不同纖維瀝青混合料耐久性評(píng)價(jià)

陶明路

摘要 文章選取木質(zhì)纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、PVA（聚乙烯醇高強(qiáng)高模纖維）作為混合料穩(wěn)定劑，通過模擬瀝青混合料不同時(shí)長(zhǎng)熱老化，對(duì)四種纖維瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)老化，運(yùn)用馬歇爾穩(wěn)定度、浸水飛散、凍融劈裂、三點(diǎn)小梁彎曲等試驗(yàn)探究纖維對(duì)瀝青混合料的高溫耐久性、抗水損害耐久性、低溫抗開裂耐久性的影響。

關(guān)鍵詞 纖維;瀝青混合料;耐久性;高速公路

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0107-03

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瀝青混合料內(nèi)部與外界直接接觸面積較大，容易受陽(yáng)光、水、空氣等環(huán)境因素影響。安徽夏季氣溫較高，瀝青混合料老化速度快，瀝青路面的耐久性往往得不到保障。國(guó)內(nèi)外研究表明纖維作為穩(wěn)定劑分散在瀝青混合料中，有吸附、增粘、加筋等作用，能夠增強(qiáng)瀝青混合料的耐久性能，延長(zhǎng)道路使用壽命[1]。

1 纖維穩(wěn)定劑

工程中應(yīng)用的纖維，一般分為兩類：天然纖維和聚合物纖維。天然纖維是通過天然高聚物化學(xué)處理后，機(jī)械加工制得，原材料來源廣泛，包括棉、麻、木材等，常用的有木質(zhì)纖維、玄武巖纖維等，其中木質(zhì)纖維在SMA路面中得到了廣泛應(yīng)用[2];聚合物纖維是利用高分子物質(zhì)作為原料，經(jīng)過特殊化學(xué)處理與加工制造而成，常見的聚合物纖維有聚酯纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等。該文考慮到選擇多樣性，故分別選擇兩種天然纖維：木質(zhì)纖維和玄武巖纖維，兩種聚合物纖維：玻璃纖維和PVA纖維作為添加劑，以期提高瀝青混合料的耐久性。

2 瀝青混合料老化評(píng)價(jià)方法

瀝青混合料的老化是指瀝青路面受到氣候、行車荷載等因素長(zhǎng)期作用，瀝青膠結(jié)料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)逐步損失，性能劣化，不能滿足路面技術(shù)要求，路面結(jié)構(gòu)破壞。瀝青混合料老化分為長(zhǎng)期和短期兩個(gè)階段，短期老化在路面建成之前，包括拌合站拌和、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，攤鋪壓實(shí)等，在攤鋪結(jié)束，路面降至自然溫度后，老化結(jié)束;長(zhǎng)期老化是指路面在運(yùn)營(yíng)期間，長(zhǎng)時(shí)間受到外界環(huán)境因素作用，瀝青膠結(jié)料性質(zhì)逐漸縮減，路面性能不斷衰減，老化至路面性能不能滿足行車要求指標(biāo)結(jié)束。

2.1 短期老化評(píng)估方法

借鑒SHRP取得研究成果，短期老化的試驗(yàn)方法能夠模擬瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸、壓實(shí)情況下，受熱后瀝青的輕質(zhì)組分揮發(fā)，并發(fā)生一定程度氧化的過程，評(píng)價(jià)方法主要有延時(shí)拌和法、烘箱加熱法、微波加熱法三種，比較后發(fā)現(xiàn)烘箱加熱法設(shè)備常規(guī)操作難度較小，有可行性，模擬施工條件的老化也較為真實(shí)可靠，而延時(shí)拌和法只能模擬拌和期間的老化，具有一定局限，微波加熱法設(shè)備不夠常規(guī)，使用經(jīng)驗(yàn)也較少。因此，將烘箱加熱法用作瀝青混合料短期老化方法較好。

