混掺纤维AC-13C沥青混合料性能及效益研究

王 庆， 李文凯， 邵景干， 陈红奎， 王菲菲， 王新严

（1.郑州市交通基本建设质量检测站，郑州 450000；2.河南交院工程技术集团有限公司绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心，郑州 450046；3.河南建元公路附属设施工程有限公司，河南新乡 453400）

截至2021年底，中国公路建成并通车总里程高达519.81余万公里，高速公路通车运营16.10余万公里，高居世界第一. 我国早期公路多为水泥混凝土路面，因其施工养护周期长、通车慢、行车舒适性差及后期养护成本高等缺点在高等级公路建设中逐渐被淘汰，沥青混凝土路面随着施工工艺不断成熟、施工周期短、行车舒适性好及便于后期养护等优点在目前高等级公路建设中被广泛应用［1-3］. 早期通车运营的沥青路面由于交通量的迅速增加，尤其重轴载车辆的增多以及后期管养不到位等因素在通车运营的早期就出现诸多路面病害，不仅影响路面美观，同时对行车安全及舒适性造成不利影响［4-6］. 造成沥青路面早期病害的因素有多种，主要包括原材料质量、混合料级配类型、施工工艺、外加剂的种类以及交通量的超预期快速增加等，在原材料质量及施工工艺相同的前提下，混合料级配类型及外加剂种类对沥青路面后期的服务水平及使用年限至关重要［7-9］.

通常情况下，将长径比大于1000，且具有一定强度及韧性的材料称之为纤维，矿物纤维、聚合物纤维、植物纤维是常见的纤维类型. 矿物纤维是以矿物石料为原材料，通过一定的工艺高温熔融、拉丝制得，其本质是物理形态的不同表现形式，具有较高的强度，与沥青具有较好黏附能力，在混合料中起到吸附沥青、稳定沥青且在矿料之间形成搭桥的作用，如玄武岩纤维、水镁石纤维等；聚合物纤维主要选用石油化工材料通过一定的生产工艺加工而成，如PF 聚酯纤维、PP 聚丙烯纤维等；植物纤维是以植物的茎为原材料，通过挤压、抽丝、剪切制得，具有较强的吸附沥青的作用，如木质素纤维、竹纤维等. 目前，国内外道路工作者将纤维作为一种外加剂掺入到沥青混合料当中来改善沥青路面的路用性能及使用年限进行了大量研究.周健和田宗杰［10］将不同掺量的PVA 聚乙烯醇纤维掺入到AC-10C 沥青路面中进行相关路用性能研究得出，随着纤维掺量的增加，混合料高低温性能呈现先升高后降低的趋势，当纤维掺量为3.0%（占沥青质量）时达到峰值，动稳定度试验结果提高了9.53%，小梁低温弯拉强度、弯曲破坏应变分别提高了54.36%、82.44%. 贾暗明［11］将化学改性处理后的竹纤维掺入到沥青混合料中进行研究，确定了竹纤维的最佳掺量及混合料最佳沥青用量，并通过FTIR、NMR 等技术在微观层面上检测竹纤维与沥青混合料的结合情况，得出竹纤维掺量为0.2%（占混合料质量）、长度为20 mm 时，沥青混合料整体路用性能最优. 李振霞等［12］通过研究开发出玉米秸秆纤维的最佳生产技术，并与木质素纤维作为对照确定沥青混合料的最佳纤维掺量和最佳油石比，发现两种纤维在相同掺量下对混合料性能的提升效果相近，同时利用SEM 电镜扫描技术重点分析了玉米秸秆纤维对沥青路面路用性能的改善机理. 魏志峰［13］对木质素纤维及聚酯纤维混掺沥青混合料在桥面铺装工程上的应用展开研究得出，适当的纤维掺量有助于沥青混合料性能的提升，纤维掺量过大时会起到副作用，木质素纤维与聚酯纤维在2∶3的比例以总掺量为0.3%（占混合料质量）时，混合料整体性能最优.

鉴于不同纤维对沥青混合料相关性能的改善效果存在差异，沥青路面常见的矿料级配类型主要有AC型密级配、SMA间断级配、OGFC开级配等，本文选用高低温及水稳定性能较优的AC-13C密级配沥青混合料，并选用玄武岩纤维及木质素两种纤维混掺作为外加剂展开研究，为沥青路面各方面性能的改善开辟一种新型的思路，并利用功效系数法对试验结果展开分析，确定两种纤维最佳的混掺方案，为混掺纤维在沥青路面中的应用提供理论基础.

