纖維瀝青膠漿及瀝青混合料路用性能研究

劉 克 非

(1.長沙理工大學道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南長沙 410114;

2.中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

纖維瀝青膠漿及瀝青混合料路用性能研究

劉 克 非1，2

(1.長沙理工大學道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南長沙 410114;

2.中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

以SMA-10為例，通過動態(tài)剪切流變試驗、簡支梁彎曲蠕變試驗、水穩(wěn)定性試驗、車轍試驗以及動、靜態(tài)蠕變試驗、恒高度重復剪切試驗和4點彎曲疲勞試驗，研究了木質素纖維、礦物纖維、聚丙烯腈纖維對瀝青膠漿及瀝青混合料路用性能的影響。結果表明:纖維的加入可以明顯改善瀝青膠漿和瀝青混合料的高溫性能，但同時降低它們的低溫抗裂性能;礦物纖維瀝青混合料的凍穩(wěn)定性和高溫性能最好，聚丙烯腈纖維瀝青混合料的疲勞性能最好;車轍試驗、動態(tài)蠕變試驗和恒高度重復剪切試驗結果之間具有良好的相關性，能較好地反映不同纖維對瀝青混合料高溫性能的影響，而動態(tài)蠕變試驗得出的黏彈性常數(shù)可用來預估瀝青面層的車轍。

纖維瀝青膠漿;路用性能;RSCH;SMA

纖維是一種細而長的材料，具有彈性模量大，塑性形變小，強度高等特點，有很高的結晶能力，分子量小。在瀝青混合料中添加纖維，可以有效地改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和疲勞耐久性，并能提高瀝青混合料的抗拉性能、防止反射裂縫產(chǎn)生［1］。美國和西歐等發(fā)達國家已經(jīng)對纖維改性瀝青及瀝青混合料進行了大量的研究和應用。我國道路工作者對纖維瀝青及其瀝青混合料的研究起步較晚，直到20世紀90年代初SMA路面結構的出現(xiàn)，才引起人們對纖維類混合料產(chǎn)品的關注。長安大學的陳華鑫［2］、朱朝輝［3、丁智勇［4］等曾分別對摻有木質素纖維和博尼纖維的AC、AK瀝青混合料路用性能進行研究。纖維是當今SMA混合料中的重要組成部分，原因與SMA中摻有大量的礦粉和瀝青有關。歸納起來，纖維在瀝青混合料中主要起以下作用［5］:

1)加筋作用。瀝青混合料中的纖維呈三維分散狀存在，因此可以起到加筋作用。

2)分散作用。若不添加纖維，SMA混合料中用量較大的瀝青及礦粉就會膠結成團，其在集料間的分散極不均勻，會在較大程度上影響瀝青混合料的路用性能。纖維在瀝青混合料中可以起到分散膠團的作用。

3)吸附及吸收瀝青的作用。纖維加入到瀝青混合料中后會吸附表面瀝青、吸收內部瀝青，進而使瀝青用量提高、瀝青膜變厚并提高瀝青混合料的耐久性。

4)穩(wěn)定作用。在夏季高溫季節(jié)，瀝青結合料會因受熱而發(fā)生膨脹，纖維的加入可以使瀝青膜處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，其吸收內部自由瀝青的能力可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

目前SMA中使用較多的是木質素纖維、聚丙烯腈纖維和玄武巖礦物纖維。筆者選用3種不同纖維(木質素纖維、礦物纖維、聚丙烯腈纖維)對摻入瀝青膠漿及瀝青混合料(以SMA-10為例)中，試驗研究纖維混合料的性能。

1 纖維瀝青膠漿及瀝青混合料配合比設計

1.1 原材料

粗集料采用玄武巖碎石(江蘇鎮(zhèn)江);細集料采用石灰?guī)r(湖南望城);礦粉采用石灰石粉;木質素纖維、礦物纖維由上海捷漫貿易發(fā)展有限公司生產(chǎn);聚丙烯腈纖維為德蘭尼特AS;瀝青采用SBS改性瀝青(江蘇江陰)。3種纖維的技術指標見表1。

表1 3種纖維技術指標Tab.1 Technical indexes of the three fibers

1.2 礦料級配組成設計

按照JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》設計SMA-10的配合比，在各項設計指標滿足要求的前提下，確定其級配結果列于表2中。為了便于對比，選定所有纖維的添加量均為瀝青混合料總質量的3‰［6］。

