摻加聚酯纖維的SMA混合料路用性能試驗(yàn)研究

廖書文

（中鐵十五局集團(tuán)第六工程有限公司 河南洛陽(yáng) 471013）

引言

瀝青混合料已成為路面建設(shè)中最主要的材料。為了保證道路的工程質(zhì)量和耐久性，提高其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，將加強(qiáng)纖維應(yīng)用于瀝青混凝土路面，經(jīng)過(guò)大量有效的研究和實(shí)際應(yīng)用，已得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同[1]。經(jīng)過(guò)近20年的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明聚酯纖維確實(shí)能改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久性，并全面提高瀝青路面的質(zhì)量[2-4]。SMA混合料能夠綜合改善瀝青路面的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性、耐疲勞性等，而且具有保持表面功能持久的優(yōu)點(diǎn)[5]。

對(duì)于SMA-13級(jí)配的混合料，目前工程界所公認(rèn)和廣泛使用的木質(zhì)素?fù)搅繛?.3%。考慮到在SMA混合料中木質(zhì)素纖維只起到穩(wěn)定劑的作用，起不到聚酯纖維所能起到的加筋和傳遞荷載等作用，故采用聚酯纖維類的Bonifibers替代部分木質(zhì)素，和在木質(zhì)素?fù)搅坎蛔兊那闆r下額外摻加聚酯纖維。分析不同纖維組合SMA混合料的路用性能，得出最佳纖維組合和摻量。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青采用摻加5%SBS改性劑的AH-90#重交通石油瀝青，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。集料SMA-13粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r石屑，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，主要性能指標(biāo)及級(jí)配見(jiàn)表2，根據(jù)《規(guī)程》[6]和[7]規(guī)定的級(jí)配中值確定集料的合成級(jí)配，見(jiàn)表3。纖維采用進(jìn)口Bonifibers和國(guó)產(chǎn)聚酯纖維兩種，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表1 AH-90#SBS改性瀝青性能指標(biāo)

表2 集料性能指標(biāo)及配比

表3 集料的合成級(jí)配

表4 纖維物化性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青混合料各種性能指標(biāo)根據(jù)《規(guī)程》[6]提出的方法進(jìn)行測(cè)試。用馬歇爾試驗(yàn)確定各組混合料的最佳瀝青用量和馬歇爾穩(wěn)定度等指標(biāo)；用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性；用常、低溫劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性；用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。為了使纖維分散足夠均勻，對(duì)加入聚酯纖維的混合料拌和時(shí)間比普通混合料延長(zhǎng)10～15s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混合料的高溫穩(wěn)定性

2.1.1 馬歇爾試驗(yàn)

按我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程[6]規(guī)定的馬歇爾試驗(yàn)方法確定各組混合料的最佳瀝青用量，而后在各自最佳瀝青用量下測(cè)定各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出：（1）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素纖維的混合料，其最佳瀝青用量隨著木質(zhì)素被替代量的增多而減少，這是因?yàn)槟举|(zhì)素的比表面積比Bonifibers大，能吸附和吸收更多的瀝青，而纖維的總量不變，所以木質(zhì)素被替代得越多，最佳瀝青用量越少。額外摻加國(guó)產(chǎn)纖維的混合料，最佳瀝青用量隨著纖維添加量的增加而增大，因?yàn)槔w維在混合料中如同填料一樣，需要更多的瀝青包裹在其表面。 （2）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素纖維的混合料，混合料的密度隨著木質(zhì)素被替代量的增加而增大。對(duì)于額外摻加國(guó)產(chǎn)纖維的混合料，密度隨著纖維添加量的增加而較小，因?yàn)槔w維密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比礦料的密度小，而且聚酯纖維加入后占據(jù)了混合料的一定空間，在相同的擊實(shí)功下很難達(dá)到普通混合料的密實(shí)程度，所以密度會(huì)有所減小。（3）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料和額外摻加國(guó)產(chǎn)纖維的混合料，空隙率都是逐漸增大，礦料間隙率都是逐漸減小。原因是數(shù)量巨大的聚酯纖維起到了多向“加筋”、“傳遞荷載”的作用，使混合料比原來(lái)更難壓實(shí)。（4）對(duì)于用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料，馬歇爾穩(wěn)定度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時(shí)，穩(wěn)定度達(dá)到最大值5.19 kN，較原來(lái)提高5.06%。對(duì)于額外摻加國(guó)產(chǎn)聚酯纖維的混合料，馬歇爾穩(wěn)定度也先增大后減小，當(dāng)纖維組合為0.30%木質(zhì)素+0.06%國(guó)產(chǎn)纖維時(shí)，穩(wěn)定度達(dá)到最大值6.35kN，較原來(lái)提高28.4%，效果優(yōu)于其它組合。這兩組混合料的穩(wěn)定度較原來(lái)都有提高，而且效果明顯，說(shuō)明這兩種纖維組合既能發(fā)揮木質(zhì)素的穩(wěn)定劑作用，又能發(fā)揮Bonifibers起到的橋接和加筋作用。（5）流值同瀝青用量關(guān)系十分密切，瀝青用量越大流值越高。