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

原材料质量对沥青路面的路用性能及运营年限有着重要的影响，其中沥青种类的选择至关重要，沥青作为混合料的胶凝材料，不仅需要具备良好的高低温性能、抗长期老化性能，还需要具备良好的黏附能力.本文选用许昌金欧特沥青股份有限公司生产的SBS I-C 聚合物改性沥青进行研究，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对开展相关性能指标试验，试验结果见表1.

表1 SBS I-C 聚合物改性沥青相关指标试验结果Tab.1 Test results of relevant indexes of SBS I-C polymer modified asphalt

1.2 纤维

纤维与改性沥青对混合料性能的改善效果存在差异，性能优异的沥青能够保证沥青路面夏季炎热天气具有良好的黏性，降低车辙病害的出现，同时冬季寒冷天气具有良好的韧性，延缓裂缝病害的出现. 而纤维能够三维乱相地分散在混合料当中，起到稳定、吸附沥青的作用，增加了结构沥青膜的厚度，使得混合料整体稳定性增强. 本文选用玄武岩及木质素两种纤维作为添加剂，其中玄武岩纤维为金褐色短切矿物纤维，木质纤维为絮状、灰色植物纤维. 两种纤维示意图见图1所示，两种纤维主要技术指标试验结果见表2.

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

表2 两种纤维主要技术指标试验结果Tab.2 Test results of main technical indexes of two fibers

1.3 矿料

矿料作为沥青路面用量最大的原材料，矿料之间良好的嵌挤效果才能保证沥青路面具有足够的承载能力，AC-13C 沥青路面作为最表层结构层，矿料需具备针片状含量少、风化程度低、良好的颗粒级配及与沥青具有良好的黏附能力的性能. 本文粗骨料分别选用粒径为＞5～10 mm、＞10～15 mm 玄武岩碎石，细骨料为＞0～5 mm机制砂、填料为石灰岩磨细的矿粉. 参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）相关规定对粗、细骨料及矿粉进行相关技术指标试验，试验结果分别见表3、表4.

表3 粗、细集料主要技术指标试验结果Tab.3 Test results of main technical indexes of coarse and fine aggregates

表4 矿粉主要技术指标试验结果Tab.4 Test results of main technical indexes of mineral powder

1.4 配合比设计

本文选用AC-13C间断级配混合料展开研究，结合课题组前期试验研究结果确定纤维总掺量为0.4%（占沥青混合料质量），矿料级配设计结果见表5，玄武岩纤维及木质素纤维混掺比例方案见表6，不同纤维混掺方案下AC-13C混合料马歇尔试验结果见表7.

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

表6 纤维混掺比例方案Tab.6 Fiber mixing proportion schemes

表7 马歇尔试验结果Tab.7 Marshall test results

2 路用性能

本章节在课题组前期混掺纤维优化方案的基础上对未掺纤维、单掺纤维及不同纤维混掺比例的AC-13C沥青混合料进行高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害等路用性能研究，评价不同纤维混掺方案下混合料性能改善效果，确定整体路用性能最优时的纤维混掺方案.

2.1 高温稳定性

沥青路面是一种柔性结构层，其路用性能受环境温度影响较大，高温环境下沥青混合料韧性降低，塑性增强，在车辆轴载重复作用下易出现永久性塑性变形，泛油、拥包、车辙等路面病害的出现是高温稳定性差的主要表现形式［14-15］. 夏季炎热天气，室外温度达到30 ℃以上，局部地区甚至会超过40 ℃，沥青路面多为深黑色，具有较强的吸热能力，表层结构层内部往往会达到60 ℃以上. 影响沥青路面高温稳定性能的因素有多种，主要包括环境温度、交通量、车辆轴载、沥青标号、粗骨料的颗粒状态及矿料级配类型等［16］. 本文选用室内60 ℃车辙试验来评价不同纤维混掺方案下AC-13C沥青混合料高温抗车辙能力，车辙板试模的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，车辙板成型后需连同试模在室温条件下静置48 h后再进行车辙试验，车辙深度及动稳定度试验结果分别见图2、图3，动稳定度按式（1）计算.