1.3 SMA－10混合料設計檢驗

各種纖維瀝青混合料的馬歇爾測試結果列于表3中。

表2 SMA－10級配設計Tab．2 Gradation design of SMA －10

表3 SMA－10馬歇爾試驗結果Tab．3 Maxshall test results of SMA －10

2 纖維瀝青膠漿測試

與基質瀝青相比，纖維的加入可以使瀝青的微觀結構形成非均質體，性能也會發(fā)生變化，纖維網(wǎng)絡在瀝青中隨機分布并產(chǎn)生內摩阻力，進而提高瀝青膠漿的黏度。纖維的“增黏”作用可以有效提高瀝青膠漿的抗剪切變形能力，進而提高瀝青路面抗高溫變形能力［7］。本文采用SHRP試驗中的動態(tài)剪切流變試驗(DSR)和簡支梁彎曲蠕變試驗(BBR)測試纖維瀝青膠漿的技術性能，纖維與瀝青的質量比為1∶20。

2.1 動態(tài)剪切流變試驗DSR及結果分析

試驗溫度從64℃開始以6℃增量遞增，測得的相位角δ及抗車轍因子G*/sinδ的結果如圖1和圖2。

由圖1和圖2可知:基質瀝青的抗車轍因子遠遠小于纖維瀝青膠漿的抗車轍因子，說明添加纖維會使瀝青變硬，進而提高抗車轍能力;各纖維瀝青車轍因子隨著試驗溫度的升高而迅速降低，表明纖維瀝青膠漿的溫度敏感性比基質瀝青大，相比之下，礦物纖維瀝青膠漿的車轍因子對溫度敏感性較低;纖維種類對瀝青高溫性能的影響隨試驗溫度的升高而逐漸降低，這主要是因為隨著纖維對瀝青的吸附和吸收作用逐漸減弱，纖維瀝青膠漿中的自由瀝青量逐漸增多。分散性方面，礦物纖維在基質瀝青中的分散性最好，可以使纖維瀝青膠漿形成連結良好的復合材料;而外形呈顆粒狀的木質素纖維則分散較為困難，使其瀝青膠漿中結有微團，使試驗結果產(chǎn)生偏差，因而其抗車轍因子也大。由對比可知，基質瀝青與纖維瀝青膠漿的相位角相差較大，說明添加纖維可使瀝青彈性增加;礦物纖維膠漿的相位角隨溫度的升高增長最快，其彈性部分向黏性轉化也最多［8］。

2.2 簡支梁彎曲蠕變試驗BBR及結果分析

采用纖維與瀝青按1∶20的比例配成纖維瀝青膠漿經(jīng)RTFOT老化20 h后的試樣，試驗所得數(shù)據(jù)整理于圖3和圖4中。

由圖3和圖4可知:在瀝青中添加纖維可以增加其蠕變勁度并降低柔性;在-12℃時，纖維種類對瀝青膠漿的勁度模量影響不大，而在-18℃時，木質素纖維膠漿的勁度模量迅速增大，說明木質素纖維膠漿的低溫性能較差;溫度下降時，不同纖維瀝青膠漿的蠕變曲線斜率都隨著溫度的下降而減小，說明纖維并沒有改善瀝青的低溫松弛性能，反而使其性能有所降低，以木質素纖維膠漿的性能最差［9］。

3 水穩(wěn)定性測試

分別采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比評價不同纖維SMA-10的水穩(wěn)定性，試驗所得數(shù)據(jù)整理于表6。

表4 水穩(wěn)定性試驗結果Tab.4 Water stability test results

殘留穩(wěn)定度試驗結果表明，不同纖維瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度結果相差不大，其中木質素纖維最好，原因是添加木質素纖維后，混合料最佳瀝青用量增多;劈裂強度比結果表明，礦物纖維瀝青混合料雖然最低，但其凍融前后的劈裂強度都遠高于另兩種纖維瀝青混合料，因此可認為礦物纖維SMA-10的凍穩(wěn)定性較好。

