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高等级沥青路面颗粒木质素纤维应用研究

沥青路面2020-08-19 12:36:52

沥青玛蹄脂碎石混合料(Stone Matrix Asphalt),是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙组成一体的沥青混合料。在SMA混合料中,由于木质素纤维的吸附、稳定及多向加劲作用,可以较好地改善和提高沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能、抗滑能力和耐久性,是当前国际上公认的一种高低温性能、抗滑能力和耐久性较好的沥青面层混合料,因而被各国采用和研究,其中纤维稳定剂在混合料中的主要作用有:加劲、分散、吸附及吸收沥青、稳定及增粘作用。

 

甘肃省前期修筑的高速公路路面存在的典型病害有:车辙、开裂、水损害等,分析原因一方面与当地的特殊地质、气候情况有关,另一方面还与混合料的路用性能有关。为了改善和提高沥青混合料的路用性能,甘肃省临合高速公路上面层设计了SMA13型改性沥青混合料,同时项目业主本着对“新材料和工艺的应用和推广”原则,拟在本项目的部分路面标段上面层使用颗粒木质素纤维,由于颗粒木质素纤维在甘肃省高速公路领域属于首次应用,尚缺乏相关实践经验,项目业主委托路面技术咨询单位展开对颗粒状和絮状两种不同的木质素纤维进行室内试验对比研究,为项目路的推广和应用提供技术支撑。为此,本文将采用颗粒状和絮状两种不同的木质素纤维进行室内对比研究,重点介绍室内试验研究成果,另外也介绍了颗粒木质素纤维在试验路施工中所取得的良好铺筑效果。

 

颗粒木质素纤维简介

 

目前市场上的颗粒木质素纤维主要分为两大类:一类是采用蜡作为造粒剂,缺点是颗粒较硬很难分散,且蜡对沥青混合料本身就有害,在实际使用中往往在沥青混合料中会发现有未分散的颗粒纤维;另一类是用沥青作为造粒剂,制造出来的颗粒木质素纤维容易分散,克服了在生产中难以分散的缺点,同时造粒剂本身对沥青混合料无害。据了解,国内道路市场上应用较多的颗粒木质素纤维是进口的某进口品牌公司生产的V某系列产品,造粒剂采用对沥青混合料无害的德国重交沥青,原料则完全采用某进口品牌公司自己生产的松散木质素纤维,由于V某产品是在每根纤维表面均匀涂抹上一层沥青,并且沥青未浸透纤维,然后再制作成颗粒状,成品的颗粒状纤维中约含10%的沥青,因此V某颗粒在沥青混合料拌和过程中纤维表面的沥青涂层受热易于融化,其中的木质素纤维可以迅速分散在混合料中并吸附沥青,达到稳定沥青混合料的效果。该松散木质素纤维原材料以天然木材为主,采用物理过程加工后从天然木材中提取出特级纤维素,颜色为灰色,主要制作流程为:天然原木→机械粉碎→烘干→机械研磨→分离→木质素纤维→包装。

 

室内试验研究过程

 

为了有针对性地对比分析颗粒状纤维与絮状纤维在沥青混合料中的不同之处,本次室内试验研究采用了相同的SBS改性沥青、相同的粗细集料和矿粉,分别研究某进口品牌公司生产的颗粒木质素纤维和某进口品牌絮状木质素纤维在SMA13沥青混合料中的性能,具体研究过程如下所述。

 

室内混合料的拌制流程

 

为了让木质素纤维在混合料中能够充分分散,把SMA13沥青混合料中多余的自由沥青吸附走,因此纤维的干拌时间如何合理确定成为关键,通过室内多次试拌和观察试拌后纤维的分散效果,最终确定在粗细集料中加入木质素纤维后干拌90s较为合理。

 

具体SMA13沥青混合料室内拌和流程为:将加热的粗细集料置于拌和机中,然后加入纤维稳定剂并适当干拌分散,拌合时间为90s;然后再加入需要数量的SBS改性沥青,开动拌和机一边搅拌一边使拌和叶片插入混合料中拌和90s;暂停拌和,迅速再加入加热的矿粉,继续拌和90s,并使SMA13沥青混合料保持在要求的拌和温度范围内,总的拌和时间为270s

 

级配设计

 

为了使两种木质素纤维(颗粒状和絮状)SMA13沥青混合料相关试验结果更具有可比性,拟定两种木质素纤维SMA13沥青混合料使用相同的合成级配。先确定SMA133种级配(级配A、级配B和级配C)4.75mm筛孔通过率分别为23.5%27.4%31.2%,并分别测定3种级配的VCADC

 

由于颗粒木质素纤维中约含10%的沥青,其在SMA混合料中的掺量一般比絮状木质素纤维稍大一些,根据以往工程的应用经验,本次室内试验拟按照颗粒木质素纤维掺量为沥青混合料的0.4%和絮状木质素纤维的掺量为沥青混合料的0.3%进行相关试验研究。根据确定好的3种级配和本次试验所有集料的特性(密度和吸水率),结合以往工程的应用经验,按照初试油石比为5.8%双面各击实75次制作马歇尔试件,测定VVVMAVFAVCAmix等指标,在混合料指标满足技术要求的基础上确定级配。级配B体积指标满足要求,而级配A饱和度VFA和级配C矿料间隙率VMA不满足要求,因此本次设计选择级配B为设计级配。

 

最佳油石比的确定

 

按级配B称取矿料,采用不同种油石比,双面各击实75次成型马歇尔试件,然后将成型的试件进行马歇尔稳定度试验。

 

