鎳鐵礦渣纖維對SMA-13瀝青混合料高溫穩定性的影響研究

楊宇婷,詹世佐

(1.沈陽城市建設學院 沈陽市 110167;2.遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

纖維瀝青混凝土是一種新型路面材料,具有優良的路用性能,在公路工程領域得到了大范圍推廣應用。相較于其他改性方式(如聚合物類),纖維改性瀝青混凝土的顯著優勢是能夠延緩面層結構中裂縫的擴展,同時其優良的高溫性能可以減少車輛荷載作用下產生的失穩與壓密型車轍,減少疲勞破壞的出現[1-2],從而有效延長瀝青路面使用壽命,減少周期養護維修成本[3-4]。

目前,在公路工程瀝青路面中已經得到應用的纖維有木質素纖維、礦物纖維、玻璃纖維、復合改性纖維和納米改性纖維等[5]。礦物纖維近幾年作為一種新型瀝青混合料添加劑,受到了國內外相關領域的關注,其不僅具有良好的路面性能,也具有較高的抗拉強度[6],在提高混凝土結構強度及改善瀝青混合料的路用性能等方面都有顯著效果[7]。

國內鎳鐵冶煉企業產出的冶煉廢渣一般經水淬處理,然后堆存或作為路基料、混凝土骨料、工程回填料等[8]。這種處理方式不僅無法充分利用廢渣,不能解決鎳鐵冶煉渣的出路問題,而且浪費大量水資源和熱能。鎳鐵礦渣纖維是以紅土鎳礦在高溫冶煉過程中產生的爐渣為原料,摻配煤矸石、石灰等作為渣型調整劑,通過改變各成分配比,在1500～1600℃溫度條件下,采用高速離心顯熱吹制技術制備出的一種無機礦物纖維[9]。與其他瀝青混合料的礦物纖維改性劑相比,鎳鐵礦渣纖維不僅能提高瀝青混合料的強度和韌性[6],而且成本低廉,廢渣可以再利用,避免了尾礦渣的大量堆棄造成環境污染。同時,該材料的應用能夠為實現碳達峰、碳中和目標起到積極推動作用。

文章通過馬歇爾試驗和車轍試驗對鎳鐵礦渣纖維改性SMA-13瀝青混合料進行高溫穩定性研究,對比分析不同類型纖維改性瀝青混合料路用性能的改善效果,為今后鎳鐵礦渣纖維推廣應用提供一定的數據支撐和研究參考。

1 原材料

1.1 瀝青

采用90號重交通道路瀝青作為基質瀝青,SBS改性劑摻量為4.5%,主要技術性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能測試結果

1.2 粗集料

采用的粗集料是玄武巖,表面潔凈、干燥,形狀接近立方體,粗集料試驗結果如表2所示。

表2 玄武巖粗集料性能測試結果

1.3 細集料

采用的細集料為石灰巖機制砂,選取時應潔凈、干燥、無風化、無雜質,并有適當的顆粒級配。細集料試驗結果如表3所示。

表3 細集料測試結果

1.4 礦粉

礦粉試驗結果如表4所示。

表4 礦粉測試結果

1.5 纖維

鎳鐵礦渣纖維制備過程中,選擇煤矸石及石灰作為渣型調整劑,分別對不同種類的紅土鎳礦進行了路用礦物纖維制備試驗研究。根據前期研究成果,最終選擇三種不同型號的鎳鐵礦渣纖維。其中:1#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶3∶2,爐渣溫度1520℃;2#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶2∶3,爐渣溫度1560℃;3#鎳鐵礦渣纖維原料配比為紅土鎳礦∶煤矸石∶石灰=5∶4∶1,爐渣溫度1520℃。纖維外觀見圖1,各型號纖維技術指標見表5。

圖1 不同型號鎳鐵礦渣纖維外觀

表5 鎳鐵礦渣纖維的基本技術性能

木質纖維素選用山東沃爾森生產的絮狀纖維,技術指標如表6所示。

表6 木質素纖維基本技術性能

2 SMA-13瀝青混合料配合比設計

2.1 礦料級配

SMA-13瀝青混合料配合比設計根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[10]要求,采用馬歇爾體積設計方法確定。材料組成及合成級配結果如表7所示。

級配曲線如圖2所示,各礦料添加比例見表8。

圖2 SMA-13混合料合成級配曲線

表8 各種礦料的摻配比例

2.2 最佳油石比

根據確定的礦料級配,結合遼寧省已有工程經驗,木質素纖維摻量選定為0.3%;為了對比鎳鐵礦渣纖維和木質素纖維對SMA-13混合料性能的改善效果,確定鎳鐵礦渣纖維的最優摻量,不同類型的鎳鐵礦渣纖維摻量取0.3%、0.4%、0.5%。

