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      聚丙烯纖維對微表處技術性能影響
      來源:admin    發布日期:2019-10-12    點擊次數:1687次

      前言

       

         自2000年我國首次使用微表處技術以來,短短十幾年時間,在全國20多個省份的高速公路養護中得到了廣泛應用。然而,近年來隨著微表處鋪筑工程的增多和研究的不斷深入發現,微表處并沒有達到預期的效果,鋪筑微表處的路面也出現了以下問題:抗裂性較差,不能滿足重交通量的要求,導致微表處路面使用壽命縮短;用于填補較厚的車轍時,不能有效地抵抗車轍變形等,從而大大限制了該技術在我國預防性養護中的推廣和應用。一般提高微表處混合料性能指標有3種途徑:①改善瀝青結合料粘結特性來提高混合料的粘結力,如采用SBS改性瀝青;②通過提升集料品質或改善骨料級配來提升微表處混合料的路用性能,如對集料的壓碎值、磨光值、棱角性以及混合料級配提出要求;③通過在微表處混合料中加入纖維等加筋材料來改善混合料的整體強度。本文主要研究了聚丙烯纖維對微表處混合料技術性能的影響。

       

      主要原材料性能

       

      改性乳化瀝青

       

         微表處主要用于新建或改建路面的磨耗層、罩面和抗滑表層等。由于其使用條件的特殊性,要求改性乳化瀝青應具有良好的粘結性、感溫性與彈性等,以提高與集料的粘結力、改善路用性能。微表處必須選用陽離子型聚合物改性乳化瀝青,其性能應滿足相應規范中關于乳化瀝青的技術要求。

       

      集料

       

         微表處混合料中集料占主要部分,其質量高達90%以上,因此集料質量的好壞直接影響著微表處路用性能。微表處常用做高等級公路的路面表層,直接與車輛荷載相接處,要求具有良好的抗滑、耐磨耗性能、耐久性,這就要求集料選擇時其質量必須滿足相應規范中各項指標,選用強度高、硬度大、棱角多、耐磨耗性好的集料。本文粗集料采用玄武巖,細集料選用石灰巖。經檢測各項技術指標均滿足規范要求。

       

      纖維

       

         瀝青混合料摻加纖維后,其力學性能可以明顯得到改善。由于聚丙烯纖維耐溫比較低、價格低廉、應用廣泛,故本章微表處所用纖維均采用KWSA3聚丙烯纖維。

       

      纖維對微表處混合料性能施工性能的影響研究

       

      拌合試驗

       

         拌合試驗主要用于確定微表處混合料的可拌合時間和成漿狀態,從而為最佳油石比的選擇提供依據。為了評定摻加纖維對混合料外加水量的影響,選擇油石比7.5%和不同纖維摻加量進行拌合試驗。試驗時纖維、外加水和水泥均通過外摻法進行添加。

       

         纖維摻量在00.10%范圍內時,混合料外加水量隨著纖維用量的增加而增加;超過0.10%后外加水量不再增加,趨于穩定。其中纖維摻量為0.10%時,拌合時間最為適宜。

       

      粘聚力試驗

       

         微表處混合料最大的優勢之一就是能夠快速開放交通,規范規定微表處混合料攤鋪完成1h后開放交通,這對其早期強度提出了較高要求。微表處混合料的初凝時間和開放交通時間主要通過粘聚力試驗來評價,其值大小對微表處是否能夠滿足快速開放交通的要求具有重要影響。其中纖維微表處混合料的礦料級配采用MS3型級配中值、纖維摻量為0.10%。

       

         可以看出,普通微表處混合料中摻加纖維后,粘聚力有所增強,但強度差異性不大,30、60min粘聚力值分別提高8.87%4.89%,則說明纖維微表處同樣可以滿足微表處快速開放交通的要求。

       

      纖維微表處混合料路用性能研究

       

      纖維摻量對微表處混合料濕輪磨耗試驗的影響

       

