纖維瀝青混凝土在路面工程中的應(yīng)用

何延剛

鄭州市市政總公司（450000）

目前國(guó)內(nèi)的高等級(jí)道路大多數(shù)采用半剛性基層,因?yàn)榘雱傂圆牧嫌休^高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)了道路的使用壽命,但隨之卻在使用早期出現(xiàn)比柔性基層瀝青路面多而頻繁的裂縫，這些裂縫的出現(xiàn)，尤其是反射裂縫，會(huì)使水滲入路面路基結(jié)構(gòu)，減弱其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還容易引起瀝青表面層較快地出現(xiàn)龜裂。因此，防止裂縫的相應(yīng)措施已成為道路工作者關(guān)注的重點(diǎn),其中采用改善面層材料性能來(lái)提高路面抗裂能力的方法越來(lái)越受重視。在瀝青混凝土中加入纖維，改善瀝青混凝土的技術(shù)性能,有效地提高瀝青混凝土路面的使用壽命，在經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行，在公路瀝青路面建設(shè)工程中具有廣闊應(yīng)用前景。本文對(duì)纖維在混凝土中的影響、纖維的技術(shù)指標(biāo)及纖維的作用機(jī)理,對(duì)纖維瀝青的高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久等多種路用性能進(jìn)行分析,并對(duì)瀝青混凝土施工工藝進(jìn)行了探討。

1 纖維對(duì)瀝青混合料的影響分析

纖維的加入會(huì)影響瀝青混合料性能,對(duì)混合料有著加筋與阻裂的作用。研究表明，纖維的類型、長(zhǎng)度、細(xì)度、纖維在混合料中的質(zhì)量百分比（纖維劑量）及纖維的分散特性均對(duì)纖維瀝青混合料有著明顯影響。纖維摻加量不同，則纖維在混合料中的分散程度、有效比表面積、對(duì)混合料的加強(qiáng)效果等方面均不相同。

1.1 最佳瀝青用量

纖維劑量的增加,將使瀝青混合料的最佳瀝青用量增大，這是因?yàn)槔w維的加入如同填料一樣，需要更多的瀝青包裹在纖維表面，纖維含量越多，纖維的比表面越大，吸附瀝青也越多，最佳瀝青用量也增加。但隨著纖維劑量的增大，最佳瀝青用量的增大速率減緩,達(dá)到一定劑量時(shí)最佳瀝青用量增加不多或不增加。由此可知，纖維加入有合適劑量，并非纖維越多越好。

1.2 密度

纖維的相對(duì)密度均較小，一般小于1.4，比礦料的密度小得多,體積也較疏松，纖維加入混合料后要占用一定的空間，因此在相同的壓（擊）實(shí)功，瀝青混合料的密度值反而會(huì)下降，纖維劑量越大，密度下降越多。

1.3 穩(wěn)定度和流值

盡管人們認(rèn)為馬歇爾穩(wěn)定度和流值作為高溫性能指標(biāo)不太合適,但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中仍采用它作為瀝青混合料高溫性能的一種控制指標(biāo)。馬歇爾穩(wěn)定度是馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件在60℃和加載速率50mm/min條件下,沿試件直徑方向垂直破壞荷載的最大值；而流值是該最大破壞荷載時(shí)試件的垂直變形。前者反映了試件抗破壞性能,而后者一定程度上可以表明試件中自由瀝青的含量和試件的抗變形能力。

隨著纖維劑量的增加，混合料的穩(wěn)定度有不同程度的增加,但當(dāng)超過(guò)一定劑量后反而又有所下降。纖維劑量較小時(shí)，分散較均勻，且有加強(qiáng)作用，穩(wěn)定度也有所增加；但較大的纖維劑量下，其分散性受限制，當(dāng)馬歇爾穩(wěn)定度值隨纖維劑量增加到一定值后反而有所降低。

眾所周知，流值同瀝青用量關(guān)系密切，且側(cè)面反映了試件的抗變形性能，尤其是當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載后，其變形值能穩(wěn)定在某一固定值時(shí)的持久性更能體現(xiàn)瀝青混合料的抗變形特征。流值有隨纖維劑量增大而遞增的趨勢(shì)，混合料中的瀝青也較多，同時(shí)，纖維加入可有效增強(qiáng)混合料的抗變形能力。實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到?jīng)]有纖維的混合料均較脆，在最大破壞荷載時(shí)立即劈裂開或松散;而纖維混合料試件在最大破壞荷載時(shí)，若不仔細(xì)分辨，似乎仍保持完好。且可見到其裂縫面上有部分纖維從中被拔出。

1.4 空隙率和礦料間隙率（VMA）

纖維劑量較小時(shí)，拌和雖較均勻，但瀝青用量比在普通混合料中有所增加，在較高的瀝青用量下，其纖維瀝青砂漿可充分填充到礦料間，使得剩余空隙率比高劑量時(shí)要?。幌喾丛诟邉┝肯?，因拌和均勻性受限，纖維結(jié)團(tuán)成束后占有更大空間，使礦料相互接觸受阻，盡管瀝青用量也增大，但仍留下較大的空隙。如前面所述,纖維加入要占一定空間，且在纖維的彈性效應(yīng)作用下，用相同的擊實(shí)功擊實(shí)時(shí)，其密實(shí)過(guò)程受到阻礙，故纖維加入后空隙率均有增大趨勢(shì)，且隨纖維劑量增大而增大。

礦料間隙率（VMA）包括瀝青體積百分比和剩余空隙率，前文已述瀝青用量隨纖維計(jì)量增加而增加，而空隙率增大，所以礦料間隙率也是隨纖維劑量的增加而增大的，盡管VMA增大，但VMA變化不大，這表明纖維加入后，有效瀝青膜厚度有所增大,這有利于混合料的低溫和耐久性能。

