不同類型纖維對AC-20瀝青混合料性能的影響

薛金順，蔣應(yīng)軍

(1.湖北文理學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

隨著交通量的迅速增加以及極端氣候的頻繁出現(xiàn)[1-2]，對瀝青路面的使用性能提出了更高的要求，而瀝青路面服役期內(nèi)車轍、裂縫、水損壞等病害的出現(xiàn)[3-4]，則會嚴重影響路面耐久性[5]。為提升瀝青混合料性能，研究人員在瀝青中摻加聚合物[6]、高模量劑[7]、聚氨酯[8]、多聚磷酸[9]等改性劑以改善瀝青性能，或通過優(yōu)化混合料的礦料級配[10]、改變混合料成型方式、提升混合料壓實度[11]等方法提升混合料性能。而纖維因其良好的技術(shù)特性，摻入瀝青混合料后既能抑制瀝青路面裂縫、高溫車轍、低溫開裂以及水損壞，又能提升瀝青路面的使用壽命[12-13]。目前瀝青混合料中常用的纖維種類有礦物纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維，其他類型纖維還有玻璃纖維、碳纖維和合成纖維等[14-15]，其中玄武巖礦物纖維由天然玄武巖石制成，因其生產(chǎn)周期短、無污染、能耗低而廣泛用于瀝青混合料中。但因不同類型纖維其性質(zhì)有所差異，對混合料的瀝青用量、力學(xué)性能、施工工藝等也有不同影響。

為此，本文以AC-20瀝青混合料為研究對象，在分析不同類型纖維對AC-20瀝青混合料性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于力學(xué)性能最優(yōu)原則推薦了不同類型纖維最佳摻量，并對比分析了不同纖維類型對瀝青混合料力學(xué)性能的影響，以供工程實踐參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

采用雙龍牌A級70#瀝青，其基本指標見表1。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical properties of the asphalt

1.1.2 集料

采用石灰?guī)r碎石粗集料，粒徑分為19 mm～26.5 mm、9.5 mm～19 mm、4.75 mm～9.5 mm和2.36 mm～4.75 mm四檔，細集料和礦粉由石灰?guī)r碎石加工制成。集料壓碎值為21.1%，其他技術(shù)指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。

1.1.3 纖維

采用玄武巖礦物纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維，其技術(shù)指標均滿足規(guī)定要求。

1.2 礦料級配

采用AC-20瀝青混合料礦料級配上限(JP1)、中值(JP2)和下限(JP3)，混合料級配見表2。

表2 混合料礦料級配Table 2 Mineral aggregate gradation of asphalt mixture

1.3 試驗方案

選擇不同的纖維摻量(其中礦物纖維摻量：0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.8%，木質(zhì)素纖維摻量：0、0.1%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%，聚酯纖維摻量：0、0.1%、0.2%、0.3%和0.5%)，分別測試不同纖維摻量的瀝青混合料在最佳油石比下的高低溫性能(穩(wěn)定度、抗剪強度和劈裂強度)，并對比不同纖維摻量對力學(xué)性能的影響規(guī)律，以確定最佳的纖維摻量。不同摻量下瀝青混合料的最佳油石比見表3。其中，力學(xué)性能測試過程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求進行。

表3 不同纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比 %Table 3 Optimal asphalt-aggregate ratio of asphalt mixture with different fiber contents

