不同纖維瀝青混合料性能研究

孔令紳， 李文凱

（1.河南中州路橋建設有限公司，河南周口 466000； 2.河南交院工程技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

水穩(wěn)基層屬于半剛性結(jié)構(gòu)層，炎熱天氣施工會導致水分增發(fā)較快，如果養(yǎng)護不當會產(chǎn)生裂縫，同時后期在車輛軸載作用下也會形成開裂，這些裂縫的出現(xiàn)會反射到路面面層，造成面層反射裂縫的出現(xiàn)［1-3］. 為減緩瀝青面層反射裂縫的形成，將纖維摻入到混合料中來起到加筋、增韌的效果是當今道路工作者研究的重要課題. 由于纖維摻入到混合料中能夠改善瀝青路面的整體路用性能，國內(nèi)研究者對不同類型的纖維開展了大量研究，相關研究表明纖維的摻入能夠改善混合料的性能，同時能夠很大程度上減緩瀝青路面病害的形成延長其使用壽命，減少后期養(yǎng)護成本［4-8］. 近年來，我國道路工作者通過研究發(fā)現(xiàn)纖維在瀝青混合料內(nèi)部能夠起到加筋、增韌的效果，同時纖維的類型、摻量以及尺寸對混合料的性能都有不同程度的影響［9-11］.但隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，車流量尤其重軸載車輛的日益增多，現(xiàn)階段研究的深度不能夠滿足交通行業(yè)發(fā)展的需要. 因此，本文針對玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維以及聚酯纖維AC-13C 和SMA-13 瀝青混合料展開高溫抗車轍、低溫抗開裂以及抗水毀等路用性能試驗，確定三種纖維的最佳摻量以及最優(yōu)的纖維類型，為纖維在瀝青路面中的應用提供理論依據(jù).

1 原材料及配合比設計

1.1 瀝青

本文選用SBS I-D 改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對瀝青進行相關性能指標檢測，試驗結(jié)果詳見表1.

表1 SBS I-D 改性瀝青相關指標試驗結(jié)果Tab.1 Test results of SBS I-D modified asphalt

1.2 纖維

本文選用玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維以及聚酯纖維作為添加劑，研究纖維及纖維混合料的性能，其中玄武巖纖維是一種礦物纖維，規(guī)格為11 μm～6 mm，該纖維與瀝青有較好的相容性，環(huán)保以及較好力學性能等特點；木質(zhì)素纖維是一種灰色、絮狀的植物纖維，具有很好的穩(wěn)定性及耐腐蝕性；聚酯纖維具有高溫穩(wěn)定性好、易分散等特點［12-15］. 三種不同類型纖維示意圖見圖1，三種纖維主要技術(shù)指標表2～表4.

圖1 不同類型纖維示意圖Fig.1 Schematic diagram of different types of fibers

表2 玄武巖纖維技術(shù)指標檢測結(jié)果Tab.2 Test results of main technical indexes of basalt fiber

表3 木質(zhì)素纖維技術(shù)指標檢測結(jié)果Tab.3 Test results of main technical indexes of lignin fiber

表4 聚酯纖維技術(shù)指標檢測結(jié)果Tab.4 Test results of main technical indexes of polyester fiber

1.3 配合比設計及馬歇爾試驗

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的規(guī)定，對AC-13C和SMA-13混合料進行礦料級配設計，粗集料分別為10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm玄武巖碎石；細集料為0～3 mm石灰?guī)r石屑，填料為石灰?guī)r磨細礦粉，粗、細集料、礦粉相關技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求. AC-13C和SMA-13混合料礦料級配設計結(jié)果見表5.

表5 礦料級配設計結(jié)果Tab.5 Design results of mineral aggregate gradation

對未摻纖維的AC-13C和SMA-13混合料進行設計，兩種混合料最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果見表6.

表6 最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果Tab.6 The best oil stone ratio and Marshall test results

2 纖維最佳摻量的確定

2.1 AC-13C瀝青混合料纖維最佳摻量

AC-13C 混合料在目標配比的基礎上玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維以及聚酯纖維分別以0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的摻量加入混合料中，并分別進行最佳油石比、穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果分別見圖2、圖3.

圖2 最佳油石比試驗結(jié)果Fig.2 Best oil stone ratio test results

圖3 穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.3 Stability test results

由圖2可以得出：隨著不同纖維摻量的增加，不同纖維混合料最佳油石比均逐漸增加，且相同纖維摻量時，木質(zhì)素纖維最佳油石比最大，聚酯纖維最佳油石比最小，這主要因為不同纖維都具有較強的吸油率，但吸油率大小不同. 由圖3可以得出：隨著不同纖維摻量的增加，不同纖維混合料穩(wěn)定度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且相同纖維摻量時，玄武巖纖維混合料穩(wěn)定度最大，這主要因為纖維的摻入能夠起到加筋、增韌的效果，且不同纖維對混合料穩(wěn)定度改善效果存在差異，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu)，玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為0.4%、0.4%、0.3%.

2.2 SMA-13瀝青混合料纖維最佳摻量

SMA-13 混合料在目標配比的基礎上玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維以及聚酯纖維分別以0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的摻量加入混合料中，并分別進行最佳油石比、穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果分別見圖4、圖5.