通過馬歇爾試驗,最終確定各組混合料最佳油石比如下,具體見表9。

表9 最佳油石比確定

3 SMA-13瀝青混合料高溫性能測試

3.1 試驗方法

通過馬歇爾試驗和車轍試驗對鎳鐵礦渣纖維改性瀝青混合料進行測試,比較分析不同種類纖維改性瀝青混合料高溫性能的改善效果。

(1)馬歇爾試驗

馬歇爾穩定度是馬歇爾標準試件在試驗時可產生破壞的最大應力,流值表征其變形情況。當馬歇爾穩定度大而對應的流值較小時,表明混合料的強度較高[11]。試驗針對不同鎳鐵礦渣纖維在不同摻量下的馬歇爾試件進行檢測,通過馬歇爾模數(馬歇爾穩定度/流值)考察纖維改性瀝青混合料的高溫性能。

(2)車轍試驗

車轍試驗是瀝青混合料的一種規范檢測方法,可以用來評價瀝青混合料的高溫性能,能夠貼近真實模擬出瀝青路面車轍的形成過程,試驗結果與瀝青路面車轍深度之間有較好的相關性。此次研究采用室內小型輪轍試驗。試驗所用設備如圖3。

圖3 試驗設備

3.2 馬歇爾試驗結果分析

通過馬歇爾試驗對4種改性瀝青混合料進行高溫性能研究,其中木質纖維摻量為0.3%,鎳鐵礦渣纖維摻量分別為0.3%、0.4%、0.5%,對最佳油石比條件下得到的馬歇爾模數進行對比分析,結果見圖4。

圖4 SMA-13瀝青混合料馬歇爾模數

由圖4可知,3種不同類型鎳鐵礦渣纖維的馬歇爾模數對比中,1#鎳鐵礦渣纖維改善效果最明顯。在同種纖維、不同摻量的情況下進行對比分析可知,1#、3#鎳鐵礦渣纖維在摻量為0.4%時馬歇爾模數相對較大,有更好的改性效果,而2#鎳鐵礦渣纖維在不同摻量的情況下馬歇爾模數相差不大。與木質纖維改性瀝青混合料相比,1#、2#纖維的改性效果優于木質纖維,3#纖維的改性效果劣于木質素纖維。綜上,1#纖維在摻量為0.4%時對瀝青混合料溫度穩定性的提升效果最佳。

3.3 車轍動穩定度結果分析

通過車轍試驗對4種纖維改性瀝青混合料進行高溫性能研究,木質纖維摻量為0.3%,鎳鐵礦渣纖維摻量分別為0.3%、0.4%、0.5%,試驗結果如圖5所示。

圖5 SMA-13瀝青混合料動穩定度

由圖5可知,在瀝青混合料中加入鎳鐵礦渣纖維后,車轍動穩定度有了明顯提高,達到技術規定要求(≥5500次/mm),說明在一定程度上鎳鐵礦渣纖維能夠提高瀝青混合料的高溫穩定性。

這是因為在瀝青混合料中摻入鎳鐵礦渣纖維后,可以形成網狀結構,相當于在混合料中起到加筋作用,有利于承受外部荷載,并將這些荷載分散從而降低應力集中現象,使抗車轍能力得到提高。同時可以看出,摻入1#纖維的車轍動穩定度隨著纖維摻量的增加而增大,這是由于鎳鐵礦渣纖維具有吸附和穩定瀝青的作用,可以提高瀝青膠漿的勁度[12]。摻入2#和3#鎳鐵礦渣纖維的車轍動穩定度隨著纖維摻量的增加先增大后減小,在0.4%時出現最大值,表明鎳鐵礦渣纖維對于SMA-13瀝青混合料高溫性能的改善存在最佳摻量,當纖維摻量過大時,動穩定度出現下降趨勢,這主要是因為過多的纖維摻入后,在混合料內部會形成團聚現象,部分沒有完全分散的纖維并不能有效提供加筋和增強作用,甚至會形成薄弱區域,降低混合料的性能[13]。

從圖5可以看出,摻入1#纖維和3#纖維的瀝青混合料的高溫穩定性都有較大提高,摻量達到0.4%以上時略優于木質素纖維的改善效果。其中,1#纖維改性瀝青混合料的穩定性最好,其穩定度隨著摻量增加呈現上升趨勢,2#纖維改性瀝青混合料穩定性下降明顯。綜合比較3種纖維,摻量在0.4%時瀝青混合料的高溫性能最好。

4 結論

(1)通過馬歇爾模數對比,1#鎳鐵礦渣纖維改善效果最明顯,且在摻量為0.4%時對SMA-13瀝青混合料溫度穩定性的提升效果最佳,改性效果優于木質素纖維。

(2)通過車轍動穩定度試驗結果,1#纖維和3#纖維的瀝青混合料的高溫穩定性都有所提高,略優于木質素纖維改善效果。其中,1#纖維改性瀝青混合料的穩定度隨著摻量增加呈現不斷上升的趨勢。

(3)綜合高溫性能測試結果,1#鎳鐵礦渣纖維對SMA-13混合料的高溫性能提升效果最佳,其最優摻量宜取0.4%。