2.2 長(zhǎng)期老化評(píng)估方法

瀝青混合料長(zhǎng)期老化方法能反映路面在長(zhǎng)期受外界環(huán)境作用下，發(fā)生的一系列的化學(xué)、物理反應(yīng)，其中最重要的是氧化反應(yīng)。SHRP擬定的長(zhǎng)期老化包括延時(shí)烘箱加熱、加壓氧化處理和紅外/紫外加熱處理。比較來看，加熱養(yǎng)護(hù)氧化操作較為復(fù)雜，安全性也需要注意，延時(shí)烘箱能達(dá)到與加壓氧化類似的氧化程度，溫度較一般自然條件要高，紅外線、紫外線難以模擬野外條件，并且設(shè)備不夠常規(guī)，操作難度較大。因此，將烘箱加熱法作為瀝青混合料長(zhǎng)期老化方法較為可行。借鑒SHRP的老化評(píng)估方法，試驗(yàn)采用烘箱加熱法模擬瀝青混合料不同時(shí)長(zhǎng)老化，加熱時(shí)間分別設(shè)定為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h。

3 老化后抗高溫性能

采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)不同老化程度下的四種纖維混合料高溫性能進(jìn)行比較，試驗(yàn)級(jí)配采取貝雷法設(shè)計(jì)得到的合成級(jí)配，考慮到木質(zhì)纖維體積較大，吸油能力較強(qiáng)，其摻量選用0.2%，其他纖維摻量選擇慣用的0.3%，由析漏和飛散試驗(yàn)得到木質(zhì)纖維混合料的最佳油石比為4.9%，其余纖維瀝青混合料最佳油石比均在4.8%左右，空隙率均能維持在21%左右。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，四種纖維混合料穩(wěn)定度均隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，這說明隨著老化的加深，瀝青混合料的強(qiáng)度不斷增大，高溫穩(wěn)定性得到提升。分析其原因主要在于加熱老化使瀝青內(nèi)部飽和分、芳香分等輕質(zhì)組分逐漸揮發(fā)，瀝青中的活性組分吸收氧氣形成極性含氧基團(tuán)，并且不斷搭接，形成高分子膠團(tuán)，破壞了瀝青原有的組分和結(jié)構(gòu)，瀝青質(zhì)增多，瀝青逐漸變硬，宏觀表現(xiàn)為瀝青混合料有更高的強(qiáng)度。

從表1來看，老化時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，四種纖維混合料的穩(wěn)定度大小順序沒有發(fā)生更迭，均為玄武巖纖維>玻璃纖維>木質(zhì)纖維>PVA纖維。從數(shù)值來看，老化0 h時(shí)PVA纖維混合料的略小于5 kN，從試驗(yàn)來看可能是由于其空隙率稍大于21%所造成，其余纖維瀝青混合料均滿足規(guī)范對(duì)于穩(wěn)定度大于5 kN的要求，說明纖維對(duì)于混合料強(qiáng)度起到了一定積極作用。

玄武巖混合料的馬歇爾穩(wěn)定度從開始就遠(yuǎn)大于其他三種纖維混合料，在沒有老化時(shí)為6.28 kN，老化8 h后為7.83 kN，高溫性能表現(xiàn)優(yōu)異，這也與玄武巖纖維具有最高的抗拉強(qiáng)度形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。玻璃纖維的破壞強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)速度加快，沒有老化時(shí)穩(wěn)定度為5.26 kN，老化8 h后提升至7.56 kN，但仍小于玄武巖瀝青混合料。

4 老化后抗水損壞性能

瀝青混合料由于大空隙的特征，當(dāng)降雨時(shí)，雨水可以借助內(nèi)部連通空隙排出到路兩邊的排水渠道，對(duì)防止水損壞起到了積極作用，但瀝青內(nèi)部也存在較多的半開口空隙，在潮濕多雨的地區(qū)，空氣中的氣態(tài)水和地下水長(zhǎng)期存在半開口空隙中，在行車荷載的作用下，瀝青粘度降低，在沖刷作用下，形成動(dòng)水壓力，破壞路面結(jié)構(gòu)。瀝青有排水的功能特性，是易受水損壞的路面類型之一，對(duì)其水損壞性能研究很有必要。