總之，纖維加入后，最佳瀝青用量增加，密度降低，空隙率與VMA增大，馬歇爾穩(wěn)定度就視纖維加強(qiáng)作用和纖維分散性能而定，流值均有增大趨勢(shì)。

2 纖維在瀝青混合料中的作用

2.1 吸附瀝青能力

木質(zhì)素纖維吸附瀝青能力最好,在170℃以上的高溫下，所吸附的瀝青才會(huì)析出,而其他纖維只要在120℃～130℃就會(huì)析出。相比較而言，木質(zhì)素纖維可持瀝青能力最好，其次是石棉纖維和玻璃纖維,而三種有機(jī)纖維可持瀝青能力相似。纖維吸附瀝青的能力大小主要與纖維的表面粗糙程度、比表面積的大小、纖維的組成結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。有人認(rèn)為纖維吸附瀝青較多但沒形成有效的瀝青膜，造成瀝青浪費(fèi)，成本提高，易使混合料變脆；而另外的人認(rèn)為纖維可持瀝青能力與混合料的自由瀝青析漏有關(guān)，這是有利的。實(shí)際上，這應(yīng)根據(jù)混合料類型而定，SMS、OGFC等結(jié)構(gòu)中主要是防止瀝青析漏，如常用木質(zhì)素纖維和石棉纖維等，而其他普通混合料結(jié)構(gòu)主要采用加筋效果好的聚酪纖維和聚丙烯腈纖維較好。

2.2 改善瀝青力學(xué)性能

各種纖維均可以改善高溫性能、低溫抗裂性、耐水性和耐疲勞特性，總體來(lái)看，聚脂纖維和聚丙烯腈纖維等有機(jī)纖維綜合改善性能較好，石棉纖維改善效果也不錯(cuò)，但對(duì)環(huán)境有污染。

2.3 與混合料的混合與粘結(jié)

不論哪種纖維均需與瀝青的粘結(jié)要好,只有其粘結(jié)強(qiáng)度高，才能保證纖維在受拉時(shí)不會(huì)被拔出，同時(shí)，將混合料內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力通過(guò)纖維進(jìn)行傳遞，起到橋接與阻裂作用。因此，纖維的橋接與粘結(jié)將是選擇纖維的又一重點(diǎn)。

2.4 纖維自身的強(qiáng)度和模量

據(jù)復(fù)合材料理論，纖維自身強(qiáng)度太小，不利于混合料總體強(qiáng)度的提高；若纖維自身強(qiáng)度和模量過(guò)大，與瀝青混合料的界面強(qiáng)度不匹配，對(duì)短纖維而言，其纖維與混合料結(jié)合處的剪切應(yīng)變不協(xié)調(diào)，反而會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使混合料總體強(qiáng)度下降。

3 纖維瀝青混合料的增強(qiáng)機(jī)理分析

3.1 橋接阻裂作用

當(dāng)混合料在外力作用下產(chǎn)生裂縫時(shí),均勻分散的纖維在裂尖處起到了橋接作用,從而有效阻止了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。同時(shí)在外力作用下顆料性材料間會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位與滑移，大的滑移受阻后，使纖維可將單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)移到其它基體上，從而使應(yīng)力分布擴(kuò)散更均勻。

3.2 界面增強(qiáng)作用

纖維材料由于其較大的比表面積,使得瀝青中的油分被吸附，相當(dāng)于瀝青相對(duì)增多，從而使瀝青表面的粘度增大，粘附力更強(qiáng)。同時(shí)，瀝青與纖維間產(chǎn)生的物理和化學(xué)吸附、擴(kuò)散與鍵合作用下，使得結(jié)構(gòu)瀝青膜厚度增大，這樣使得纖維瀝青相與礦料相之間的界面效應(yīng)增強(qiáng),從而有效降低了結(jié)構(gòu)的破壞危險(xiǎn)。

3.3 纖維的穩(wěn)定作用

混合料高溫變形能力差,同瀝青粘結(jié)強(qiáng)度下降迅速有很大關(guān)系,而傳統(tǒng)混合料在高溫下瀝青會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)與集中，更進(jìn)一步加大了其高溫變形性能。而纖維加入后，可明顯阻止瀝青的流動(dòng)。

3.4 纖維的增韌阻裂性能

纖維的模量值和延伸變形能力很強(qiáng),當(dāng)路面產(chǎn)生裂縫時(shí)不致于松散破碎。纖維的分布均勻性是纖維瀝青混合料中纖維增強(qiáng)效果的關(guān)鍵。纖維強(qiáng)度與界面粘結(jié)強(qiáng)度比應(yīng)適中，否則會(huì)產(chǎn)生增而不強(qiáng)現(xiàn)象。纖維瀝青混合料中若纖維強(qiáng)度過(guò)高，與基體的粘結(jié)強(qiáng)度不協(xié)調(diào)，往往纖維會(huì)被拔出；纖維強(qiáng)度過(guò)低，起不到增強(qiáng)作用。由于礦質(zhì)級(jí)配不同，使得纖維增強(qiáng)基體的性能差異也較大,礦料的選擇應(yīng)同纖維類型選擇相結(jié)合。一般在較細(xì)的礦質(zhì)級(jí)配中纖維的作用效果較明顯，但級(jí)配過(guò)細(xì)，基體的整體強(qiáng)度又偏低，如何協(xié)調(diào)這一矛盾，在設(shè)計(jì)和纖維選擇時(shí)至關(guān)重要，應(yīng)充分考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比，其各方面性能都有較好的改善,在瀝青混合料中添加適當(dāng)?shù)睦w維后，能明顯提高瀝青混合料的路用性能，可以使瀝青混凝土路面的使用壽命得到有效延長(zhǎng)。