          規范微表處混合料配合比設計時需進行濕輪磨耗試驗,以檢測其抗磨耗性和抗水損壞能力。規范規定微表處混合料浸水1h,濕輪磨耗值不大于540g/m2、浸水6d,濕輪磨耗值不大于800g/m2。變化水泥摻量分別做1h、6d濕輪磨耗試驗。變化乳化瀝青用量為7.0%7.5%,每個乳化瀝青用量下從0%0.25%間隔0.05%變化纖維摻量。

       

         可以看出:

       

      ①纖維的添加可減小磨耗質量損失,提高微表處混合料的抗磨耗能力。②隨著纖維用量的增加濕輪磨耗值先減小后增加,表明在一定纖維用量范圍內纖維可有效提高微表處混合料的抗磨耗能力,纖維摻量較小時縱橫交錯的纖維可以對微表處混合料起到加筋作用,當纖維用量達到最佳摻量時,進一步增加纖維用量,纖維在微表處混合料內部的分散均勻性開始下降,導致沒有分散開的纖維在混合料內部出現接團現象,在混合料內部形成薄弱面。因此可以通過磨耗試驗初選最佳纖維摻量。③比較兩種乳化瀝青用量下的最佳纖維摻量可以發現,隨著乳化瀝青用量的增加,最佳纖維摻量也呈增大趨勢。

       

      纖維摻量對微表處混合料抗松散性能的影響

       

         參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(T07332011)關于SMA、OGFC抗松散能力的評價方法,本文采用肯塔堡分散試驗對泡沫瀝青冷再生混合料的抗松散性能進行了研究。

       

         試驗時固定乳化瀝青用量為7.5%,水泥摻量為2%,變化纖維摻量為0%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%,一個纖維摻量共成型8個馬歇爾試件,60℃養生2d后將試件隨機分為兩組,一組用于常溫飛散試驗,另一組試件首先在25℃水浴中放置了6d,然后進行飛散試驗,試驗結果見圖。

       

         由試驗結果可知道:加入纖維可以改善微表處混合料的抗松散性能,尤其是對浸水后微表處混合料抗松散性能有較顯著的改善作用。此外隨著纖維摻量增加微表處混合料的飛散質量損失率減小,當纖維摻量超過0.15%后纖維摻量其對微表處混合料抗松散性能的改善作用趨于平穩。

       

      纖維摻量對微表處混合料長期使用性能的影響

       

         為了研究纖維摻量對微表處混合料長期使用性能的影響,本文采用了MMLS3小型加速加載設備對模擬的路面結構進行了加速加載試驗,從而間接評價出不同纖維摻量下微表處混合料長期使用性能的優劣。本文加速加載試驗時,采用標準軸載(0.7MPa)。試驗溫度為60℃,加載速率采用6000次·h1。變化纖維摻量0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%,固定水泥摻量為2%。成型直徑152.4,高95.3標準大馬歇爾試件,60℃烘箱中養生2d后取試件中間5cm部分用于加速加載試驗,每個纖維摻量的試件各3個。MMLS3加速加載設備可測試并記錄不同加載次數時各加載試件的車轍深度,進而得到試件車轍深度隨加載次數的變化規律。

       

      試件車轍深度隨加載次數的變化規律

       

         北美研究結果表明,車轍的形成可分為3個階段,即初始壓密階段、蠕變穩定階段、剪切失穩階段。為了直觀對比不同纖維摻量下微表處混合料的車轍發展深度隨加載次數的變化規律,對不同加載次數作用下的混合料試件車轍深度進行研究。

       

         由試驗結果可知:5萬次荷載作用下,車轍的發展速度較快,加載5萬次時的變形量幾乎占總車轍深度的60%,從車轍的成因分析,這部分車轍主要來源于微表處混合料的壓密變形。隨后隨著加載次數增加混合料變形趨于穩定,混合料進入固結蠕變階段。比較蠕變階段的車轍變化率可以發現,纖維摻量0.2%0.25%兩者的車轍變形量隨加載次數的變化規律幾乎一樣,變形曲線甚至出現了重疊。因此,從微表處混合料的抗車轍能力以及工程的經濟性考慮,本文建議微表處混合料中聚丙烯纖維的摻量不宜超過0.2%。