4 高溫穩(wěn)定性測試

由于影響瀝青混合料高溫性能的因素不同，測試高溫性能的試驗方法也很多，本文采用車轍試驗，動、靜態(tài)蠕變試驗及恒高度重復剪切試驗(RSCH)評價不同纖維對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，試驗溫度均為60℃。試驗所得數(shù)據(jù)整理于表5。

表5 高溫穩(wěn)定性試驗結果Tab.5 High －temperature stability test results

由表5的試驗數(shù)據(jù)分析可知:各種纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，但瀝青混合料的性能測試結果與馬歇爾穩(wěn)定度、流值及動穩(wěn)定度排序并不一致，所以可認為馬歇爾穩(wěn)定度只適用于在瀝青混合料配合比設計中選擇瀝青最佳用量，而不能作為評價瀝青混合料高溫性能的指標。靜態(tài)蠕變試驗可以得出不同纖維瀝青混合料的勁度模量，但其結果與其它試驗結果相比沒有良好的相關性。車轍試驗、動態(tài)蠕變試驗及RSCH之間具有良好的相關性，動態(tài)蠕變試驗的延遲彈性部分較好地體現(xiàn)了不同纖維瀝青混合料高溫性能的差別，動穩(wěn)定度也明顯地反映出不同纖維對瀝青混合料高溫性能的影響，RSCH試驗結果可以體現(xiàn)不同纖維瀝青混合料之間的差別;對于不同的纖維瀝青混合料，RSCH試驗的γ和k2值、動態(tài)蠕變試驗的黏彈性常數(shù)及車轍試驗的動穩(wěn)定度都可以用來評價不同纖維對瀝青混合料高溫性能的影響。

相比之下，礦物纖維比另兩種纖維有更好的抗車轍性能;不同纖維SMA-10的勁度模量相差不大，動態(tài)蠕變試驗及RSCH的結果表明礦物纖維具有較好的高溫性能。

5 疲勞性能測試

采用四點彎曲疲勞試驗測試不同纖維對SMA瀝青混合料疲勞性能的影響。試驗設備采用UTM動態(tài)伺服氣動材料試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用氣動式伺服閥的數(shù)字控制，對雙向激振汽缸提供加載波形控制，力傳感器可準確地測定所施加荷載的大小，測量精度:1 N，最大測量荷載:25 kN，其計算機控制系統(tǒng)可對疲勞試件所受荷載進行實時動態(tài)監(jiān)測。

5.1 疲勞試件的制備

制備四點彎曲疲勞試件的主要步驟包括:混合料拌制、碾壓成型和試件切割。將水洗篩分后的集料置于溫度為(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重，按級配要求配料后置于烘箱中預熱，預熱溫度高于拌和溫度15℃;拌和時間:240 s;將拌和機拌和后的混合料碾壓成尺寸為400 mm×300 mm×50 mm的試板。養(yǎng)護后的試件切割成400 mm×50 mm×50 mm的標準四點彎曲小梁試件。

5.2 疲勞試驗步驟

1)將切割好的小梁試件置于環(huán)境溫控箱內在試驗溫度(15℃)下養(yǎng)護4 h以上，環(huán)境溫控箱為氣冷式，高精度PID調節(jié)，確保溫度控制的精確性。

2)在控制軟件中輸入試驗參數(shù)，試驗模式:應變控制模式;試驗波形:無間歇時間的偏正弦波;試件尺寸:400 mm×50 mm×50 mm;試驗溫度:15℃;試驗頻率:10 Hz;試驗荷載水平:應變水平;試驗破壞準則:取初始勁度模量的50%為破壞臨界點。本研究選取200，300，400 με作為疲勞控制應變。

3)將養(yǎng)護好的試件置于疲勞試驗機夾具內，通過定位板確定各夾頭間的間距，夾緊夾頭后將位移傳感器置于試件上表面。通過計算機控制系統(tǒng)啟動試驗，讀取第100個加載循環(huán)時的勁度模量作為試件的初始勁度模量。計算機系統(tǒng)自動控制試驗過程并實時顯示各參數(shù)變化情況，按照設定的加載間隔讀取并記錄試驗數(shù)據(jù)，主要包括:溫度、加載次數(shù)、最大應變值、勁度模量、模量百分比、滯后角、耗散能及累積耗散能等。當測得的勁度模量下降至初始勁度模量的50%時，試驗自動停止。