當(dāng)前測(cè)試瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)包括浸水馬歇爾、浸水飛散，凍融劈裂試驗(yàn)等，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，浸水飛散、凍融劈裂試驗(yàn)無論是便利性還是準(zhǔn)確性都較為突出，采用浸水飛散試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，模擬老化和水損壞共同作用下纖維混合料的性能表現(xiàn)。

4.1 浸水飛散試驗(yàn)

浸水飛散試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表2。

由表2可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，四種纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率均呈現(xiàn)不同幅度增長(zhǎng)，這說明瀝青與集料之間的粘附作用下滑，老化降低了纖維瀝青混合料的抗水損害能力。當(dāng)老化時(shí)間從0 h提高至8 h，玄武巖纖維和PVA瀝青混合料的浸水飛散損失率增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小，兩者表現(xiàn)出相對(duì)優(yōu)異的抵抗水損壞能力，其中玄武巖纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率從3.68%增大到7.43%，共增長(zhǎng)3.75%，PVA從4.53%增大到8.01%，共增長(zhǎng)3.48%。木質(zhì)纖維和玻璃纖維瀝青混合料的飛散損失率增大速度較快，其中木質(zhì)纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率從6.15%增大到12.21%，共增長(zhǎng)6.06%，PVA纖維瀝青混合料從3.96%增大到11.58%，共增長(zhǎng)7.62%，兩者在老化時(shí)長(zhǎng)為8 h的浸水飛散損失均超過了10%，抗水損壞耐久性能下降明顯，這兩種纖維瀝青混合料受長(zhǎng)期水熱損壞的影響較大。

從飛散損失率大小來看，當(dāng)老化時(shí)間為0 h時(shí)，四種纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率為均小于7%，纖維的添加對(duì)瀝青混合料內(nèi)部材料具有較好的約束作用，分散在瀝青混合料中的纖維形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了瀝青混合料的整體性。綜合老化時(shí)長(zhǎng)，四種纖維瀝青混合料的抗水損害能力由高到低分別為玄武巖纖維>PVA纖維>玻璃纖維>木質(zhì)纖維。

4.2 凍融劈裂試驗(yàn)

不同纖維、不同老化時(shí)長(zhǎng)的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，瀝青混合料隨老化時(shí)長(zhǎng)增加，其劈裂強(qiáng)度比提高，但提高幅度不明顯，老化一定程度上縮小了凍融循環(huán)前后的強(qiáng)度差距。根據(jù)劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果也可發(fā)現(xiàn)，老化提高了瀝青混合料的整體強(qiáng)度原因是瀝青老化破壞了原有的瀝青組分和結(jié)構(gòu)，瀝青質(zhì)增多，瀝青變硬，粘度增大，表現(xiàn)出了更高的劈裂強(qiáng)度。從纖維瀝青混合料種類來看，四種纖維瀝青混合料的強(qiáng)TSR由高到低分別為玄武巖纖維>PVA纖維>玻璃纖維>木質(zhì)纖維，這與浸水飛散試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果形成對(duì)應(yīng)。

5 低溫抗開裂性能

裂縫是瀝青路面的常見病害之一，初期裂縫對(duì)路面的使用無明顯影響，但在交通荷載、環(huán)境等多種因素影響下，裂縫逐步擴(kuò)展、稠密、復(fù)雜，最終使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

安徽多數(shù)區(qū)縣晝夜溫差大，秋冬季節(jié)夜間氣溫較低，瀝青路面容易因交通荷載和溫度變化等因素導(dǎo)致開裂，故對(duì)瀝青混合料低溫的抗變形能力也有所要求，利用小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)四種纖維混合料進(jìn)行低溫性能測(cè)試。

