不同纤维沥青混合料性能研究

孔令绅， 李文凯

（1.河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000； 2.河南交院工程技术有限公司，郑州 450000）

水稳基层属于半刚性结构层，炎热天气施工会导致水分增发较快，如果养护不当会产生裂缝，同时后期在车辆轴载作用下也会形成开裂，这些裂缝的出现会反射到路面面层，造成面层反射裂缝的出现［1-3］. 为减缓沥青面层反射裂缝的形成，将纤维掺入到混合料中来起到加筋、增韧的效果是当今道路工作者研究的重要课题. 由于纤维掺入到混合料中能够改善沥青路面的整体路用性能，国内研究者对不同类型的纤维开展了大量研究，相关研究表明纤维的掺入能够改善混合料的性能，同时能够很大程度上减缓沥青路面病害的形成延长其使用寿命，减少后期养护成本［4-8］. 近年来，我国道路工作者通过研究发现纤维在沥青混合料内部能够起到加筋、增韧的效果，同时纤维的类型、掺量以及尺寸对混合料的性能都有不同程度的影响［9-11］.但随着我国交通行业的快速发展，车流量尤其重轴载车辆的日益增多，现阶段研究的深度不能够满足交通行业发展的需要. 因此，本文针对玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维AC-13C 和SMA-13 沥青混合料展开高温抗车辙、低温抗开裂以及抗水毁等路用性能试验，确定三种纤维的最佳掺量以及最优的纤维类型，为纤维在沥青路面中的应用提供理论依据.

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

本文选用SBS I-D 改性沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对沥青进行相关性能指标检测，试验结果详见表1.

表1 SBS I-D 改性沥青相关指标试验结果Tab.1 Test results of SBS I-D modified asphalt

1.2 纤维

本文选用玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维作为添加剂，研究纤维及纤维混合料的性能，其中玄武岩纤维是一种矿物纤维，规格为11 μm～6 mm，该纤维与沥青有较好的相容性，环保以及较好力学性能等特点；木质素纤维是一种灰色、絮状的植物纤维，具有很好的稳定性及耐腐蚀性；聚酯纤维具有高温稳定性好、易分散等特点［12-15］. 三种不同类型纤维示意图见图1，三种纤维主要技术指标表2～表4.

图1 不同类型纤维示意图Fig.1 Schematic diagram of different types of fibers

表2 玄武岩纤维技术指标检测结果Tab.2 Test results of main technical indexes of basalt fiber

表3 木质素纤维技术指标检测结果Tab.3 Test results of main technical indexes of lignin fiber

表4 聚酯纤维技术指标检测结果Tab.4 Test results of main technical indexes of polyester fiber

1.3 配合比设计及马歇尔试验

参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的规定，对AC-13C和SMA-13混合料进行矿料级配设计，粗集料分别为10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm玄武岩碎石；细集料为0～3 mm石灰岩石屑，填料为石灰岩磨细矿粉，粗、细集料、矿粉相关技术指标均满足规范要求. AC-13C和SMA-13混合料矿料级配设计结果见表5.

表5 矿料级配设计结果Tab.5 Design results of mineral aggregate gradation

对未掺纤维的AC-13C和SMA-13混合料进行设计，两种混合料最佳油石比及马歇尔试验结果见表6.

表6 最佳油石比及马歇尔试验结果Tab.6 The best oil stone ratio and Marshall test results

2 纤维最佳掺量的确定

2.1 AC-13C沥青混合料纤维最佳掺量

AC-13C 混合料在目标配比的基础上玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维分别以0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的掺量加入混合料中，并分别进行最佳油石比、稳定度试验，试验结果分别见图2、图3.

图2 最佳油石比试验结果Fig.2 Best oil stone ratio test results

图3 稳定度试验结果Fig.3 Stability test results

由图2可以得出：随着不同纤维掺量的增加，不同纤维混合料最佳油石比均逐渐增加，且相同纤维掺量时，木质素纤维最佳油石比最大，聚酯纤维最佳油石比最小，这主要因为不同纤维都具有较强的吸油率，但吸油率大小不同. 由图3可以得出：随着不同纤维掺量的增加，不同纤维混合料稳定度均呈现先升高后降低的趋势，且相同纤维掺量时，玄武岩纤维混合料稳定度最大，这主要因为纤维的掺入能够起到加筋、增韧的效果，且不同纤维对混合料稳定度改善效果存在差异，其中玄武岩纤维改善效果最优，玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维的最佳掺量分别为0.4%、0.4%、0.3%.

2.2 SMA-13沥青混合料纤维最佳掺量

SMA-13 混合料在目标配比的基础上玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维分别以0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的掺量加入混合料中，并分别进行最佳油石比、稳定度试验，试验结果分别见图4、图5.

图4 最佳油石比试验结果Fig.4 Best oil stone ratio test results

图5 稳定度试验结果Fig.5 Stability test results

由图4可以得出：随着不同纤维掺量的增加，不同纤维SMA-13混合料最佳油石比变化趋势与AC-13C混合料变化趋势一样. 由图5可以得出：随着不同纤维掺量的增加，不同纤维SMA-13混合料稳定化趋势与AC-13C混合料变化趋势一样，其中玄武岩纤维改善效果最优，玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.4%、0.4%.