根据项目路SMA13混合料体积指标的设计要求,空隙率应控制在34.5%,本次颗粒木质素纤维油石比为5.8%时空隙率为4.0%,絮状木质素纤维油石比为5.9%时空隙率为3.9%,其它指标(VMAVCA、稳定度、饱和度等)均满足技术指标的设计要求,根据以往工程应用经验,分别选取5.8%5.9%作为两种木质素纤维SMA13沥青混合料的设计油石比。

 

混合料性能试验

 

针对上述两种木质素纤维SMA13混合料体积指标的试验研究成果,分别对两种混合料进行相关性能试验,主要包括谢伦堡析漏试验(烧杯法)、肯塔堡飞散试验、抗水损害试验、动稳定度试验和低温抗裂性检验。从试验数据分析可知,上述所设计的SMA13混合料的相关性能指标均满足技术要求。

 

室内研究成果评价

 

通过上述两种木质素纤维SMA13混合料的级配设计和相关验证试验,表明两种混合料的抗水损害性能、高温稳定性能和低温抗裂性能均能满足技术要求,均可作为生产配合比设计的依据。

 

经济分析

 

根据上述室内试验研究成果和项目上的SBS改性沥青及木质素纤维预测价格,然后对两种木质素纤维SMA13的经济性进行分析,从中的测算数据可知:某进口品牌颗粒木质素纤维SMA13混合料造价比某进口品牌絮状木质素纤维SMA13混合料造价约增加2/m2左右。

 

方案比较

 

根据上述第3节所研究和分析的成果,对两种木质素纤维SMA13混合料进行方案比较。通过分析,虽然某进口品牌颗粒木质素纤维SMA13混合料造价比某进口品牌絮状木质素纤维SMA13混合料高一点,但综合各自的优缺点,并本着对新材料和工艺的应用和推广原则,最终项目业主决定选择某进口品牌颗粒木质素纤维在项目路上的一个路面标段进行试验路铺筑。

 

生产配合比设计

 

在确定使用某进口品牌公司生产的颗粒木质素纤维后,就根据上述第3节的研究成果进行生产配合比的设计工作,从表中数据分析,各项体积设计指标和相关性能验证指标均能满足技术要求,可指导后续的试拌、试铺工作。

 

试验路铺筑

 

拌和楼试拌

 

根据生产配合比的设计成果,施工单位进行了沥青拌和楼的试拌工作,从拌和出的混合料外观来看,无花白料、无未分散的颗粒木质素纤维,整体混合料较为均匀;从拌和出的混合料室内检测结果来看,所检指标均能满足技术要求。

 

试验路铺筑

 

鉴于某进口品牌颗粒木质素纤维在SMA13混合料中的各项指标均能满足技术要求,并通过沥青拌和楼试拌出来的混合料相关检测指标结果得到验证,在完成试验路前的相关准备工作后,最终选择在甘肃省某条高速公路左幅K67+580K68+990进行了上面层SMA13混合料试验路的铺筑工作。从试验路的施工现场来看:整体铺面均匀,表面粗糙、纹理较深,符合SMA路面的铺面特点;从试验路的室内混合料检测结果来看:油石比和级配检测结果与生产配合比设计结果较为吻合,混合料的马歇尔体积指标和所检测的混合料性能均满足技术要求;从试验路的现场检测结果来看:正常铺面所检测点的马氏压实度均大于99%,理论压实度均在95%96.5%之间,构造深度均在0.91.2mm之间,渗水系数均在50ml/min以内(大部分测点不渗水),满足项目路技术指标控制要求。

 

试验路的各项检测结果表明:上面层SMA13的施工工艺及施工方法、施工配合比、碾压顺序、碾压速度、碾压遍数和松铺系数等参数是合理的,达到了铺筑试验路的预期目的,可指导后续上面层的大规模施工。

 

结语

 

本文重点是在论述颗粒状和絮状两种木质素纤维在SMA13沥青混合料中的室内试验研究情况,同时介绍某进口品牌公司生产的颗粒状纤维首次在甘肃省某条高速公路上的试验路铺筑情况,意在积累经验,为今后国内相关工程的推广和应用提供参考意见。此外,通过本次研究可以得出如下几点结论:(1)从室内混合料的水损害性能分析:两种木质素纤维的SMA13混合料的水损害性能基本相当,无明显的优劣。(2)从室内混合料的高温、低温性能分析:某进口品牌颗粒木质素纤维的SMA13混合料比某进口品牌絮状木质纤维要高许多,前者的高温、低温性能相对要好一些。(3)至于2种木质素纤维的SMA13混合料的水损害性能、高低温性能是否具有上述研究结论的普遍规律,限于时间关系,本次没作过多研究,还有待于后期的进一步研究验证。(4)通过价格测算,某进口品牌颗粒木质素纤维的SMA13混合料的价格比某进口品牌絮状木质纤维的SMA13混合料的价格要高一些,具体差价有多少,要根据项目的相关材料预算进行测算,就本项目而言,差价约为2/m2(5)从试验路的铺面外观效果来看,上面层SMA13的整体铺面较为均匀,表面粗糙、纹理较深,符合SMA路面的铺面特点。(6)从试验路的室内和现场的检测结果来看,各项指标均能满足技术要求,并且达到良好的控制状态,表明上面层SMA13的生产配合比、施工方法、碾压顺序、碾压速度、碾压遍数和松铺系数等参数是合理的,达到了铺筑试验路的预期目的,可指导后续上面层的大规模施工。(7)此外,从室内研究结果和拌和楼试拌试铺检测结果可以看出:颗粒木质素纤维的SMA13混合料在室内试拌阶段的析漏值较沥青拌和楼拌出的混合料的析漏值要大,说明沥青拌和楼对颗粒木质素纤维的分散效果要好于室内小型拌和机的分散效果。