抗车辙剂/聚酯纤维复掺沥青混合料路用性能

潘夏玮

摘要：为研究抗车辙剂和聚酯纤维复合添加对沥青混合料的性能改善效果，开展室内试验分析复合改性沥青混合料、单掺抗车辙剂沥青混合料、单掺聚酯纤维沥青混合料的高温和低温性能、水稳定性能和疲劳性能。试验结果表明：抗车辙剂和聚酯纤维复合改性沥青混合料的高温性能明显优于单掺抗车剂沥青混合料和单掺聚酯纤维沥青混合料；复合改性在疲劳性能和低温性能方面对比单掺抗车辙剂有明显提升，但对单掺聚酯纤维沥青混合料则提高程度较小，复掺改性沥青混合料疲劳寿命对应力比的敏感性较低；在水稳定性能方面，复掺改性剂与单掺改性剂相比则无明显优势。

关键词：道路工程；抗车辙剂；聚酯纤维；复合改性；路用性能

中图分类号：U414.1 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0050-04

0 引言

21世纪以来，我国公路建设事业得到快速发展，公路交通网逐渐完善，在此过程中对公路领域使用较多的路面铺面形式——沥青路面的性能要求也越来越高。我国一些地区的夏季温度较高、冬季温度较低，气温年较差较大，单一地提升沥青路面高温性能或低温性能的技术手段难以适应复杂的气候环境，因此需兼顾沥青混合料高温和低温性能，而且在重交通荷载作用下还需要考虑其疲劳性能。提升沥青混合料综合性能的方式主要有改善沥青性能、优化矿料级配、添加改性剂等。现有的研究表明，不同的改性剂对沥青混合料的部分性能均有不同程度的改善作用［1-4］。董泽蛟等［5］研究表明，添加KTL抗车辙剂对沥青混合料性能提升的依赖性小于级配优化。谢轶琼等［6］和周义生等［7］研究抗车辙剂对沥青混合料路用性能的影响，发现抗车辙剂能有效地提升沥青混合料的高温性能、水稳定性能，但对疲劳性能的提升作用较小。韦佑坡等［8］研究不同类型纤维改性沥青混合料的性能，发现纤维材料对提升沥青混合料低温性能和疲劳性能作用明显，但对高温性能的改善效果不明显。罗楚凡等［9］的研究表明，木质素纤维复掺抗车辙剂沥青混合料长期高温性能较差，而玄武岩纤维的加入改善了沥青混合料的长期性能。章汪琛［10］进行室内试验对比分析玄武岩纤维、碳纤维和聚酯纤维对沥青胶浆的黏聚力的改善作用，得出聚酯纤维和碳纤维对沥青胶浆黏聚力的增大作用明显大于玄武岩纤维。以上研究表明，单掺抗车辙剂对改善沥青混合料的高温性能明显，但对低温性能和疲劳性能的提升较小或不明显，而不同纤维类型对沥青混合料的性能提升或高或低；聚酯纤维对沥青胶浆黏聚力的提升作用明显，有助于改善沥青混合料的路用性能，徐秀维［11］和胡传涛［12］的研究表明，聚酯纤维优于木质素纤维，并且在提升沥青水稳定性方面优于玄武岩纤维。因此，本文选择复掺抗车辙剂与聚酯纤维为研究对象，研究复掺改性剂对沥青混合料路用性能影响，为工程实践中改性剂添加方案的制订提供参考。

1 试验材料及试验

1.1 试验材料

本文选择沥青为“国创”70#A级沥青，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF 40—2004）中规定的“1-4气候分区”对沥青的技术要求，相关技术指标见表1。

抗车辙剂和聚酯纤维均为国内某厂家提供，外观如图1所示，聚酯纤维的技术指标见表2。

粗集料为辉绿岩碎石，细集料为石灰岩碎石。粗集料的生产厂家为广西贵港某辉绿岩石场，细集料的生产厂家为广西来宾来都高速某项目部石场。矿粉由石灰岩磨制而成，生产厂家为广西来宾某矿粉厂。矿料试验指标见表3。

1.2 级配选择及配比确定

1.2.1 级配

本试验采用AC-13C型沥青混合料，合成级配见表4。

1.2.2 混合料拌制方法

本文使用的抗车辙剂和聚酯纤维均采用直投方式加入沥青混合料中，为提高拌和均匀性，设置拌和温度为160℃，采用先拌和矿料，再加入沥青，最后加入矿粉和添加剂的方式进行拌和，每个阶段的拌和时间均为90 s。