圖4 最佳油石比試驗結(jié)果Fig.4 Best oil stone ratio test results

圖5 穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.5 Stability test results

由圖4可以得出：隨著不同纖維摻量的增加，不同纖維SMA-13混合料最佳油石比變化趨勢與AC-13C混合料變化趨勢一樣. 由圖5可以得出：隨著不同纖維摻量的增加，不同纖維SMA-13混合料穩(wěn)定化趨勢與AC-13C混合料變化趨勢一樣，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu)，玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.4%、0.4%.

3 瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗

瀝青混合料是一種黏彈塑性材料，夏季炎熱環(huán)境下，瀝青路面在車輛軸載作用下容易產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生車轍、擁包、推移等病害，溫度越高，車流量越大，重軸載車輛越多這些病害越為突出［16-19］. 本文選用車轍試驗來評價不同纖維在最佳摻量時AC-13C、SMA-13混合料高溫抗車轍能力，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別見圖6、圖7.

圖6 AC-13C混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.6 Dynamic stability test results of AC-13C mixture

圖7 SMA-13混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.7 Dynamic stability test results of SMA-13 mixture

由圖6、圖7可以得出：不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的高溫抗車轍能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu)，這主要因為三種纖維的摻入能夠改善混合料中瀝青的黏性，纖維亂相分布在混合料內(nèi)部能夠起到加筋、增韌的效果，增強瀝青路面的抗變形能力，減緩塑性變形的形成，同時纖維的摻入能夠降低瀝青膜的厚度，使混合料流變能力變小，且玄武巖纖維較木質(zhì)素纖維、聚酯纖維有更好的物理及力學性能，有更強的抗拉能力.

3.2 低溫抗裂性試驗

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，冬季低溫環(huán)境下，瀝青韌性降低，脆性增強，當溫縮應力大于混合料內(nèi)部極限抗拉強度時，瀝青路面就會開裂形成裂縫，這些裂縫不及時處治會進一步惡化形成龜裂、坑槽等嚴重病害［20-21］. 本文選用小梁低溫彎曲試驗來評價不同纖維在最佳摻量時AC-13C、SMA-13混合料低溫抗開裂能力，彎曲破壞應變試驗結(jié)果分別見圖8、圖9.

圖8 AC-13C混合料破壞應變試驗結(jié)果Fig.8 Failure strain test results of AC-13C mixture

圖9 SMA-13混合料破壞應變試驗結(jié)果Fig.9 Failure strain test results of SMA-13 mixture

由圖8、圖9可以得出：不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料彎曲破壞應變試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的低溫抗開裂能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu)，這是因為隨著纖維摻入到混合料中，纖維亂相分布在混合料內(nèi)部，低溫抗折時混合料內(nèi)部搭接更為緊密，其中玄武巖纖維具有更強抗拉強度、與瀝青混合料相容性更優(yōu)，低溫環(huán)境下能夠增強混合料抗折斷能力，更好地減緩瀝青路面裂縫形成.

3.3 水穩(wěn)定性試驗

松散、坑槽等病害是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式. 車輛軸載及雨水共同作用下會對瀝青與礦料之間的黏附性造成損害. 夏季雨季、冬季雨雪天氣會使瀝青路面長期處在雨水與車輛軸載的共同作用，尤其會處在長期凍融循環(huán)環(huán)境下，降低瀝青與礦料之間的黏附性，最終導致表層瀝青從礦料表面脫落［22-23］. 本文選用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強度比試驗來評價不同纖維在最佳摻量時AC-13C、SMA-13混合料抗水毀能力，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別見圖10、圖11，凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果分別見圖12、圖13.

圖10 AC-13C混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果Fig.10 Marshall test results of AC-13C mixture immersed in water

圖11 SMA-13混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果Fig.11 Marshall test results of SMA-13 mixture immersed in water

圖12 AC-13C混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.12 Test results of AC-13C mixture freeze-thaw splitting

圖13 SMA-13混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.13 Test results of SMA-13 mixture freeze-thaw splitting

由圖10、圖11、圖12、圖13可以得出：不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的抗水毀能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu)，這主要因為玄武巖纖維更容易在混合料內(nèi)部亂相分布，且較木質(zhì)素纖維、聚酯纖維具有更強抗拉拔能力，同時玄武巖纖維是一種礦物纖維與瀝青有更好的相容性，加筋、增韌效果更為突出，對瀝青路面抗水毀能力改善效果更好.

4 結(jié)論

本文通過對摻有玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維的AC-13C、SMA-13瀝青混合料進行路用性能試驗研究得出以下結(jié)論：

1）AC-13C 瀝青混合料玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維最佳摻量分別為0.4%、0.4%、0.3%；SMA-13瀝青混合料玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為0.5%、0.4%、0.4%.

2）不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的高溫抗車轍能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu).

3）不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料彎曲破壞應變試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的低溫抗開裂能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu).

4）不同纖維最佳摻量時，AC-13C、SMA-13混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果均較未摻纖維混合料得到改善，表明三種纖維的摻入均能改善混合料的抗水毀能力，其中玄武巖纖維改善效果最優(yōu).