       

      試件隆起變形

       

         試驗中發現,隨著加載次數的增加,混合料試件在試驗輪作用下因抗剪能力不足而產生剪切失穩破壞,與此同時,試件兩端隨加載次數的增加逐漸隆起。對不同纖維摻量的微表處混合料試件隆起高度進行了測量,以反映試件的隆起高度隨加載次數的變化。

       

         可以發現:隨著先問摻量的增加試件兩端的隆起高度有減小趨勢,這主要與纖維的加筋、穩定、粘結作用有直接關系。當纖維摻量超過0.25%時可能由于纖維在混合料內部分散不均勻,而造成其在混合料內部結團等現象,進而出現隨著纖維摻量的進一步增加微表處混合料的高溫抗剪切性能并不能得到顯著改善,考慮到工程的經濟性和微表處混合料高溫性能抗變形能力,建議微表處混合料最佳纖維摻量范圍為0.15%0.2%。

       

      纖維摻量對微表處抗滑性能的影響

       

         微表處混合料通常作為路面結構的抗滑表層,其抗滑耐久性對行車安全起到至關重要的作用。采用不同纖維摻量的微表處混合料試件進行試驗,記錄不同加載次數下經過MMLS3試驗輪磨耗作用后輪痕處微表處混合料試件抗滑性能隨加載次數的衰變規律。

       

         由試驗結果可知:可知隨著纖維摻量的增加微表處混合料的構造深度和擺值衰減幅度減小,MMLS3試驗輪作用5萬次后,不摻纖維微表處混合料BPN僅為0.2%纖維摻量下的50%,同樣加載5萬次后不摻纖維微表處混合料造深度不足0.2%纖維摻量下的3/5。因此摻加纖維可提高微表處混合料的抗滑耐久性,提高行車安全性。此外,比較不同纖維摻量下的抗滑性能衰變規律可以發現,0.2%纖維摻量可獲得較好的抗滑性能和經濟效益。

       

      纖維摻量對微表處混合料低溫抗裂性能的影響

       

         在我國寒冷地區,瀝青路面的開裂現象十分普遍,微表處混合料在我國北方地區的推廣應用過程中也同樣面臨著低溫抗裂性的考驗。因此有必要研究微表處混合料的低溫抗裂性能,從而提高微表處混合料的區域適用性。本文采用低溫小梁彎曲試驗來研究纖維摻量對微表處混合料低溫抗裂性的影響。

       

         乳化瀝青用量7.5%,水泥摻量2%,變化纖維摻量為0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%,成型雙層車轍板。60℃養生2d,待車轍板冷卻后切割40×40×250mm小梁試件。試驗前將試件放在-10℃恒溫環境箱中保溫不少于4h,試驗時采用單點加載方式,支點間距200mm,加載速率為50mm/min,記錄破壞荷載和破壞應變,以破壞應變指標來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

       

         試驗結果表明,摻加纖維后微表處混合料具有較好的低溫抗裂性能,不摻加纖維,最大彎拉應變2187.05με,不能滿足規范2800με要求,僅0.1%纖維摻量可使其最大彎拉應變提高到2826.32με,此外在0.05%0.25%范圍內隨著纖維摻量的增加最大彎拉應變呈增大趨勢,表明隨著纖維的添加確實增加了微表處混合料的低溫抗裂性能。

       

      結論

       

         纖維的摻加不會對微表處混合料的施工和易性造成影響。加入纖維可顯著改善微表處混合料的高溫穩定性、抗滑耐久性、抗松散能力和低溫抗裂性,結合本文纖維對微表處混合料施工性能和路用性能的研究,本文推薦微表處混合料中聚丙烯纖維的最佳摻量為0.1%0.2%


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