不同纖維摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響研究

曹檢云，高凱凱

(1. 長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410125； 2. 交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；3. 交科院公路工程科技(北京)有限公司，北京 100088)

新疆地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，因此該地區(qū)瀝青路面對(duì)瀝青混合料的綜合性能要求較高。為避免新疆地區(qū)瀝青路面過早出現(xiàn)車轍、開裂等病害，提升道路的服務(wù)水平，延長(zhǎng)路面使用年限，需要綜合考慮瀝青混合料的高低溫路用性能[1-2]。為提升瀝青混合料高溫性能，工程中多采用較粗級(jí)配的瀝青混合料，但粗級(jí)配的混合料在低溫條件下易出現(xiàn)開裂破壞[3-4]；如采用較細(xì)級(jí)配的瀝青混合料、提高混合料中的瀝青含量，可以提高瀝青混合料的低溫抗變形能力，但此時(shí)瀝青混合料在高溫條件下容易出現(xiàn)車轍、泛油等病害[5]。也有研究試圖通過提升瀝青性能以達(dá)到改善瀝青混合料綜合性能的目的，但改性瀝青質(zhì)量穩(wěn)定性難以控制[6-7]，故此方法難以應(yīng)用于實(shí)際工程中。在瀝青混合料中摻入纖維，可提升瀝青混合料的綜合性能[8-9]，同時(shí)，AC-20瀝青混合料一般應(yīng)用于瀝青路面的中下面層，混合料的低溫性能有待提高[10]。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)研究不同纖維種類及摻量下AC-20瀝青混合料性能的變化規(guī)律，總結(jié)纖維種類及摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 原材料性能

1.1 瀝青

本文選用克拉瑪依70#瀝青，經(jīng)檢測(cè)，克拉瑪依70#瀝青各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 克拉瑪依70#瀝青各項(xiàng)指標(biāo)

1.2 纖維

本文選用玄武巖纖維(礦物纖維)、木質(zhì)素纖維及聚酯纖維(聚合物纖維)，3種纖維的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 3種纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.3 礦料

本文選用石灰?guī)r集料，AC-20瀝青混合料礦料級(jí)配如表3所示。

表3 AC-20瀝青混合料礦料級(jí)配

1.4 試驗(yàn)方案

為研究纖維種類和摻量對(duì)AC-20瀝青混合料路用性能的影響，本文選用玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維及聚酯纖維，每種纖維在瀝青混合料中的摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。采用馬歇爾法，確定不同纖維摻量下AC-20瀝青混合料的最佳油石比如表4所示，并在最佳油石比下制備AC-20 瀝青混合料試樣，測(cè)試其高溫穩(wěn)定性[馬歇爾穩(wěn)定度(MS)和動(dòng)穩(wěn)定度(DS)]、低溫抗裂性(抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變)以及水穩(wěn)定性(凍融劈裂強(qiáng)度比)。

表4 不同纖維摻量下AC-20瀝青混合料的最佳油石比

由表4可知，隨著AC-20瀝青混合料中纖維摻量的增加，各瀝青混合料的最佳油石比呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料的最佳油石比明顯大于摻加其他兩種纖維的。這是因?yàn)槔w維能較好地吸附瀝青，使得摻加纖維的瀝青混合料達(dá)到最佳狀態(tài)所需的瀝青用量相比未摻加時(shí)增加，且木質(zhì)素纖維呈絮狀結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其他兩種纖維比表面積更大，吸附的瀝青更多，所以在相同的纖維摻量下，摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料最佳油石比較大[11-13]。

2 纖維種類及摻量對(duì)AC-20瀝青混合料路用性能的影響

2.1 3種纖維摻量對(duì)AC-20瀝青混合料高溫性能的影響

為評(píng)價(jià)纖維種類及摻量對(duì)AC-20瀝青混合料高溫性能的影響，本文按照馬歇爾法確定的最佳油石比，成型不同纖維種類和摻量的AC-20瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件及車轍板，測(cè)試AC-20瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度，AC-20瀝青混合料高溫性能隨纖維摻量變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著AC-20瀝青混合料中纖維摻量的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢(shì)；當(dāng)玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的瀝青混合料的高溫性能達(dá)到最高點(diǎn)；與普通瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、聚酯纖維瀝青混合料和木質(zhì)素纖維瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度分別提升了16.8%、15.4%和13.9%；動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了30.5%、22.9%和18.2%?？梢钥闯?，在最佳纖維摻量下，玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的提升效果最好，聚酯纖維次之，木質(zhì)素纖維的提升效果較弱。