2 纖維摻量對AC-20瀝青混合料性能的影響

2.1 礦物纖維的影響

不同礦物纖維摻量下AC-20瀝青混合料的力學(xué)性能如圖1所示。

(a) 纖維摻量-穩(wěn)定度關(guān)系

由圖1(a)、(b)可知，不同級配類型的瀝青混合料，隨著礦物纖維摻量的不斷增加，試件的穩(wěn)定度和抗剪強度呈先升后降趨勢，當摻量為0.3%時，穩(wěn)定度和抗剪強度達到峰值。分析原因：當?shù)V物纖維的摻量較低時，纖維可充分分散到瀝青混合料中，使得纖維瀝青混合料的均勻性較好，礦物纖維能有效吸附瀝青，提高了混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例，使瀝青的粘滯性增加，從而能夠充分發(fā)揮礦物纖維的穩(wěn)定作用，因此隨著礦物纖維摻量的增加，瀝青混合料試件的穩(wěn)定度和抗剪強度不斷增加；當?shù)V物纖維摻量達到0.3%時，礦物纖維在瀝青混合料中的加筋和穩(wěn)定作用呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，使得此時的瀝青混合料試件的穩(wěn)定度和抗剪強度達到峰值。后隨礦物纖維摻量的增加，瀝青混合料拌和過程中出現(xiàn)結(jié)團、分布不均勻情況，致使瀝青混合料中出現(xiàn)“強度弱點”，影響瀝青混合料的高溫性能，同時因纖維摻量的增加吸附了大量瀝青，使得瀝青用量增加，直接影響到瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[16]。因此，礦物纖維摻量過大對瀝青混合料的高溫性能不利。

由圖1(c)可知，不同級配類型的瀝青混合料，當瀝青混合料中摻加礦物纖維后，隨著礦物纖維摻量的增加，瀝青混合料試件的劈裂強度不斷提升，但是當?shù)V物纖維摻量大于0.3%后，試件的劈裂強度增長幅度變緩。主要因為瀝青混合料中摻加礦物纖維后，大量的礦物纖維分散到混合料中形成纖維結(jié)構(gòu)網(wǎng)，對混合料起到加筋作用，增大試件的極限抗拉強度，從而提高試件的劈裂強度。而當?shù)V物纖維摻量超過最佳纖維摻量后，再增加礦物纖維的摻量，對混合料試件抗拉強度增強作用不明顯，使得劈裂強度的增加幅度放緩。

綜上分析，礦物纖維最佳摻量為0.3%。

2.2 木質(zhì)素纖維的影響

不同木質(zhì)素纖維摻量下AC-20瀝青混合料的力學(xué)性能如圖2所示。

(a) 纖維摻量-穩(wěn)定度關(guān)系

由圖2可知，摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料與摻加礦物纖維的瀝青混合料變化規(guī)律類似，即隨著纖維摻量的增加，力學(xué)強度呈先升后降的趨勢。當瀝青混合料中摻加木質(zhì)素纖維后，混合料的力學(xué)強度明顯提高，且當木質(zhì)素纖維摻量為0.4%或0.5%時，瀝青混合料中各項力學(xué)性能表現(xiàn)較好，其中摻量為0.5%時，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、抗剪強度以及劈裂強度分別較未摻加木質(zhì)素纖維時提高了8%、8%、10%。圖2表明，當木質(zhì)素纖維摻量過少時，纖維所能吸附的瀝青較少，瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青含量較低，瀝青混合料力學(xué)強度未達到最優(yōu)狀態(tài)，隨著瀝青混合料中木質(zhì)素纖維的不斷增加，其力學(xué)性能不斷提升。但當瀝青混合料中木質(zhì)素纖維摻量過多后，雖然纖維吸附的瀝青增多，而過多的自由瀝青降低了瀝青混合料中礦料的嵌擠力，反而不利于纖維在瀝青混合料中的分散，從而不斷降低瀝青混合料的力學(xué)性能。

因此，綜上分析，瀝青混合料中木質(zhì)素纖維的最佳摻量為0.5%。

2.3 聚酯纖維的影響

不同聚酯纖維摻量下AC-20瀝青混合料的力學(xué)性能如圖3所示。

(a) 纖維摻量-穩(wěn)定度關(guān)系

由圖3可知，摻加聚酯纖維的瀝青混合料，其馬歇爾穩(wěn)定度、抗剪強度和劈裂強度都較不摻加纖維的瀝青混合料均有所增加，這表明聚酯纖維的摻加有助于瀝青混合料的力學(xué)性能提升。這是因為聚酯纖維的摻入增加了混合料中纖維瀝青的用量，使得瀝青混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的比例增加，礦料表面的瀝青膜厚度變厚，提升了礦料間的粘聚力，有助于提升瀝青混合料的力學(xué)性能。同時，聚酯纖維在瀝青混合料中也能起到加筋以及穩(wěn)定作用，提升了瀝青混合料的抗破壞能力，對提升瀝青混合料的高溫、低溫性能有所幫助。

