纖維改性瀝青混合料綜合性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

■李蘭健

（福建新路達(dá)交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，南平 353000）

瀝青路面作為一種無(wú)接縫的柔性路面，具有平整、駕駛舒適性高、減震降噪、少塵、耐磨、美觀、施工時(shí)間短、養(yǎng)護(hù)維修方便、可分期改造和再生利用等優(yōu)點(diǎn)。然而隨著道路快速發(fā)展，交通量和軸載的不斷增加使得瀝青路面在通車(chē)使用后不久出現(xiàn)車(chē)轍、開(kāi)裂、水穩(wěn)定性等早期損害。近年來(lái)，纖維材料因其性能優(yōu)良，施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為提高瀝青路面性能的新手段，受到了普遍的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外瀝青路面工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，瀝青路面中使用纖維的種類(lèi)繁多，每種纖維對(duì)瀝青混合料性能改善程度和偏重點(diǎn)不盡相同。以往的研究多集中在纖維摻量、長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)瀝青混合料路用性能影響的方面以及纖維作用機(jī)理[1]，而在對(duì)纖維瀝青混合料綜合性能量化說(shuō)明方面研究相對(duì)匱乏，尤其是對(duì)于如何考量纖維成本的研究更是少見(jiàn)，這對(duì)于工程中科學(xué)選擇經(jīng)濟(jì)適用的纖維改性材料是不利的。為此，本文以工程中最為常用的三種路用纖維[2-3]——木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維為例，對(duì)纖維改性瀝青混合料綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可以作為福建省瀝青路面工程纖維應(yīng)用的參考依據(jù)。

1 原材料

（1）瀝青

基質(zhì)瀝青混合料、三種纖維改性瀝青混合料所用膠結(jié)材料均為70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）[4]要求。

（2）礦料及設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

試驗(yàn)集料采用福建省南平市當(dāng)?shù)厥蠌S生產(chǎn)的碎石和機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r磨制的石粉。四種瀝青混合料礦料級(jí)配類(lèi)型相同，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）中規(guī)定的AC-16C型瀝青混合料中值級(jí)配設(shè)計(jì)。

（3）纖維

本文所用纖維有木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維三種，見(jiàn)圖1，其特性和共同點(diǎn)如表1所示：

圖1 試驗(yàn)用三種纖維

表1 纖維特性和共同點(diǎn)比較

2 混合料路用性能比較

（1）高溫穩(wěn)定性能

參照《公路工程瀝青及瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）[5]規(guī)定的車(chē)轍試驗(yàn)方法，對(duì)四種瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，測(cè)試得到各瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)見(jiàn)圖2，動(dòng)穩(wěn)定度越大表明瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能越好。

圖2 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

從圖2中可知，相比基質(zhì)瀝青混合料，纖維改性后的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值均大幅提高，說(shuō)明纖維有助于改善瀝青混合料高溫性能，改善效果最好的是玄武巖纖維，動(dòng)穩(wěn)定度值增加了接近2倍；即使改善效果最差的木質(zhì)素纖維，也使得瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值增加了57%。

（2）低溫抗裂性能

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的-10℃下低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，破壞應(yīng)變值越大表明瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能越好。

從圖3中可知，相比基質(zhì)瀝青混合料，纖維改性后的瀝青混合料破壞應(yīng)變值均有不同程度的增加，說(shuō)明瀝青混合料中加入纖維改善了瀝青混合料低溫性能，改善效果最好的是聚酯纖維，木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維的改善效果沒(méi)有明顯差距。

圖3 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）水穩(wěn)定性能

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5，凍融劈裂強(qiáng)度比越大表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好。

從圖4可知，纖維改性的瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均高于基質(zhì)瀝青混合料，按照提高幅度排序是聚酯纖維瀝青混合料略?xún)?yōu)于玄武巖改性瀝青混合料，而玄武巖纖維瀝青混合料優(yōu)于木質(zhì)素纖維瀝青混合料。

圖4 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

（4）抗疲勞性能

本文采用應(yīng)力控制模式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[6]，試件成型方法：首先輪碾法成型300mm×300mm×50mm車(chē)轍板試件，并將車(chē)轍板切割成250mm×40mm×40mm的試驗(yàn)用小梁。應(yīng)用疲勞試驗(yàn)機(jī)在20℃下進(jìn)行三點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)測(cè)試各混合料的極限破壞應(yīng)力σ，然后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，峰值荷載設(shè)置對(duì)應(yīng)混合料破壞應(yīng)力的0.2倍（0.2σ）這一應(yīng)力水平，施加荷載頻率為10Hz的連續(xù)式半正弦波荷載，得到試件破壞時(shí)的加載次數(shù)，用于表征瀝青混合料抗疲勞性能，加載次數(shù)越多表明瀝青混合料的抗疲勞性能越好。