2.2 3種纖維摻量對(duì)AC-20瀝青混合料低溫性能的影響

為評(píng)價(jià)纖維種類及摻量對(duì)AC-20瀝青混合料低溫性能的影響，選用不同纖維種類和摻量的瀝青混合料的小梁試件，在-10 ℃環(huán)境下測(cè)試其低溫破壞極限荷載及破壞時(shí)跨中撓度，并計(jì)算其抗彎拉強(qiáng)度和破壞時(shí)梁底的彎拉應(yīng)變，瀝青混合料低溫性能隨纖維摻量變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，隨著瀝青混合料中纖維摻量的增加，摻加3種不同纖維的瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢(shì)；當(dāng)玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度最高、破壞應(yīng)變最大，混合料低溫性能最優(yōu)；與未摻加纖維的瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、木質(zhì)素纖維瀝青混合料和聚酯纖維瀝青混合料彎拉強(qiáng)度分別提升了19.7%、11.3%和16.9%，破壞應(yīng)變分別提升了26.1%、22.7%和17.7%，由此可見玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能的提升效果最好，木質(zhì)素纖維次之，聚酯纖維提升效果較弱。

2.3 3種纖維摻量對(duì)AC-20瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

為評(píng)價(jià)3種纖維摻量對(duì)AC-20瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用馬歇爾擊實(shí)法成型不同纖維種類和摻量的瀝青混合料試件，分別測(cè)定其凍融劈裂強(qiáng)度比，瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比隨纖維摻量變化曲線如圖3所示，其中，TSR表示凍融劈裂強(qiáng)度比。

由圖3可知，隨著纖維摻量的不斷增加，摻加3種不同纖維的瀝青混合料對(duì)應(yīng)的凍融劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)；玄武巖纖維摻量為0.3%、木質(zhì)素纖維摻量為0.4%、聚酯纖維摻量為0.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最大，混合料水穩(wěn)性能最優(yōu)；與普通瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、木質(zhì)素纖維瀝青混合料和聚酯纖維瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升5.6%、4.7%和4.6%，由此可見玄武巖纖維提升瀝青混合料水穩(wěn)性能的效果最好，木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的提升效果基本相當(dāng)。

當(dāng)瀝青混合料中的纖維摻量較少時(shí)，纖維可以較均勻地分散在瀝青混合料中，吸收混合料中的自由瀝青，提高結(jié)構(gòu)瀝青的比例，增加瀝青膠結(jié)料的黏度，并起到加筋的作用，因此混合料的路用性能隨著纖維摻量的增加而逐漸增強(qiáng)，在最佳摻量時(shí)吸附作用和加筋作用強(qiáng)度達(dá)到最大值，混合料各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)；當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加，因纖維拌和均勻性較差，混合料會(huì)出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，混合料內(nèi)部性能離散性變大，出現(xiàn)應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致瀝青混合料的性能降低。

3 結(jié)論

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)研究纖維種類和摻量對(duì)AC-20瀝青混合料性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1) 瀝青混合料的路用性能與纖維摻量之間呈拋物線關(guān)系，隨纖維摻量增加，瀝青混合料的路用性能先提升后降低。

(2) 當(dāng)玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時(shí)，纖維瀝青混合料的綜合性能較優(yōu)。

(3) 分析摻加了不同類型纖維的AC-20瀝青混合料的綜合性能可知，最佳纖維摻量下，玄武巖纖維對(duì)AC-20瀝青混合料的性能提升效果最佳，建議在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

(4) 綜合考慮瀝青混合料的路用性能、經(jīng)濟(jì)效益及施工難易程度，建議施工拌和過程中按照室內(nèi)試驗(yàn)確定的最佳摻量進(jìn)行摻加，不宜人為增加或降低纖維摻量。