纤维沥青混凝土应用技术研究

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随着我国公路交通事业的发展, 大跨径桥梁逐渐增多, 铺装层的质量好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。大跨径桥梁的桥面铺装,往往因为交通量大, 没有替代的其他疏散道路而使得维护较为困难, 所以,需要桥面铺装有较长的使用寿命。
    为了适应现代交通对沥青混凝土桥面铺装提出的越来越高的要求, 出现了诸如改性沥青SMA、环氧沥青混凝土、沥青玛碲脂混合料、浇注式沥青混凝土等桥面铺装材料和技术[1～4 ]。虽然它们具有较好的性能, 但或者需要采用特殊设备, 或者是有一定的施工难度, 或者造价比较高, 一时还难以大面积推广。针对扬州西北绕城高速公路的具体工程情况,本文选择了纤维沥青混合料作为桥面铺装材料[ 5 ]。
    1、纤维沥青混合料的路用性能研究
    本研究首先通过扬州西北绕城高速公路桥面铺装上层及下层2 种级配类型沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能试验[6 ] , 来综合评价沥青混合料的各项性能以及纤维的增强作用。
    1.1　沥青混合料的高温稳定性试验
    由于沥青混凝土路面的强度和刚度(模量) 随温度升高而显著下降, 为了保证沥青混凝土铺装层在高温季节行车荷载反复作用下,不至于产生诸如波浪、推移、车辙和拥包等病害, 铺装层应具有良好的高温稳定性, 即在荷载的作用下具有抵抗永久变形的能力。车辙试验因能较好地反映车辙的形成过程,得到世界各国的广泛认可与采用,本研究即采用车辙试验来评价纤维沥青混凝土的高温抗车辙能力,试验结果。
    试验结果表明: 加入纤维后, 沥青混合料的抗车辙性能得到改善。这是因为车辙的形成主要是由于试验初期沥青混合料本身的压密,以及随后沥青混合料的侧向流动变形。加入纤维与未加纤维对混合料的初期压密变形影响不大, 但是对后期的侧向流动变形有较大的影响。加入纤维后, 纤维吸附及稳定沥青,使沥青的粘稠度和粘聚力增大, 同时由于纵横交错的纤维加筋作用, 使沥青混合料的整体性、抗剪性及抗车辙能力增强。从动稳定度结果可以看出, 纤维可显著改善沥青混合料的高温抗车辙性能。
    1.2　沥青混合料低温性能试验
    沥青混合料是一种温度敏感性材料, 环境温度的变化会使其使用性能发生很大的变化。随着温度的降低, 沥青混合料的强度和劲度都会明显增大,但其变形能力却会显著下降, 并可能会出现脆性破坏。
    低温主要是影响沥青混合料的抗拉强度和变形能力, 从而造成沥青混合料的低温开裂。本研究通过试验测定沥青混合料在-10 ℃时弯曲破坏的力学性质来评价沥青混合料的低温抗裂性能。
    从试验结果可以看出, 纤维的加入有效地提高了铺装层材料低温时的柔韧性, 这样使得铺装层在低温季节能更好地适应桥面板的变形,减少在低温季节容易出现的桥面温缩裂缝和疲劳裂缝。这对于改善桥面铺装低温时的使用性能具有重要意义。
    1.3　沥青混合料水稳定性试验
    沥青混凝土铺装层中若有水分存在, 则在汽车车轮动态荷载的作用下, 进入路面空隙中的水会不断产生动水压力及真空负压抽吸的反复循环作用,使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力。继而,沥青膜从集料表面脱落, 沥青混合料出现掉粒、松散, 形成沥青混凝土路面的坑槽、松散等损坏现象。因而, 必须重视沥青混合料自身抗水损坏能力的好坏。
    本文首先进行了浸水马歇尔试验, 结果表明不同级配、不同沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度都远远高于规范要求。虽然该试验方法操作比较简单,但不能较好地反映实际沥青混凝土路面早期的水损情况。为了更有效地评价沥青混合料的水稳定性能, 本研究又进行了冻融劈裂试验。
    试验结果表明, 加入纤维对沥青混合料的水稳性有改善作用, 且纤维对普通沥青混合料的改善作用相对较大。这主要是因为纤维可以吸附部分沥青,从而增大沥青用量,提高沥青饱和度; 并且使粘附在矿料上的结构沥青膜变厚, 降低了水对沥青胶浆的侵蚀破坏作用, 增强了沥青胶浆抵抗自然环境破坏的能力, 使混合料抗水损害能力增强。而改性沥青混合料本身就具有较强的水稳定性,所以, 纤维对其的改善作用并不明显。
    另外,对于采用相同沥青基质的混合料, 纤维对A K213A 型改性沥青混合料水稳定性的改善作用要优于AC220 I 型改性沥青混合料。这是由于矿料级配越细, 细矿料比表面积越大,与沥青及纤维的相互作用越强, 沥青混合料水稳性的改善幅度就越大。
    2、纤维沥青混合料的力学性能研究
    桥面铺装结构层沥青混凝土力学性能计算参数, 包括劈裂抗拉强度和抗压回弹模量。本研究测得了扬州西北绕城高速公路桥面铺装上层及下层2种级配类型条件下, 各铺装层材料的力学性能。
    2.1　沥青混合料劈裂试验
    本试验测定热拌沥青混合料在15 ℃下的劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。
    由试验结果可以看出, 在A K213A 中掺加增强纤维, 增加了沥青混合料的劈裂抗拉强度。这主要是由于在劈裂的条件下,试件内部呈受拉状态, 试件的破坏主要是由于内部的粘结力不足以抵抗外荷载的作用, 而纤维增加了沥青与矿料间的粘附性, 提高了集料之间的粘结力, 进而提高了沥青混合料的抗劈裂能力。