從圖5可知，纖維改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)的破壞加載次數(shù)均有大幅的增加，說(shuō)明瀝青混合料中加入纖維大大改善了瀝青混合料抗疲勞性能，聚酯纖維和玄武巖纖維對(duì)疲勞性能提升幅度相差不大，但明顯好于木質(zhì)素纖維的改善作用。

圖5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 綜合性能系數(shù)計(jì)算比較

通過(guò)以上測(cè)試分析可知，三種纖維對(duì)瀝青改性各有優(yōu)勢(shì)，為說(shuō)明瀝青混合料綜合改性作用，參考文獻(xiàn)[7]中方法，以高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)性能和抗疲勞性能作為四項(xiàng)分項(xiàng)性能，對(duì)瀝青混合料的路用性能進(jìn)行綜合量化。各分項(xiàng)路用性能系數(shù)計(jì)算方法如下：

式（1）中，x纖維為纖維改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值，x基質(zhì)為基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

以上處理相當(dāng)于是一種歸一化的排序，是對(duì)纖維改性作用的相對(duì)值進(jìn)行量化，按式（1）計(jì)算后，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維的高溫性能系數(shù)分別為0.25、0.77和1。按相同的方法可以計(jì)算木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維的低溫性能系數(shù)，水穩(wěn)性能系數(shù)和抗疲勞性能系數(shù)，見(jiàn)表2。

瀝青混合料的綜合路用性能系數(shù)，可以按式 （2）計(jì)算：

式（2）中，x1、x2、x3、x4分別為纖維改性瀝青混合料高溫性能系數(shù)、低溫性能系數(shù)、水穩(wěn)性能系數(shù)和抗疲勞性能系數(shù)，r1、r2、r3、r4分別為各項(xiàng)性能系數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

考慮不同地區(qū)對(duì)瀝青混合料服役環(huán)境不同，對(duì)路用性能要求也將有所不同，比如在我國(guó)東北地區(qū)更加注重低溫性能，而在南方地區(qū)普遍重視材料的高溫和水穩(wěn)定性能。各項(xiàng)性能的權(quán)重系數(shù)可按瀝青路面氣候分區(qū)進(jìn)行分配，根據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》氣候分區(qū)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 氣候分區(qū)即權(quán)重系數(shù)分配表

以福建省為例，高溫分區(qū)為夏炎熱氣候分區(qū)，低溫為冬溫區(qū)，降雨分區(qū)為潮濕區(qū)，表明福建省瀝青路面對(duì)瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)性能均比較重視，而對(duì)低溫性能要求并不高，所以福建省瀝青路面瀝青混合料高溫性能系數(shù)、低溫性能系數(shù)、水穩(wěn)性能系數(shù)和抗疲勞性能系數(shù)分別為 4、1、4、4，帶入式（2）計(jì)算得到各瀝青混合料綜合路用性能系數(shù)見(jiàn)表3。從表3中可以看出，聚酯纖維的綜合路用性能系數(shù)最好，玄武巖纖維緊隨其后，木質(zhì)素纖維與兩者有明顯差別。

表3 綜合性能系數(shù)計(jì)算過(guò)程表

進(jìn)一步考慮纖維成本，綜合路用性能系數(shù)按式（3）計(jì)算，該指標(biāo)表征每提升一噸混合料單位綜合路用性能系數(shù)所需額外付出的成本。

式（3）中，根據(jù)纖維的摻量和單價(jià)費(fèi)用，可知因使用木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維每噸瀝青混合料增加的額外成本分別為10.5元、30元和24元。各纖維瀝青混合料綜合性能系數(shù)，見(jiàn)表3，由結(jié)果可知在滿(mǎn)足使用要求的前提下，考慮性?xún)r(jià)比時(shí)木質(zhì)素纖維是福建省瀝青路面纖維改性劑中的一種很好選擇。

4 結(jié)論

（1）三種改性纖維瀝青混合料室內(nèi)路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明，聚酯纖維改性瀝青混合料低溫抗裂性、水穩(wěn)定性能和疲勞性能均為最優(yōu)；玄武巖纖維改性瀝青混合料高溫性能最優(yōu)，水穩(wěn)性能和疲勞性能與聚酯纖維瀝青混合料差距并不明顯；木質(zhì)素纖維瀝青混合料各項(xiàng)路用性能提升不如以上兩種混合料顯著。

（2）考慮瀝青路面氣候分區(qū)，從技術(shù)性能考慮聚酯纖維最適合福建省瀝青路面，進(jìn)一步考慮成本，木質(zhì)素纖維具有最高的性?xún)r(jià)比。

[1]封基良.纖維瀝青混合料增強(qiáng)機(jī)理及其性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[2]黃彭.木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005.

[3]郭乃勝，趙穎華，李剛.聚酯纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能分析[J].沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004.

[4]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范.

[5]JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程.

[6]劉峰，李宇峙，黃云涌.瀝青混合料疲勞試驗(yàn)中兩種控制模式的選擇分析[J].中外公路，2005，25（4）：192-195.

[7]郝飛.多聚磷酸改性瀝青及其混合料技術(shù)性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.