5.3 疲勞試驗結果分析

試驗所得數(shù)據(jù)整理于表6。

表6 疲勞性能試驗結果Tab.6 Fatigue property test results

由表6可知:3種應變水平下木質素纖維SMA-10的初始勁度模量都要大于礦物纖維和聚丙烯腈纖維，但其疲勞壽命相對較差;相比之下，聚丙烯腈纖維明顯有助于瀝青混合料疲勞壽命的增加。滯后角可以用來表征瀝青混合料黏彈比的大小，滯后角越大，瀝青混合料越傾向于黏性，反之則更傾向于彈性。從3種纖維瀝青混合料的滯后角來看，3種瀝青混合料的黏彈性性能差別不大。

6 結論

1)纖維的加入能夠改善瀝青膠漿的高溫性能，且纖維種類不同，其改善的效果也不同，但是其溫度敏感性增大;隨著溫度的升高，纖維種類對瀝青高溫性能的影響逐漸降低。

2)不同纖維對混合料的抗水損害能力影響不大，相比之下礦物纖維瀝青混合料的凍穩(wěn)定性更好，其高溫穩(wěn)定性也優(yōu)于其它纖維;而聚丙烯腈纖維瀝青混合料的抗疲勞性能較好。

［1］倪富健，郭詠梅，曾蘭英，等.聚丙烯腈纖維SMA路用性能［J］.交通運輸工程學報，2003，3(3):7-11.

NI Fu-jian，GUO Yong-mei，ZENG Lan-ying，et al.Road performance of SMA mixture with PAN fiber composite［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2003，3(3):7-11.

［2］陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究［D］.西安:長安大學，2002.

［3］ 朱朝輝.外摻纖維瀝青混合料的路用性能研究［D］.西安:長安大學，2004.

［4］丁智勇.纖維瀝青混合料應用研究［D］.西安:長安大學，2004.

［5］Soroushian.Polyester fibers in asphalt paving mixtures［J］.MI USA Inorganic Bonded Wood Fiber Compose Mater，1997，127(17):8-13.

［6］趙麗華，孔永健，尚彥宇.纖維對瀝青結合料性能改善的研究和分析［J］.城市道橋與防洪，2005，11(6):153-156.

ZHAO Li-hua，KONG Yong-jian，SHANG Yan-yu.Study and analysis of performance improvement of fiber for bituminous bound-material［J］.Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2005，11(6):153-156.

［7］張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈性力學原理及應用［M］.北京:人民交通出版社，2006:156-159.

［8］AASHTO.Method for determining the rheological properties of asphalt binder using a Dynamic Shear Rheometer(DSR)［S］.Washington，D.C.，USA:AASHTO，1994.

［9］ASTM International.Standard test method for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the Bending Beam Rheometer(BBR)［S］.West Conshohocken，PA，USA:ASTM，2004.

Study on Pavement Performance of Fiber Asphalt Mortar and Its Mixtures

LIU Ke-fei1，2

(1.Changsha University of Science ＆ Technology，Changsha 410114，Hunan，China;2.College of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，Hunan，China)

Taking SMA-10 as an exemple water stability test，rutting test，dynamic and static creep tests，constant height repeating shear test(RSCH)and four-points bending fatigue test to study the influence of lignin fiber，mineral fiber and PAN fiber to asphalt mortar and its mixtures.were carried out by means of DSR，BBR The results showed that adding fiber in asphalt could significantly improve the high temperature properties of asphalt mortar and these mixtures while these low temperature crack resistance decreased.The freeze stability and the high temperature performance of mineral fiber asphalt mixture were better;the fatigue performance of PAN fiber asphalt mixture is excellent.The test results of rutting test，dynamic creep test and RSCH had good correlation and these results could preferably reflect the influence of various fibers to asphalt mixtures.The viscoelastic constants of dynamic creep test could predict the rutting of asphalt surface.

fiber asphalt mortar;pavement performance;RSCH;SMA

U414.75

A

1674-0696(2011)03-0407-04

2011-02-24;

2011-04-22

長沙理工大學道路災變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金資助項目(kfj080303)

劉克非(1982-)，女，遼寧鐵嶺人，講師，博士研究生，主要從事道路結構、材料及檢測方面的研究。E-mail:liukefei92013@163.com。