玄武岩纤维沥青混合料疲劳性能研究

玄武岩纤维沥青混合料疲劳性能研究

在混合纤维材料中添加纤维增强材料可以有效改善沥青路面的道路使用性能，满足驾驶员交通和环境变化的要求，延长沥青路面的使用周期，减少沥青路面的疾病，是国内外沥青路面技术的主要发展方向。20世纪90年代,美国在乔治亚洲铺筑了第一条掺加玄武岩纤维的沥青混凝土路面,取得了良好的路用性能尽管在沥青混合料中添加适量的玄武岩纤维能有效提高高速公路沥青路面的路用性能,例如,抗车辙,抗水损等性能,但是对于抗疲劳性能的改善研究仍然不是很充分,究竟添加不同质量比例的玄武岩纤维对于沥青混合料疲劳性能的提升有多大仍不得而知。与此同时,由于生产玄武岩纤维成品时会附带生产出带有废渣的玄武岩纤维,这些废渣纤维能否改善沥青混合料的抗疲劳性能,对于资源的充分利用和环境保护有很重要的意义。因此本实验主要通过四点弯曲小梁试验方法比较分析了不添加玄武岩纤维、添加质量分数0.05%,0.3%正常玄武纤维以及0.3%废渣玄武岩纤维4种沥青混合料的疲劳性能,从而为玄武纤维及其废渣纤维在实际工程中的应用提供参考。1材料和测试1.1沥青的相关测试指标(1)集料。集料采用玄武岩集料,级配采用AC-13级配,筛分通过率见表1。(2)沥青。沥青采用4.5线形SBS改性沥青,油石比为5%,沥青的相关测试指标见表2。(3)纤维。纤维采用石金玄武岩纤维,由浙江石金玄武岩纤维有限公司提供;该纤维为短切玄武岩纤维,以纯天然玄武岩矿石为原料,经1450~1500℃高温熔融、拉丝、短切而成;玄武岩纤维外表呈光滑的圆柱状,其截面呈完整的圆形(宏观形貌见图1)。纤维的掺量分别为混合料总质量的0.3%和0.05%。废渣纤维的掺量为混合料总质量的0.3%。1.2沥青的制备(1)将各种规格的矿料置于(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重(不少于4h)。(2)将烘干分级的粗、细集料,按AC-13的级配要求称取18kg,每盘9kg分装在2个金属盘中混合均匀,然后置于烘箱中加热至180℃。(3)将SBS改性沥青置于165℃烘箱中待用,同时将试验所需的试模和插刀等置于105℃的烘箱中加热1h备用。(4)沥青混合料拌和。(1)未加纤维:待拌和机的温度达到175℃后,将加热后的粗细集料置于拌和机中,用小铲子适当混合,打开机器拌和90s。然后加入450g沥青,再拌和90s;(2)加纤维:待拌和机的温度达到175℃后,将加热后的粗细集料置于拌和机中,用小铲子适当混合,打开机器拌和90s。然后加入称量好的玄武纤维,拌和120s(为保证饱和均匀),最后再加入450g沥青,再拌和90s。本实验将采用道路工程实验室的岩石切割机进行切割。将碾压成型后的板切割成380mm×63.5mm×50mm的标准四点弯曲小梁试件。在进行疲劳试验前,沥青混合料小梁试件均应在环境温控箱内试验温度下养护4h以上,以确保试件在进行疲劳试验之前达到试验温度。1.34个弯曲疲劳试验本试验采用IPC沥青混合料疲劳试验仪进行实验,试验温度为15℃,试验频率为10Hz,选取300×101.4混合料自身为非均匀材料疲劳试验尽管四点弯曲疲劳试验相对于其他疲劳试验的离散性要小,但由于沥青混合料自身为非均匀性材料,因而四点弯曲疲劳试验的结果仍存在明显的离散性。本次实验保证每组试验的有效试件不少于3根,有效试件数为N时k值见表3。2初始劲度模量衰减在沥青混合料应变控制疲劳试验中,使用最为广泛的疲劳判断标准为50%的初始劲度模量衰减。此项判断标准也被AASHTO的临时规范TP8-94采纳为对疲劳破坏的定义。本标准中,考虑到仪器初始运行的稳定性,选取第50次的劲度模量作为初始模量。2.1添加玄武岩纤维时沥青的疲劳特性按照50%劲度模量衰减标准疲劳分析方法,未添加纤维和添加0.05%,0.3%纤维沥青混合料在不同应变水平下的疲劳寿命见表4。由表4可见,不论在哪种应变水平下,只要添加了玄武岩纤维就会增加沥青混合料的疲劳寿命。另外,尽管纤维的添加量减小到0.05%,但是在300×10在300×10对比2种不同玄武岩纤维掺量的沥青混合料在各个应变水平下的疲劳寿命可知:增加玄武岩纤维的用量能显著改善沥青混合料的抗疲劳性能,尤其是在相对较高的应变水平下(500×102.2.3%废气纤维的疲劳寿命按照50%劲度模量衰减标准疲劳分析方法,则未添加纤维和添加0.3%废渣纤维沥青混合料在不同应变水平下的疲劳寿命见表5。由表5可见,在300×10与此同时,对比添加0.3%的玄武岩纤维和添加0.3%废渣纤维的疲劳寿命见表6。由表6可见,在300×10这种现象可能是因为废渣纤维本身的组成造成的,废渣纤维中既有纤维又有光滑的球形玄武岩颗粒。对于其中的纤维成分而言,不同于成品的玄武岩纤维,废渣中的纤维有长有短,在低应变情况下会增加疲劳寿命。但是在高应变情况下,由于光滑球状玄武石料与沥青的粘结较差,而且由于球形石料质量体积比相对于纤维要大,因此尽管废渣纤维质量是混合料总质量的0.3%,但实际纤维的质量其实远小于0.3%,另外废渣纤维材料本身强度也小于成品纤维。综上所述,如果能剔除废渣纤维中的球状颗粒,那废渣纤维也是可以一定程度上改善沥青混合料的疲劳性能的。3混合料疲劳性能(1)对比2种不同掺量沥青混合料和未添加纤维的沥青混合料疲劳寿命可知:在沥青混合料中添加玄武岩纤维能够显著增加沥青混合料的疲劳寿命,而且即便是很少量的玄武岩纤维掺量(0.05%)在改善沥青混合料疲劳性能方面仍然有很大的优势。(2)增加玄武岩纤维的用量仍然能显著改善沥青混合料的抗疲劳性能,尤其是在相对较高的应变水平下