玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究

羅良惠 覃廣

作者簡介：

羅良惠（1986—），工程師，主要從事路橋工程施工管理工作;

覃 廣（1985—），工程師，主要從事路橋工程施工管理工作。

為研究玻璃纖維對瀝青混合料路用性能的影響，文章介紹了路用玻璃纖維的原料選擇和表面改性工藝，并通過車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗，研究不同摻量下玻璃纖維對混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：摻加玻璃纖維可以有效改善混合料的高溫穩(wěn)定性，但是隨著摻量增加，改善作用存在上限;摻加玻璃纖維可以提高瀝青混合料在低溫時的彈性和抗變形能力，但是對彎拉強(qiáng)度沒有幫助;玻璃纖維摻量為0.2%時能夠顯著提升混合料的劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，但是摻量過多會導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性顯著下降。

道路工程;玻璃纖維;瀝青混合料;路用性能

U416.217A200683

0 引言

在我國道路交通量不斷增大及行車荷載不斷增重的背景下，早期建設(shè)的瀝青路面開始出現(xiàn)裂縫、車轍等病害，現(xiàn)狀大量路面已不能滿足高速發(fā)展的交通運輸事業(yè)的要求。國內(nèi)外道路從業(yè)者發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中摻加各類纖維材料開發(fā)新的復(fù)合材料，結(jié)合纖維自身力學(xué)特性，可以改善混合料整體力學(xué)性能[1]。目前常見的瀝青路面改性用纖維有木質(zhì)素纖維、礦物纖維和聚酯纖維等。而木質(zhì)素纖維存在易吸水腐敗、增強(qiáng)效果差的缺點。石棉纖維也有易致癌、不環(huán)保的缺陷。玄武巖纖維雖然各項技術(shù)性能優(yōu)良，但是成本較高，難以得到推廣[2]，因此需要開發(fā)一種廉價的高強(qiáng)高韌纖維材料。玻璃纖維是一種以硅砂、石灰石等天然礦石為原料的無機(jī)非金屬材料，取材方便且價格僅為聚酯纖維的1/5，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，比表面積大但吸水率低，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 500～5000 MPa。但是玻璃纖維較脆，拌和時極易斷裂，且受熱時易靜電結(jié)團(tuán)，很難形成均勻的三維分布狀態(tài)[3]，從而無法起到加強(qiáng)作用。為解決上述制備工藝問題，本文從纖維類型和規(guī)格選擇、表面改性工藝等方面進(jìn)行技術(shù)探討，研究了不同摻量玻璃纖維混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂等路用性能，以期為玻璃纖維的推廣提供充足的理論依據(jù)。

1 玻璃纖維

1.1 玻璃纖維種類和規(guī)格選擇

（1）纖維種類

按照化學(xué)成分，玻璃纖維可以分為無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、高堿玻璃纖維及高強(qiáng)玻璃纖維四種。由于成分不同，各種玻璃纖維的特點各不一致，如表1所示。

（2）纖維單絲規(guī)格

玻璃纖維的單絲直徑極細(xì)，通常以μm為單位計量。國外從業(yè)者研究發(fā)現(xiàn)，纖維直徑對纖維強(qiáng)度影響甚微，且隨直徑減小，纖維韌性顯著提高，但是工藝難度和生產(chǎn)成本也明顯提高。在混合料中分布均勻的玻璃纖維混合料可對路面起到加筋作用，提高路面強(qiáng)度。而纖維的長徑比是影響其在混合料中分散均勻性的重要影響因素。長徑比過大會導(dǎo)致纖維在生產(chǎn)拌和時受熱結(jié)團(tuán)[5]。綜合考慮玻璃纖維的經(jīng)濟(jì)效益以及柔韌性、耐久性需求，本文選用單絲直徑<10 μm，長度為6 mm的短切玻璃纖維，其物理性能與其他類型纖維的對比見表2。

1.2 玻璃纖維表面改性

玻璃纖維表面光滑，摩擦或受熱易起靜電，若不經(jīng)過表面處理直接摻加會在拌和過程中結(jié)團(tuán)，分布不均勻，導(dǎo)致混合料整體強(qiáng)度下降;同時，玻璃纖維與瀝青粘附性差，混合料受力時纖維無法與瀝青咬合，起不到加筋和搭接作用。因此需要在玻璃纖維表面裹附表面處理劑，起到浸潤纖維表面、集束、防止靜電積累、提高與瀝青粘附性的作用。

本文選用一種硅烷偶聯(lián)劑類浸潤劑，其硅烷偶聯(lián)劑分子一端的基團(tuán)與玻璃纖維表面反應(yīng)形成堅固的化學(xué)鍵，另一端基團(tuán)具有有機(jī)物性質(zhì)，可形成防水耐磨的保護(hù)膜，能夠與瀝青產(chǎn)生物理纏繞，使玻璃纖維與瀝青牢固粘結(jié)。其他組成成分有：粘結(jié)劑、潤滑劑及抗靜電劑等。另外輔助成分分別有pH調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑、防腐劑或殺菌劑、消泡劑等。粘結(jié)劑主要是為了將單絲聚束，增加纖維柔韌性;潤滑劑可以在生產(chǎn)過程中，降低機(jī)械各構(gòu)件的磨損，同時降低纖維毛絲率;而抗靜電劑可以增加纖維表面的導(dǎo)電性能，以弱化靜電作用引起的纖維間摩擦系數(shù)。