1.2.3 添加剂掺量及最佳油石比的确定

未添加改性剂前，本文采用AC-13C沥青混合料最佳油石比为4.8%。根据现有文献及前期研究成果，确定抗车辙剂的掺量为0.3%左右且抗车辙剂的添加并不会影响沥青混合料的最佳油石比，单掺抗车辙剂沥青混合料油石比为4.8%。聚酯纤维对沥青混合料有加筋作用，它具有较高的吸油性，一般添加到沥青混合料中，每增加0.1%的掺量，增加油石比为0.1%～0.2%。聚酯纤维的掺量确定为0.3%，单掺聚酯纤维沥青混合料的油石比确定为5.3%，抗车辙剂与聚酯纤维复掺沥青混合料油石比确定为5.3%。

2 试验结果及分析

2.1 高温性能

采用动稳定度指标评价沥青混合料的高温性能，试验过程参考《公路工程瀝青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），试验结果如图2所示。由图2可知，基质沥青的动稳定度较小，而添加抗车辙剂后，其动稳定度大幅度提升，抗车辙能力明显改善，单掺聚酯纤维同样能改善沥青混合料的高温性能，但改善程度不及单掺抗车辙剂，产生该现象的原因主要是抗车辙剂成分与改善机理经过特殊设计。从图2还可知，抗车辙剂和聚酯纤维复掺沥青混合料的高温性能远高于基质沥青，并且相较单掺抗车辙剂也有一定幅度的增加，聚酯纤维在沥青混合料中起到加筋、提高沥青胶结料黏聚力的作用，因此与抗车辙剂共同作用会大幅提高沥青混合料的高温性能。

2.2 水稳定性能

我国规范JTG E20—2011采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能，因此本文采用残留稳定度和冻融劈裂强度比指标评价4种沥青混合料的水稳定性能，试验结果见表5。从表5可知，与未掺改性剂相比，单掺抗车辙剂和单掺聚酯纤维均能有效地改善沥青混合料的水稳定性能，其残留稳定度、冻融劈裂强度比均有6%～12%幅度的提升。但是，单掺抗车辙剂和单掺聚酯纤维与复掺相比并未有明显的区别，产生该现象的原因主要是基质沥青的水稳定性已经很好，添加改性剂难以体现其优势；并且，所采用水稳定性评价指标未必能够体现本文所采用改性剂的效果。在后续研究中，可考虑采用区分度更高的评价指标评价复掺抗车辙剂、聚酯纤维混合料的水稳定性能。

2.3 低温性能

采用低温小梁弯曲试验测试沥青混合料低温性能，依据我国规范JTG E20—2011中“T 0715”节的要求，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，试验所采用设备为UTM伺服机，试验结果见表6。

由表6中的数据可知：①单掺抗车辙剂沥青混合料的最大弯拉应变低于基质沥青且弯曲破坏劲度模量高于基质沥青，表明抗车辙剂的加入降低了沥青混合料的低温性能。抗车辙剂通过增黏、加筋、填充的作用改善沥青混合料的高温性能，但由于抗车辙剂的部分成分无法与沥青完全混溶，在低温小梁荷载的作用下造成应力集中，而低温下的加筋作用也未能充分發挥，因此降低了沥青混合料的低温性能。②单掺聚酯纤维沥青混合料的低温性能优于基质沥青混合料和单掺抗车辙剂沥青混合料。聚酯纤维在沥青混合料中分散以后，在低温小梁荷载的作用下，为其提供主要的抗拉能力，从而能大幅度提高沥青混合料的低温性能。③复掺抗车辙剂聚酯纤维沥青混合料的低温性能优于单掺抗车辙沥青混合料、单掺聚酯纤维沥青混合料及未掺改性剂沥青混合料。聚酯纤维与抗车辙均有加筋作用，但聚酯纤维的加筋作用更加明显，在聚酯纤维、沥青、抗车辙剂的综合作用下，沥青混合料的低温性能得到提高。

2.4 疲劳性能

采用四点弯曲疲劳试验测试沥青混合料的抗疲劳性能。试验过程参考我国规范JTG E20—2011中“T 0739”节的要求，试验基本参数为应力控制模式，荷载形式为正弦波形，荷载频率为10 Hz，试验温度为15℃。试验结果见表7。采用公式（1）对试验结果进行拟合，回归方程及相关指数见表7。

