通过新材料的研发以提高沥青混合料的综合路用性能,延长沥青路面在各种不利环境条件下的使用寿命已成为沥青路面材料领域一个新的发展趋势。而短切玄武岩纤维和高粘度改性沥青因其各自优异的材料特性逐渐成为这一领域内的研究热点。

    短切玄武岩纤维具有高抗拉强度、高弹性模量等优异的力学特性,其显著的增粘、增弹、增强作用可改善沥青的高温流变特性,提高沥青混合料高温抗剪切流动变形能力与抗疲劳性能。高粘沥青是一种新型特种改性沥青,其粘度大,与矿料粘结力强,高粘沥青混合料具有优异的高温稳定性、水稳定性等路用性能,主要应用于排水路面、高性能钢桥面铺装以及湿热地区等对高温稳定性要求较高的特殊路段。但目前针对玄武岩纤维与高粘沥青的混合料复合改性性能研究较少,根据这两种材料的性能特性,该文通过制备玄武岩纤维高粘沥青混合料,研究玄武岩纤维增强高粘沥青混合料的制备工艺及其复合增强效果,为这种高性能沥青混合料的进一步研究与应用提供参考。

    原材料性能

    高粘沥青改性剂

    改性剂采用江苏宝利沥青公司生产的直投式高粘沥青改性剂,是以热塑性橡胶为主要原料,并配以稳定剂、高粘性树脂及增塑抗氧化等成分,充分混熔塑化而成的淡黄色球状颗粒,与道路石油沥青具有很好的相容性。

    玄武岩纤维

    玄武岩纤维采用浙江石金公司提供的6mm短切玄武岩纤维,由玄武岩石料高温熔融后通过拉丝漏板高速拉制而成。通过扫描电镜对短切玄武岩纤维进行微观形貌分析。可知:短切玄武岩纤维外表光滑,呈圆柱状,具有较高的强度与弹性模量。

    沥青

    采用70#道路石油沥青作为基质沥青制备高粘沥青混合料,同时采用SBS改性沥青用于对比研究,均为中石化东海牌沥青。

    集料

    粗集料采用玄武岩集料,细集料采用机制砂,矿粉采用石灰岩矿粉,性能指标均满足相关规范要求。

    玄武岩纤维高粘沥青混合料制备工艺

    拌和工艺

    玄武岩纤维与高粘改性剂均采用干拌的方式加入,干拌顺序与拌和时间直接影响混合料的性能。干拌时间越长,纤维分布越均匀,越有利于形成空间网状结构,充分发挥玄武岩纤维优异优的力学性能,有效提高混合料的路用性能。若分散不均匀,结束成团,不能与沥青和矿粉充分粘附,不仅降低了纤维的利用效能,甚至可能成为薄弱界面,对混合料的路用性能带来不利影响。对于高粘粒子改性剂,必须有足够的干拌时间才能保证粒子被充分剪碎,均匀分布于矿料中,便于与之后加入的基质沥青快速改性形成高粘度改性沥青。

    利用室内小型拌和锅进行干拌试验,拌和时,应先加入玄武岩纤维进行干拌,当玄武岩纤维大致分散后再加入高粘粒子。若同时加入,高粘粒子遇到高温加热的集料迅速熔化,会将未及分散的纤维粘在一起,形成纤维粒子胶团,不利于纤维分散。最终确定玄武岩纤维高粘沥青混合料室内拌和工艺为:将纤维与加热的集料干拌30s,使纤维大致分散。之后加入高粘粒子改性剂,共同干拌60s,既可保证纤维与高粘粒子改性剂有足够的干拌时间,又不会使纤维与粒子聚集成团。干拌完成后加入基质沥青湿拌3min,与普通沥青混合料相比,增加了1.5min的干拌时间。

    温度控制

    与普通聚合物改性沥青相比,高粘度改性沥青混合料需要更高的施工温度来确保空隙率等体积指标满足要求以及获得较好的施工和易性。同时由于加入了玄武岩纤维,采用两次干拌法,工艺较为复杂,变量条件较多,因此应进行施工温度的试验研究,以确定玄武岩纤维高粘沥青混合料的适宜施工温度。

    相同击实功下,沥青混合料的拌和及击实温度直接影响混合料的空隙率等体积指标,因此,设计不同施工温度组合,以混合料的空隙率为控制指标,来确定最优的施工温度。混合料类型为SMA-13。SMA沥青混合料空隙率通常控制在3%~4.5%之间,矿料加热温度为195℃,拌和温度为180~185℃,控制击实温度为170~175℃,可保证玄武岩纤维高粘沥青SMA混合料的体积指标满足要求。

    配合比设计

    矿料级配

    玄武岩纤维高粘沥青混合料采用SMA-13型矿料级配,以13.2、4.75和0.075mm通过率为控制指标,通过率分别为95%、27%和10%。SMA混合料属于骨架密实型结构,细集料与沥青、矿粉及纤维组成沥青玛蹄脂填充于粗集料骨架中,为获得较密实的细集料填充结构,以0.075和4.75mm通过率为控制值,借鉴沙庆林院士多碎石沥青混凝土SAC设计方法,使细集料各个筛孔通过率服从幂函数密实曲线。

    最佳油石比确定

    采用马歇尔试验法确定玄武岩纤维高粘沥青SMA-13混合料最佳沥青用量,高粘改性剂用量为混合料总质量的1%,根据已有研究,玄武岩纤维用量为0.4%。油石比分别为5.6%、5.9%、6.2%、6.5%,配制4组马歇尔试件,每组6个,为保证准确性,应对每个马歇尔试件分别备料。油石比为5.9%时各项马歇尔体积指标均较好地满足要求,故最佳油石比确定为5.9%。

    路用性能试验

    高温稳定性

    采用车辙试验评价混合料的高温稳定性。高粘沥青与SBS改性沥青混合料均采用相同的级配SMA-13,油石比均为5.9%,玄武岩短切纤维掺量均为0.4%。

    可知:两种玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度均远大于规范要求,但与SBS改性沥青混合料相比,高粘沥青混合料的动稳定度更高,车辙总变形小,高温抗车辙能力优于SBS改性沥青混合料。高粘沥青60℃粘度大,抗剪切流动变形能力强,加之分布其中的玄武岩纤维的增粘、增强作用进一步强化了高温抗变形能力,故玄武岩纤维高粘沥青混合料具有优良的高温稳定性能。

    水稳定性

    采用冻融劈裂试验评价混合料的水稳定性能。冻融劈裂试验包括真空饱水、冻融和高温水浴3个过程,将实际路面受水的影响集中、强化,可在较短的时间内模拟路面较长时间的影响。

    可知:玄武岩纤维高粘沥青混合料的水稳定性能要优于SBS改性沥青混合料,这是因为高粘沥青粘度大,与矿料的粘结力强,水分浸入后抗剥落能力要优于SBS改性沥青,故具有较好的抗水损害性能。

结论

    (1)玄武岩纤维高粘沥青混合料需要较高的施工温度以满足性能指标与施工和易性要求,矿料加热温度为195℃,拌和温度控制为180~185℃,击实温度控制为170~175℃。

    (2)玄武岩纤维和高粘沥青改性剂复合使用后,混合料的高温稳定性与水稳定性大幅改善,均优于SBS改性沥青混合料,对于中国南方高温多雨地区具有更好的适用性。