由圖3還可知，摻加聚酯纖維的瀝青混合料的力學(xué)強度，隨著纖維摻量的增加不斷增大，在纖維摻量為0.2%時出現(xiàn)峰值，而后隨纖維摻量的增加，力學(xué)強度則呈現(xiàn)出下降趨勢，這表明瀝青混合料中也存在一個最佳聚酯纖維摻量值，其機理如摻入礦物纖維和木質(zhì)素纖維相似，在此不作分析。

綜合上述分析，瀝青混合料中聚酯纖維的最佳摻量為0.2%。

3 纖維類型對AC-20瀝青混合料性能的影響

根據(jù)上述分析，不同類型纖維對瀝青混合料性能的改善效果有顯著差異，最佳纖維摻量下不同類型纖維的瀝青混合料的力學(xué)性能對比見表4。

表4 最佳纖維摻量下瀝青混合料力學(xué)性能對比Table 4 Comparison of mechanical properties of asphalt mixture with optimum fiber content

由表4可知，雖然摻入不同類型的纖維均有助于瀝青混合料力學(xué)性能的提升，但不同纖維類型，其力學(xué)性能的提升效果存在差異。其中礦物纖維和聚酯纖維的力學(xué)性能相較木質(zhì)素纖維提升效果較好。試驗結(jié)果表明，礦物纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、抗剪強度和劈裂強度，相對于未摻加纖維的AC-20瀝青混合料分別提升了7%、4%、5%，15%、8%、13%和14%、9%、12%。

分析差異原因：1) 礦物纖維自身的抗拉強度和彈性模量較高，其以三維網(wǎng)狀形式分散到瀝青中，在混合料中形成加筋作用，有效提升了混合料韌性以及強度，同時，纖維的摻加使得瀝青膜厚增加，礦料間的粘結(jié)力增強，使得瀝青混合料的力學(xué)性能提升[17]；2) 聚酯纖維和瀝青是高分子化合物，兩者形成的復(fù)合材料有較強的界面結(jié)合力，由于聚酯纖維的單絲更細，單位質(zhì)量下纖維根數(shù)更多，能較好地分散到瀝青混合料中，因此瀝青與纖維形成的纖維瀝青膠漿空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對礦料的裹敷力更強。同時，纖維能吸附更多的瀝青，使得瀝青膜厚度變厚，纖維瀝青膠漿的粘結(jié)性更好，且混合料高溫拌和過程中，高溫作用使得纖維變得卷曲融入到瀝青中，對瀝青膠體結(jié)構(gòu)起到一定改善，增加了瀝青混合料的整體性，礦料間的界面作用力增加，從而提升了瀝青混合料的力學(xué)性能；3) 木質(zhì)素纖維相對于上述2種纖維，雖能吸附大量瀝青，對瀝青混合料的韌性增加起到一定作用，對瀝青混合料力學(xué)性能有一定提升作用。但因木質(zhì)素纖維在混合料中分散性較差，其加筋作用不顯著，致使其提升瀝青混合料力學(xué)性能的能力較其他纖維瀝青混合料差，表現(xiàn)為力學(xué)性能的提升幅度低于其他2種纖維瀝青混合料。

4 結(jié)論

1) 通過研究纖維摻量對瀝青混合料的穩(wěn)定度、抗剪強度以及劈裂強度等力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：纖維瀝青混合料中礦物纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的最佳摻量分別為0.3%、0.5%和0.2%。

2) 對比分析了不同纖維類型對瀝青混合料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：礦物纖維對瀝青混合料力學(xué)性能的提升較木質(zhì)素纖維和聚酯纖維好。其中，礦物纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、抗剪強度和疲勞強度相較未摻加纖維分別提升了7%、4%、5%，15%、8%、13%和14%、9%、12%。