2.1.2 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是模擬車輪在路面上行駛而形成車轍的工程試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面有良好的相關(guān)性，是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗變形能力的一種重要試驗(yàn)方法。本文進(jìn)行的各組混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可看出：無(wú)論是用Bonifibers替代部分木質(zhì)素還是額外摻加聚酯纖維，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度都有所提高，平均變形速率都有所減小。原因是車轍的產(chǎn)生主要是由于荷載的剪應(yīng)力超過(guò)了混合料的抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切破壞，而聚酯纖維在混合料中起到了“牽拉”、“傳遞荷載”的作用，使混合料的抗拉和抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，因而提高了其抗車轍能力。但是聚酯纖維的替代量和添加量又不能太多，一方面是由于木質(zhì)素被替代得太多會(huì)影響其熔化成膠體后的粘結(jié)力；另一方面聚酯纖維太多會(huì)聚集成團(tuán)，影響在混合料中的均勻性，反而起不到好的效果。兩種混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高效果最好的分別是：用Bonifibers替代0.10%的木質(zhì)素可將原來(lái)混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高6.62%，平均變形速率降低5.88%；0.30%木質(zhì)素+0.06%纖維，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值5317次/mm，較原來(lái)混合料提高7.98%，平均變形速率降低7.05%。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 混合料的低溫抗裂性

瀝青混合料隨著溫度的降低，強(qiáng)度和勁度都會(huì)明顯增大，變形能力會(huì)顯著下降，從而出現(xiàn)開(kāi)裂和脆性破壞。因此，提高瀝青混合料低溫抗裂性能，是延長(zhǎng)路面壽命的主要措施之一。本文進(jìn)行了各組SMA混合料常溫（15℃）、低溫（-10℃）劈裂試驗(yàn)，加載速率為 50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 常、低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表7可知：在常溫和低溫條件下，無(wú)論是用Bonifibers替代部分木質(zhì)素還是額外摻加聚酯纖維，混合料的荷載最大值、劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量均有明顯提高；垂直方向總變形、水平方向總變形和破壞拉應(yīng)變均有明顯減小。15℃時(shí)，用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料，當(dāng)纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值Rt=2.07MPa，較原來(lái)只摻加0.30%木質(zhì)素的混合料略有提高，僅提高了1.47%；對(duì)額外摻加聚酯纖維的混合料，當(dāng)0.30%木質(zhì)素+0.06%聚酯纖維時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值Rt=2.19MPa，較原來(lái)提高7.35%。-10℃時(shí)，纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度4.72 MPa較原來(lái)提高26.20%；纖維組合為0.30木質(zhì)素+0.06聚酯時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度4.74 MPa較原來(lái)提高26.74%。由此可以看出，聚酯纖維能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，且在低溫時(shí)的提高效果要優(yōu)于常溫時(shí)，原因是聚酯纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)受溫度影響較小，低溫時(shí)更得以較好地發(fā)揮其加筋的作用，從而有效提高混合料低溫時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提高混合料的低溫抗裂能力。

綜上所述，添加聚酯纖維，混合料的低溫劈裂強(qiáng)度得到提高，抗變形能力增強(qiáng)，勁度模量增大。在低溫下聚酯纖維仍呈柔性，在混合料中縱橫交錯(cuò)使混合料具有較高的彈性，發(fā)揮的加筋、阻裂、增韌作用是巨大的，使混合料間的粘結(jié)力增大，從而有效抵抗低溫應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.3 混合料的水穩(wěn)定性

瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度可以反映水對(duì)瀝青與集料間粘附效果的破壞作用，本文對(duì)不同纖維組合的SMA混合料進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表8中殘留穩(wěn)定度值來(lái)看，用Bonifibers替代部分木質(zhì)素和額外摻加聚酯纖維，與原來(lái)混合料相比，馬歇爾殘留穩(wěn)定度均有不同程度的提高。最大值分別出現(xiàn)在0.15%木質(zhì)素+0.15%Boni和0.30%木質(zhì)素+0.06%聚酯，且后者略高，比原來(lái)0.30%木質(zhì)素時(shí)分別提高了2.2%和3.0%。原因有兩方面：一方面因?yàn)榫埘ダw維吸收和吸附部分瀝青，增加了混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的含量，減少了自由瀝青的含量，加強(qiáng)了瀝青混合料中瀝青與集料形成的界面膜抵抗水分對(duì)瀝青置換剝離作用的能力，因此其殘留穩(wěn)定度較高，抗水破壞能力較強(qiáng)。另一方面是由于兩種聚酯纖維都能有效地提高混合料抗拉能力，而馬歇爾試驗(yàn)主要是拉伸破壞，所以混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度會(huì)得以提高，抗水破壞能力得以增強(qiáng)。對(duì)比可知，在改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性方面，在原有木質(zhì)素?fù)搅坎蛔兊那闆r下額外摻加聚酯纖維，效果好一些，但不能添加過(guò)多，過(guò)多同樣會(huì)因?yàn)榉稚⑿缘脑驅(qū)旌狭系乃€(wěn)定性起到消極作用。

3 結(jié)論

本文對(duì)不同纖維組合混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水侵害性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。研究表明：（1）利用Bonifibers替代部分木質(zhì)素和額外摻加聚酯纖維的混合料都將提高混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度，說(shuō)明聚酯纖維可有效提高SMA混合料的高溫穩(wěn)定性；（2）聚酯纖維能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，且在低溫時(shí)的提高效果要優(yōu)于常溫時(shí)。低溫下，聚酯纖維在SMA混合料中仍呈柔性，能有效抵抗低溫度應(yīng)力，減少混合料溫縮裂縫的產(chǎn)生。（3）摻加聚酯纖維可以提高SMA混合料的殘留穩(wěn)定度，說(shuō)明聚酯纖維對(duì)SMA混合料的水穩(wěn)定性也具有改善作用。（4）綜合考慮不同纖維組合和摻量瀝青混合料的路用性能，并考慮到經(jīng)濟(jì)等因素，在試驗(yàn)路中了采用0.20%木質(zhì)素+0.10%Bonifibers的纖維組合。

[1]孫家瑛，任傳軍，戴亞英.纖維對(duì)瀝青混合料路用性能影響研究.中外公路[J].2004，(26):175—177.

SUN Jia-ying， REN Chuan-jun， DAI Ya-ying.Study on effect of fiber on road application performance of asphalt mixture [J].Journal of China&Foreign Highway.2004，(26):175—177.

[2]Amirkhanian S.N.， Burati J.L.， Bridges WC.Polyester fibers in asphalt paving mixtures [J].Association Aspha1t Paving Techno1ogy， 1989， (58):387－409.

[3]Samanos J.Serfass J.P.Fibere-modified asphalt concrete characteristics，applications and behavior[A].Asphalt Paving Technology:Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technica1 Sessions[A]，Baltimore，USA，1996，(65):193－230.

[4]封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究:(博士學(xué)位論文)[D].南京:東南大學(xué)，2006.7.

FENG Ji-liang.Study of performance and mechanism of fiber reinforced asphalt mixtures[D].Nanjing:Southeast University，2006，7.

[5]李雪峰.SBS改性瀝青與Superpave20在江蘇省淮鹽高速公路的應(yīng)用[J].中外公路.2008，(28):197-201.

LI Xue-feng.Application of SBS modified asphalt and superpave20 in huaian-yancheng freeway ofJiangsu province [J].Journal of China&Foreign Highway.2008，(28):197-201.

[6]JTJ 052-2000，中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

JTJ 052-2000，Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering()[S].

[7]JTJ 058-2000，中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

JTJ 058-2000，Standard test methods of aggregate for highway engineering[S].