图2 车辙深度试验结果Fig.2 Rutting depth test results

图3 动稳定度试验结果Fig.3 Dynamic stability test results

式中：DS为动稳定度（次/mm）；d1、d2为碾压时间为t1、t2时的车辙深度（mm），t1、t2分别取45 min、60 min；N为车辙试验机小轮每分钟行走的次数（42次/min）；C1、C2为试验机常数，均取1.0.

由图2、图3可知：不同纤维掺配方案下，AC-13C 沥青混合料车辙深度均有所降低，动稳定度均有所升高，当玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时降低和升高的幅度最大，车辙深度降低幅度为32.52%，动稳定度升高幅度为65.95%，这表明不同纤维掺配方案下，AC-13C 沥青混合料高温抗车辙能力均得到了改善，其中玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时的掺配方案效果最佳. 究其原因，纤维三维乱相分散在混合料当中能够起到吸附、稳定沥青的效果，使得碾压后的沥青路面结构整体性增强，抵抗轴载塑性变形的能力增加；纤维的掺入增大了混合料的沥青用量，矿料之间结构沥青膜的厚度增加，矿料之间的黏结能力增强；玄武岩纤维与木质素纤维的物理、力学性能存在较大的差异，玄武岩纤维力学性能较好，木质素纤维吸油能力较强，因此合理的纤维混掺方案才能保证混合料具有更优的高温抗车辙能力.

2.2 低温抗裂性

低温环境下，沥青变得硬而脆，混合料脆性增强，黏性降低，车辆轴载作用下混合料各组成材料收缩不一致. 当沥青路面结构层内部的允许拉应力小于温缩应力时就会发生细微开裂，这些开裂病害多发生在冬春季节交替的时候，冬季气温较低时路面出现收缩现象，春季温度回暖时路面体积膨胀，循环往复开裂间隙逐渐增大，裂缝、龟裂、块状裂缝的出现是低温抗开裂能力差的主要表现形式［17-19］，如不加以处治就会进一步恶化. 本文选用室内-10 ℃小梁弯曲试验来评价不同纤维混掺方案下AC-13C沥青混合料低温抗开裂能力，将车辙板试件切割得到尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，试验时小梁跨径为200 mm，弯拉强度及弯曲破坏应变试验结果分别见图4、图5，分别按式（2）、式（3）计算.

式中：RB为试件破坏时的弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时弯拉破坏应变，με；b为小梁试件宽度，mm；h为小梁试件高度，mm；L为小梁试件跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件破坏时的跨中挠度，mm.

由图4、图5可知：不同纤维掺配方案下，AC-13C沥青混合料弯拉强度及弯曲破坏应变试验结果均较未掺纤维的混合料有所提升，当玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时提升幅度最大，分别提高34.98%、20.87%，这表明不同纤维掺配方案下，AC-13C沥青混合料低温抗开裂能力均得到了改善，其中玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时的掺配方案效果最佳. 究其原因，纤维三维乱相分散在混合料当中能够在骨料之间形成搭接作用，外力弯折作用下能够一定程度限制小梁试件开裂；纤维的掺入，增大了混合料的沥青用量，使得矿料之间的黏附能力增强；纤维能够固定混合料内部的自由沥青，限制其相对流动，使混合料结构整体性增强，能够有效抵抗荷载及温缩应力产生的变形.

图4 弯拉强度试验结果Fig.4 Bending tensile strength test results

图5 弯曲破坏应变试验结果Fig.5 Bending failure strain test results

2.3 水稳定性

多雨地区，水损害是沥青路面最常见的病害形式之一. 在车辆轴载、紫外线、雨水冲刷及冻融循环等综合因素作用下，沥青路面中的沥青会发生老化，沥青与矿料之间的黏附能力降低，沥青胶浆极易从骨料中剥落，松散、坑槽等路面病害的出现是水稳定差的主要表现形式［20-22］. 本文选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价不同纤维混掺方案下AC-13C沥青混合料抗水损害能力，浸水马歇尔及冻融劈裂试件每个掺配方案各8个，取其平均值，浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果分别见图6、图7，分别按式（4）、式（5）计算.

图6 浸水马歇尔试验结果Fig.6 Immersion Marshall test results

图7 冻融劈裂试验结果Fig.7 Freeze-thaw splitting test results

其中：S0为浸水马歇尔残留稳定度，%；S1为浸水30 min稳定度，kN；S2为浸水48 h稳定度，kN；TSR 为冻融劈裂残留强度比，%；RT2为冻融后劈裂抗拉强度，MPa；RT1为未冻融劈裂抗拉强度，MPa.

