性 提 高 另 外 从 试 验 结 果 可 以 看 出, 掺 加 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 沥 青 混 合 料 水 稳 定 性 能 均 比 掺 加 聚 酯 纤 维 的 沥 青 混 合 料 有 一 定 的 提 高, 同 时 作 为 表 面 处 理 的 两 种 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 水 稳 定 性 能 基 本 相 当 5.2 高 温 稳 定 性 能 试 验 沥 青 路 面 在 高 温 下 往 往 劲 度 迅 速 下 降, 使 路 面 抗 剪 能 力 不 足, 导 致 矿 料 在 外 力 作 用 下 产 生 滑 移 与 位 错, 使 沥 青 混 合 料 进 一 步 压 密, 细 集 料 相 对 集 中 并 产 生 剪 切 破 坏, 形 成 高 温 变 形, 如 推 移 拥 包 搓 板 和 车 辙 等 尤 其 在 道 路 的 交 叉 口 或 变 坡 路 段, 此 类 高 温 变 形 更 容 易 发 生, 这 主 要 与 沥 青 路 面 较 大 的 水 平 荷 载 作 用 下 抗 剪 切 强 度 相 对 不 足 有 关 随 着 交 通 渠 化 和 轴 载 加 重, 高 等 级 沥 青 路 面 中 主 要 发 生 的 高 温 病 害 多 以 车 辙 为 主 本 部 分 主 要 对 沥 青 混 合 料 的 高 温 5
抗 车 辙 性 能 进 行 评 价, 比 较 分 析 纤 维 对 沥 青 混 合 料 高 温 性 能 的 改 进 作 用 表 5-3 车 辙 试 验 结 果 汇 总 表 纤 维 类 型 不 加 纤 维 矿 物 纤 维 1 矿 物 纤 维 2 聚 酯 纤 维 1 聚 酯 纤 维 2 要 求 (%) 动 稳 定 度 ( 次 /mm) 4125 6533 7292 5250 5140 3000 动 稳 定 度 ( 次 /mm) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 7292 6533 5250 5140 4125 不 加 纤 维 矿 物 纤 维 1 矿 物 纤 维 2 聚 脂 纤 维 1 聚 脂 纤 维 2 图 5-3 车 辙 试 验 结 果 比 较 图 从 车 辙 试 验 结 果 可 以 看 出, 纤 维 对 提 高 沥 青 混 合 料 高 温 动 稳 定 度, 改 善 其 抵 抗 车 辙 能 力 具 有 明 显 效 果 纤 维 改 善 沥 青 混 合 料 高 温 动 稳 定 度 性 能 原 因 主 要 在 于 纤 维 的 加 筋 和 桥 接 作 用, 由 于 这 种 相 互 搭 接 形 成 纤 维 沥 青 胶 浆 网 络, 有 效 增 强 了 对 矿 料 骨 架 的 约 束, 同 时 均 匀 分 散 的 纤 维 通 过 加 筋 和 桥 接 作 用 可 以 使 路 面 上 传 递 的 荷 载 及 时 地 分 散 到 矿 料 骨 架 和 沥 青 胶 浆 中, 不 会 引 起 矿 料 沿 其 接 触 面 滑 移, 或 减 小 了 这 种 滑 移 的 趋 势, 从 而 增 强 了 矿 料 骨 架 的 稳 定 性 另 外 从 车 辙 结 果 可 以 看 出, 掺 加 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 沥 青 混 合 料 高 温 稳 定 性 能 均 比 掺 加 聚 酯 纤 维 的 沥 青 混 合 料 有 较 大 的 提 高, 同 时 作 为 表 面 处 理 的 矿 物 纤 维 2 比 矿 物 纤 维 1 的 性 能 要 好, 分 析 主 要 导 致 的 主 要 原 因 是 玄 武 岩 纤 维 在 经 过 膨 胀 化 处 理 后, 纤 维 的 自 身 性 能 受 到 一 定 的 损 失 6 结 论 通 过 对 不 掺 加 和 掺 加 纤 维 的 沥 青 混 合 料 进 行 试 验 评 价, 可 以 得 出 : 1 通 过 配 合 比 设 计, 两 种 掺 加 不 同 处 理 方 式 的 玄 武 岩 纤 维 沥 青 混 合 料 体 积 指 标 ( 空 隙 率 矿 料 间 隙 率 和 饱 和 度 ) 都 能 满 足 现 行 规 范 要 求, 掺 加 纤 维 沥 青 混 合 料 的 沥 青 用 量 比 不 掺 加 的 沥 青 混 合 料 高 0.2%, 说 明 纤 维 具 有 一 定 的 吸 附 作 用 2 在 抗 水 损 害 性 能 方 面, 两 种 掺 加 玄 武 岩 纤 维 的 沥 青 混 合 料 比 不 掺 加 纤 维 及 掺 加 聚 酯 纤 维 沥 青 混 合 料 抗 水 损 害 性 能 有 一 定 程 度 提 高, 且 两 种 处 理 方 式 的 玄 武 岩 纤 维 混 合 料 抗 水 损 害 6
性 能 相 当 ; 在 高 温 性 能 方 面, 两 种 掺 加 纤 维 的 沥 青 混 合 料 比 不 掺 加 纤 维 及 掺 加 聚 酯 纤 维 混 合 料 高 温 稳 定 性 能 有 较 大 提 高, 且 第 二 种 矿 物 纤 维 混 合 料 高 温 稳 定 性 比 第 一 种 有 一 定 程 度 提 高 3 综 合 水 稳 定 性 及 高 温 稳 定 性 能 可 以 得 出, 掺 加 玄 武 岩 矿 物 纤 维 的 沥 青 混 合 料 比 不 掺 加 纤 维 及 掺 加 聚 酯 纤 维 的 沥 青 混 合 料 性 能 均 有 所 提 高, 同 时 表 面 未 作 膨 胀 化 处 理 的 玄 武 岩 矿 物 纤 维 要 比 表 面 作 膨 胀 化 处 理 的 玄 武 岩 矿 物 纤 维 在 沥 青 混 合 料 中 的 性 能 要 好 参 考 文 献 1 JTJ 052-2000, 公 路 工 程 沥 青 及 沥 青 混 合 料 试 验 规 程. 2 JTG F40-2004, 公 路 沥 青 路 面 施 工 技 术 规 范. 3 Superpave 沥 青 混 合 料 基 础 参 考 手 册, 人 民 交 通 出 版 社. 7