从表7可知：①随着应力比的增加，4种沥青混合料疲劳寿命均迅速下降，表明应力水平的增大对沥青混合料的疲劳寿命有不利影响。从4种沥青混合料的疲劳寿命来看，抗车辙剂/聚酯纤维复掺改性剂沥青混合料的疲劳寿命明显高于单掺抗车辙剂和基质沥青混合料，但比单掺聚酯纤维沥青混合料仅提升10%，提升幅度较小，表明复掺改性剂沥青混合料的疲劳性能主要由聚酯纤维提供。②对比4种沥青混合料的n参数（n参数为疲劳方程的拟合参数），n越小，表明双对数情况下拟合线性方程越平稳，在更大应力比作用下的疲劳寿命更具潜力，n参数变化规律均表现为基质沥青＞抗车辙剂＞聚酯纤维＞抗车辙剂/聚酯纤维复掺，因此抗疲劳性能水平为基质沥青＜抗车辙剂＜聚酯纤维＜抗车辙剂/聚酯纤维复掺。添加抗车辙剂/聚酯纤维能在沥青混合料内部形成三维网状结构，有效地提高沥青混合料在不同应力强度下的疲劳寿命，并降低应力比敏感性。

3 结语

本文通过室内试验分析单掺抗车辙剂沥青混合料、单掺聚酯纤维沥青混合料、抗车辙剂/聚酯纤维复掺沥青混合料及未掺改性剂沥青混合料的高温低温性能、水稳定性能和疲劳性能，得出结论如下。

（1）抗车辙剂/聚酯纤维复掺沥青混合料的高温性能明显优于另外3种沥青混合料，复掺沥青混合料比单掺抗车辙剂沥青混合料在提升高温性能方面更具有优势。

（2）抗车辙剂、聚酯纤维均能有效提高沥青混合料的水稳定性能，但复掺沥青混合料与单掺抗车辙剂、单掺聚酯纤维相比，水稳定性能并无明显提升。

（3）在低温性能和疲劳性能方面，抗车辙剂/聚酯纤维复掺沥青混合料比基质沥青混合料和单掺抗车辙剂沥青混合料有明显优势，但复掺沥青混合料与单掺聚酯纤维沥青混合料相比，性能提升幅度较小，说明聚酯纤维可有效改善沥青混合料低温和疲劳性能。

4 参考文献

［1］郭瑞，洪刚，李萍，等.AC-16沥青混合料高温稳定性试验［J］.长安大学学报（自然科学版），2013，33（2）：10-15.

［2］覃潇，申爱琴，郭寅川.基于关联性的玄武岩纤维沥青胶浆及其混合料性能研究［J］.材料导报，2016，30（12）：124-128，152.

［3］杨建波，倪志军，王怀才，等.胶粉改性沥青及胶粉改性方法概述［J］.青海交通科技，2019（5）：81-84.

［4］张正伟. 高黏改性沥青及多孔沥青混合料的稳定性与耐久性研究［D］.西安：长安大学，2021.

［5］董泽蛟，肖桂清，龚湘兵.级配及抗车辙剂对沥青混合料抗车辙性能的影响分析［J］.公路交通科技，2014，31（2）：27-31，46.

［6］谢轶琼，张超，惠冰.抗车辙剂改性沥青混合料工艺参数对水稳定性能的影响［J］.中国科技论文，2016，11（7）：835-838.

［7］周义生，吴革森，司徒丽新，等. 抗车辙剂改性沥青混合料路用性能研究［J］.公路，2015，60（1）：178-180.

［8］韦佑坡，张争奇，司伟，等. 玄武岩纤维在沥青混合料中的作用机理［J］.长安大学学报（自然科学版），2012，32（2）：39-44.

［9］罗楚凡，康爱红，吴帮伟，等.外掺剂对SMA-13沥青混合料高温性能影响试验研究［J］.吉林建筑大学学报，2021，38（5）：72-77.

［10］章汪琛.纤维沥青混合料路用性能试验研究［D］.安徽：合肥工业大学，2019.

［11］徐秀维.聚酯纤维沥青混合料路用性能研究及改善机理分析［J］.公路工程，2013，38（3）：219-221，225.

［12］胡传涛.玄武岩纤维和聚酯纤维对sup-20改性沥青混合料路用性能分析［J］.四川水泥，2021（10）：289-290.