由图6、图7可知：不同纤维掺配方案下，AC-13C沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均较未掺纤维的混合料有所提升，当玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为3∶2时提升幅度最大，分别提高6.00%、6.65%，纤维混掺方案的优劣顺序为F＞E＞D＞G＞B＞C＞A，这表明不同纤维掺配方案下，AC-13C沥青混合料抗水损害能力均得到了改善，其中玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为3∶2时的掺配方案效果最佳. 究其原因，纤维的掺入增大了混合料的沥青用量，同时纤维能够吸附、稳定沥青，混合料内部自由沥青含量降低，结构沥青含量增加，使得矿料之间的黏附能力增强，沥青胶浆从混合料内部剥落的趋势受到限制，降低了结构层内部混合料被水侵蚀的风险；玄武岩纤维与木质素纤维的物理、力学性能存在较大的差异，因此合理的纤维混掺方案才能保证混合料具有更优的抗水损害能力.

3 效益分析

功效系数法因其维度广、原理科学、结果直观等优点在方案优选过程中被广泛应用［23］. 为权衡路用性能及经济合理两方面效果，对不同纤维混掺方案选用功效系数法进行分析，功效系数法的通用式为式（6）.

式中：di为单项指标得分；Zis为第i项指标的实测值；Ziy为满意值；Zib为不满意值；C、D为常数，分别取40、60.

3.1 路用性能效益分析

对不同纤维混掺方案下的AC-13C沥青混合料路用性能选用功效系数法进行分析，高温性能、低温性能及水稳定性能的实测值、满意值及不满意值技术指标见表8，表中相关路用性能指标的满意值及不满意值是根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的技术指标要求、行业施工经验及实测值由课题组讨论及征求行业专家意见确定. 通过功效系数法计算各路用性能指标得分及平均得分，计算结果见表9.

表8 路用性能指标参数值Tab.8 Index parameter values of road performance

表9 路用性能得分及平均得分Tab.9 Scores and average scores of road performance

由表9可知，纤维的掺入能够提高AC-13C沥青混合料的路用性能效益，且纤维混掺效果更为显著. 不同纤维混掺方案下混合料的路用性能效益排序为E＞F＞D＞G＞B＞C＞A.

3.2 成本效益分析

通过市场调查，SBS I-D 聚合物改性沥青的单价为4500元/t，试验采用的级配碎石单价为70 元/t，玄武岩纤维单价为9000元/t，木质素纤维单价为4500元/t. 通过计算每吨AC-13C沥青混合料的成本来分析不同纤维混掺方案时的成本效益. 原材料单价见表10.

表10 每吨AC-13C沥青混合料单价Tab.10 Unit price per ton of AC-13C asphalt mixture 单位：元

由于近年来国家环保政策的完善，对矿产资源的开采提出了更高的要求，矿料紧缺导致原材料价格波动较大，在根据市场调查及课题组讨论后确定沥青混合料总成本的满意值为260元/t，不满意值为410元/t.由式（1）对不同纤维混掺方案下的AC-13C沥青混合料总成本进行分析，计算结果见表11.

表11 材料价格的得分计算表Tab.11 Score calculation table of material prices

根据现有工程总目标决策习惯，路用性能和价格的权重分别取0.6、0.4. 利用功效系数法，兼顾路用性能及总成本两个因素确定纤维的最佳混掺方案，按照式（7）进行合成，得出总功效系数，计算结果见表12.

表12 总成本以及路用性能加权总得分Tab.12 Total costs and road performance weighted total scores

式中：D为加权得分；di为分项得分；wi为分项权重.

由表12可知，总功效系数加权得分越大，表明纤维混掺方案性价比越高，当玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时性价比最高.

4 结论

本文选用AC-13C沥青混合料展开研究，并对不同纤维混掺方案下沥青混合料进行高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害等路用性能研究及效益分析得出以下结论：

1）不同纤维掺配方案下，AC-13C沥青混合料高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损害性能均较未掺纤维的沥青混合料大幅度增强，玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时，沥青混合料高低温性能最优；玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为3∶2时，沥青混合料水稳定性能最优.

2）对不同纤维混掺方案的AC-13C沥青混合料选用功效系数法进行路用性能效益及成本效益分析结果综合考虑，玄武岩纤维与木质素纤维掺配比例为2∶3时效果最佳.