2 路用性能

采用石灰?guī)r、殼牌70號A級重交基質(zhì)瀝青作為本文試驗集料與粘結(jié)料。纖維改性通常用于SMA路面，但是為了研究結(jié)果的適用性，本文試驗級配選用細(xì)型AC-13F進(jìn)行配合比設(shè)計（如表3所示）。通過馬歇爾試驗最終確定未摻加纖維時的最佳瀝青用量為4.6%。

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)馬歇爾試驗確定的級配和最佳油石比，以0%、0.1%、0.2%、0.3%的摻量制備玻璃纖維SMA-13瀝青混合料車轍試件，參考《公路工程瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011），分別在60 ℃和70 ℃下以輪壓0.7 MPa進(jìn)行車轍試驗60 min。試驗結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：

（1）摻加玻璃纖維后混合料的高溫穩(wěn)定性得到有效提升。在圖1中，隨玻璃纖維摻量增加，混合料的動穩(wěn)定度不斷提高，即使摻量為0.1%，60 ℃動穩(wěn)定度也比摻量為0時提高了52.5%。這是因為經(jīng)過表面浸潤處理的玻璃纖維不易結(jié)團(tuán)、與瀝青粘結(jié)性好，可以均勻分散在混合料中，吸收大量的自由瀝青，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使自由瀝青的數(shù)量相對減少，提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

（2）隨著摻量的增加，玻璃纖維對混合料高溫穩(wěn)定性的改善存在上限。在圖1中，60 ℃動穩(wěn)定度隨著纖維摻量的增加整體呈上升趨勢，但是摻量0.3%時相比0.2%時基本不變;在圖2中，60 ℃和70 ℃的永久變形在摻量0.2%時最小，摻量達(dá)到0.3%時趨于穩(wěn)定。

2.2 低溫抗裂性

根據(jù)《公路工程瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）對低溫小梁彎曲試驗的規(guī)定，以50 mm/min加載速率在-10 ℃環(huán)境下分別對纖維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%的混合料進(jìn)行低溫抗裂性測試。試驗結(jié)果見表4。

由表4可知，玻璃纖維可以提高瀝青混合料的低溫彈性和抗變形能力，但是對彎拉強(qiáng)度沒有幫助。4種摻量下混合料的彎拉強(qiáng)度沒有變化，隨著玻璃纖維摻量的增加，彎拉勁度模量呈上升趨勢，彎拉應(yīng)變呈下降趨勢，但是在0.3%摻量時均有反彈現(xiàn)象。這是因為摻入玻璃纖維后，纖維吸附了瀝青中的輕質(zhì)組分，使瀝青勁度模量提升;纖維分散了瀝青混合料試件內(nèi)部的拉應(yīng)力，阻礙了微裂縫發(fā)育，宏觀上則體現(xiàn)為混合料整體低溫抗開裂能力提升。

2.3 水穩(wěn)定性

參考規(guī)范對室溫組（25 ℃浸水2 h）和凍融組（-18 ℃浸水16 h，再60 ℃水浴24 h）進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗，以干燥狀態(tài)與浸水狀態(tài)劈裂強(qiáng)度比值ITSR表征水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：

（1）瀝青混合料中的玻璃纖維摻量為0.2%時試件劈裂強(qiáng)度最大、水穩(wěn)定性最佳。在圖3中，摻加玻璃纖維達(dá)到0.1%和0.2%后，干燥和凍融劈裂強(qiáng)度均有較大提升，0.2%時的凍融劈裂強(qiáng)度比0時的干燥劈裂強(qiáng)度都要高;在圖4中，ITSR在摻量0.1%和0.2%時對比摻量為0時分別增長了2%和2.4%。這是因為摻加玻璃纖維后，瀝青膠漿的黏度明顯提升，6 mm玻璃纖維吸附在集料上時能夠起到搭接和加筋作用，提高了劈裂強(qiáng)度。

（2）玻璃纖維摻量過多會劣化混合料水穩(wěn)定性。在圖3中，纖維摻量0.3%后，干燥和凍融劈裂強(qiáng)度有所下降，其中凍融劈裂強(qiáng)度下降顯著;在圖4中，ITSR在摻量0.3%時對比摻量0下降了4.2%。這是因為多余的纖維在混合料內(nèi)部不能均勻分布，結(jié)團(tuán)纏繞，阻斷了集料之間的粘結(jié)。

3 結(jié)語

通過研究表面改性工藝和不同摻量玻璃纖維對瀝青混合料路用性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）摻加玻璃纖維可以有效改善混合料的高溫穩(wěn)定性，但是隨著摻量增加，改善作用存在上限。

（2）摻加玻璃纖維可以提高瀝青混合料在低溫時的彈性和抗變形能力，但是對彎拉強(qiáng)度沒有幫助。

（3）玻璃纖維摻量為0.2%時能夠顯著提升混合料的劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，但是摻量過多會導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性顯著下降。

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[4]黃劍飛.玻璃纖維對溫拌瀝青混合料路用性能的影響研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[5]劉 松.玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.