試驗(yàn)采用SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件為250 mm×30 mm×35 mm小梁，跨徑為（200±0.5）mm，試驗(yàn)溫度采用（?10±0.5）℃，加載速率為50 mm/min。四種纖維混合料的彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表4。

瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度越大，氣溫降低時(shí)，瀝青路面因收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力允許值就越大，路面抵抗低溫開裂能力就越高。由表4可知，四種纖維瀝青混合料的抗拉應(yīng)力均能夠達(dá)到6 MPa以上，纖維的加入使透水瀝青路面表現(xiàn)出較好的抗彎拉強(qiáng)度，原因在于纖維以三維分散相分布在瀝青混合料中，起到了加筋作用，提高了對(duì)集料的約束力，并且纖維也吸收了部分拉伸應(yīng)力，增強(qiáng)了混合料強(qiáng)度和韌性。四種纖維混合料抗彎拉強(qiáng)度中，玄武巖纖維表現(xiàn)最好，達(dá)到8.58 MPa，相比其他三種纖維瀝青混合料，差距不大。對(duì)于安徽較為寒冷的高速公路罩面養(yǎng)護(hù)，添加纖維是瀝青混合料是避免低溫下韌性，強(qiáng)度不足的有效手段。

由表4看出，四種纖維瀝青混合料在?10℃下的抗彎拉變形能力均較為出色，能夠達(dá)到4 000 με左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫拉伸能力，能夠承受路面因溫縮產(chǎn)生的較大變形。從抗彎拉應(yīng)變能力大小來看，PVA纖維混合料在試件受力破壞時(shí)的最大拉應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他三種，達(dá)到5 226 με，超過木質(zhì)纖維、玄武巖纖維及玻璃纖維瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變1 000 με以上，分析其原因在于PVA纖維的原材料聚乙烯醇平均分子量較高，可以達(dá)到60 000～150 000，但其熱分解溫度和熔點(diǎn)較低，僅在190～210 ℃左右，這使得PVA纖維宏觀表現(xiàn)為質(zhì)地柔軟，耐熱、耐水能力相對(duì)較低，而排水瀝青混合料使用的高粘改性瀝青對(duì)瀝青混合料拌和和壓實(shí)溫度要求都較高，其中礦料溫度需要達(dá)到185～210 ℃，故推測(cè)瀝青混合料在拌和以及水熱老化過程中，部分PVA纖維損失，使得PVA纖維瀝青混合料表現(xiàn)出相對(duì)玄武巖纖維較低的高溫穩(wěn)定性、抗水損害能力和低溫抗拉強(qiáng)度，但在拉伸應(yīng)變方面有優(yōu)勢(shì)。

由表4得出，四種纖維混合料在?10 ℃低溫下勁度模量均不超過2 500 MPa，這說明即使在溫度較低的情況下，纖維瀝青混合料依然能夠保持較好的應(yīng)力松弛性能力，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫抗裂性能。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)，四種纖維混合料的高溫性能排序?yàn)椋盒鋷r纖維>玻璃纖維>木質(zhì)纖維>PVA纖維;四種纖維瀝青混合料抵抗水損壞能力排序?yàn)椋盒鋷r纖維>木質(zhì)纖維>玻璃纖維>PVA纖維;四種纖維混合料的低溫抗裂性能各有特點(diǎn)，綜合看來，玄武巖纖維瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和低溫變形能力均最為突出?？梢姡鋷r纖維用作穩(wěn)定劑加入排水瀝青混合料中，無論是從高溫穩(wěn)定性、抗水損害性能，還是低溫抗裂均有更為優(yōu)異的表現(xiàn)，木質(zhì)纖維次之。經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，推薦玄武巖作為纖維穩(wěn)定增強(qiáng)劑，能夠較好地提高排水路面的耐久性能，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]宋建軍， 蔡乾東， 李延盛， 等. 高模量組合纖維瀝青混合料路用性能研究[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2019（9）： 43-45.

[2]蔡毅. 不同纖維瀝青混合料性能研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2019.