3 沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性试验

沥青混合料是一种黏弹塑性材料，夏季炎热环境下，沥青路面在车辆轴载作用下容易产生塑性变形，产生车辙、拥包、推移等病害，温度越高，车流量越大，重轴载车辆越多这些病害越为突出［16-19］. 本文选用车辙试验来评价不同纤维在最佳掺量时AC-13C、SMA-13混合料高温抗车辙能力，动稳定度试验结果分别见图6、图7.

图6 AC-13C混合料动稳定度试验结果Fig.6 Dynamic stability test results of AC-13C mixture

图7 SMA-13混合料动稳定度试验结果Fig.7 Dynamic stability test results of SMA-13 mixture

由图6、图7可以得出：不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料动稳定度试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的高温抗车辙能力，其中玄武岩纤维改善效果最优，这主要因为三种纤维的掺入能够改善混合料中沥青的黏性，纤维乱相分布在混合料内部能够起到加筋、增韧的效果，增强沥青路面的抗变形能力，减缓塑性变形的形成，同时纤维的掺入能够降低沥青膜的厚度，使混合料流变能力变小，且玄武岩纤维较木质素纤维、聚酯纤维有更好的物理及力学性能，有更强的抗拉能力.

3.2 低温抗裂性试验

沥青路面是一种柔性结构层，冬季低温环境下，沥青韧性降低，脆性增强，当温缩应力大于混合料内部极限抗拉强度时，沥青路面就会开裂形成裂缝，这些裂缝不及时处治会进一步恶化形成龟裂、坑槽等严重病害［20-21］. 本文选用小梁低温弯曲试验来评价不同纤维在最佳掺量时AC-13C、SMA-13混合料低温抗开裂能力，弯曲破坏应变试验结果分别见图8、图9.

图8 AC-13C混合料破坏应变试验结果Fig.8 Failure strain test results of AC-13C mixture

图9 SMA-13混合料破坏应变试验结果Fig.9 Failure strain test results of SMA-13 mixture

由图8、图9可以得出：不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料弯曲破坏应变试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的低温抗开裂能力，其中玄武岩纤维改善效果最优，这是因为随着纤维掺入到混合料中，纤维乱相分布在混合料内部，低温抗折时混合料内部搭接更为紧密，其中玄武岩纤维具有更强抗拉强度、与沥青混合料相容性更优，低温环境下能够增强混合料抗折断能力，更好地减缓沥青路面裂缝形成.

3.3 水稳定性试验

松散、坑槽等病害是沥青路面水稳定性差的主要表现形式. 车辆轴载及雨水共同作用下会对沥青与矿料之间的黏附性造成损害. 夏季雨季、冬季雨雪天气会使沥青路面长期处在雨水与车辆轴载的共同作用，尤其会处在长期冻融循环环境下，降低沥青与矿料之间的黏附性，最终导致表层沥青从矿料表面脱落［22-23］. 本文选用浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比试验来评价不同纤维在最佳掺量时AC-13C、SMA-13混合料抗水毁能力，浸水马歇尔残留稳定度试验结果分别见图10、图11，冻融劈裂残留强度比试验结果分别见图12、图13.

图10 AC-13C混合料浸水马歇尔试验结果Fig.10 Marshall test results of AC-13C mixture immersed in water

图11 SMA-13混合料浸水马歇尔试验结果Fig.11 Marshall test results of SMA-13 mixture immersed in water

图12 AC-13C混合料冻融劈裂试验结果Fig.12 Test results of AC-13C mixture freeze-thaw splitting

图13 SMA-13混合料冻融劈裂试验结果Fig.13 Test results of SMA-13 mixture freeze-thaw splitting

由图10、图11、图12、图13可以得出：不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的抗水毁能力，其中玄武岩纤维改善效果最优，这主要因为玄武岩纤维更容易在混合料内部乱相分布，且较木质素纤维、聚酯纤维具有更强抗拉拔能力，同时玄武岩纤维是一种矿物纤维与沥青有更好的相容性，加筋、增韧效果更为突出，对沥青路面抗水毁能力改善效果更好.

4 结论

本文通过对掺有玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维的AC-13C、SMA-13沥青混合料进行路用性能试验研究得出以下结论：

1）AC-13C 沥青混合料玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维最佳掺量分别为0.4%、0.4%、0.3%；SMA-13沥青混合料玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维的最佳掺量分别为0.5%、0.4%、0.4%.

2）不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料动稳定度试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的高温抗车辙能力，其中玄武岩纤维改善效果最优.

3）不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料弯曲破坏应变试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的低温抗开裂能力，其中玄武岩纤维改善效果最优.

4）不同纤维最佳掺量时，AC-13C、SMA-13混合料浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度比试验结果均较未掺纤维混合料得到改善，表明三种纤维的掺入均能改善混合料的抗水毁能力，其中玄武岩纤维改善效果最优.