纖維對排水瀝青混合料路用性能的影響研究

張志斌

(廣東盛翔交通工程檢測有限公司，廣東 廣州510000)

近年來我國公路建設(shè)的核心開始從“運(yùn)輸需求”向“服務(wù)質(zhì)量”轉(zhuǎn)變。目前大部分道路采用的是傳統(tǒng)級配瀝青路面，存在不少服務(wù)質(zhì)量上的問題，如雨天路表積水，影響汽車駕駛的舒適性與安全性等。此外，城市內(nèi)澇問題對人民生產(chǎn)生活造成極大影響，如2021年夏季河南等區(qū)域特大暴雨，造成了數(shù)十億元的財(cái)產(chǎn)損失?？紤]上述兩方面問題，使排水路面具有較好的透水、優(yōu)良的降噪、優(yōu)越的抗滑性能，必將成為未來道路路面發(fā)展的主要趨勢。

排水瀝青路面在美國、歐洲及日本已廣泛應(yīng)用，也有不少中國學(xué)者致力于排水路面的各項(xiàng)攻關(guān)研究。如陳華鑫等[1]對各國排水瀝青路面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜述，并認(rèn)為日本排水瀝青路面設(shè)計(jì)方法更為合理。蔣瑋[2]研究了不同材料組成排水瀝青混合料的疲勞性能，并分析排水瀝青混合料疲勞特性的關(guān)鍵影響因素。陳劍等[3]研究排水瀝青混合料PAC-13的材料組成設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)瀝青膠漿對排水混合料性能有重要影響。張衛(wèi)兵等[4]研究老化條件對PAC-13排水瀝青混合料疲勞性能的影響，得出老化后排水瀝青混合料的抗疲勞性能變差的結(jié)論。楊鷹等[5]研究纖維類排水降噪超薄磨耗層混合料，發(fā)現(xiàn)纖維類排水混合料可提高混合料的穩(wěn)定性。

另外，纖維已在道路工程中應(yīng)用，并且大量學(xué)者也在致力于研究纖維瀝青混合料的性能，如張杰等[6]研究玄武巖纖維對混合料的路用性能影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可有效改善瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。Zheng等[7]研究復(fù)雜環(huán)境下玄武巖纖維改性瀝青混合料的疲勞性能。發(fā)現(xiàn)氯離子侵蝕和凍融循環(huán)的耦合效應(yīng)影響瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度、最大彎曲拉應(yīng)力、彎曲剛度模量和疲勞性能；添加適量的玄武巖纖維，可大大改善瀝青混合料在復(fù)雜環(huán)境下的低溫彎曲性能和疲勞性能。Ye等[8]研究了纖維改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)和疲勞性能，發(fā)現(xiàn)纖維瀝青混合料的疲勞參數(shù)降低，表明纖維改性劑可改善瀝青混合料的疲勞性能。彭廣銀等[9]對比了玄武巖纖維與聚酯纖維對改善瀝青混合料路用性能的影響。何東坡等[10]研究了玄武巖纖維長度對排水瀝青路面性能的影響，發(fā)現(xiàn)6 mm左右纖維長度較好。

綜上，纖維對瀝青混合料性能具有一定的增強(qiáng)作用，但目前關(guān)于不同纖維對新型瀝青混合料性能影響的研究較少，如排水瀝青混合料。因此，本文以PAC-13排水瀝青混合料為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行玄武巖纖維和聚酯纖維排水瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及路用性能研究。制備了不同摻配方案的PAC-13排水瀝青混合料，分別利用車轍試驗(yàn)、低溫抗裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)PAC-13排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫開裂性能、水穩(wěn)定性及疲勞性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本文中，礦粉用石灰?guī)r，集料用玄武巖。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]，測定了集料的基本性能，結(jié)果均滿足《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[12]的要求。本文所用瀝青為SBS改性瀝青與9%HVA制備的高粘瀝青。根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[13]進(jìn)行基本性能測試，結(jié)果如表1所示。本文選用兩種纖維，分別為玄武巖纖維和聚酯纖維，其基本性能如表2所示。

表1 SBS高粘瀝青的基本性能

表2 所用纖維的主要性能

1.2 混合料制備

本文采用混合料礦料級配，如表3所示。為分析纖維帶來的影響，制定三種瀝青混合料摻配方案：一種不加纖維(PAC-0)，一種加占混合料總質(zhì)量0.35%的玄武巖纖維(PAC-X)，一種加占混合料總質(zhì)量0.15%的聚酯纖維(PAC-J)。兩種纖維含量不同的原因主要是考慮到聚酯纖維具有直徑更小、更吸油的特性。為確定不同瀝青混合料的油石比，進(jìn)行了馬歇爾、析漏與飛散試驗(yàn)，最終得到三種瀝青混合料的最佳油石比分別為：PAC-0為4.8%，PAC-X為4.9%，PAC-J為4.9%。

表3 PAC-13的設(shè)計(jì)級配

2 排水瀝青混合料的路用性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

為了評價(jià)高溫穩(wěn)定性，本文按以下步驟進(jìn)行車轍試驗(yàn)：①根據(jù)確定的油石比、礦料級配及摻配方案，制備車轍板試件；②將試件放入60 ℃的恒溫箱，保溫6 h；③以42次/min的速度，開始試驗(yàn)。三種不同排水混合料的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同PAC-13瀝青混合料的高溫試驗(yàn)結(jié)果

由動(dòng)穩(wěn)定度定義可知，動(dòng)穩(wěn)定度越大，則混合料的高溫穩(wěn)定性越好。由圖1可知，三種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求。PAC-J與PAC-X的動(dòng)穩(wěn)定度大于PAC-0，即纖維的摻入提高了排水瀝青混合料的抗車轍能力，這表明不管是玄武巖纖維還是聚酯纖維，均可以改善排水瀝青混合料的高溫性能。另外，PAC-X的動(dòng)穩(wěn)定度略大于PAC-J，因此可以預(yù)測，如果兩種纖維的摻量相同，則聚酯纖維可能更好地改善PAC-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。造成這一結(jié)果的原因可能是聚酯纖維與瀝青之間具有更好的吸附性，但具體機(jī)理需后續(xù)進(jìn)行微觀試驗(yàn)研究。

2.2 低溫抗裂性能分析

評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能的常用試驗(yàn)之一是低溫彎曲試驗(yàn)[14]。為了評價(jià)PAC-13瀝青混合料的低溫抗裂性能，按以下步驟進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)：①根據(jù)確定的油石比、礦料級配及摻配方案，制備車轍板試件；②切割車轍板，制備250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件,將試件放入-10 ℃的恒溫箱，保溫5 h；③以50 mm/min的速度，開始試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

(a)最大彎拉應(yīng)變

由圖2a可知，三種排水混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足要求。由圖2a和圖2b可知，PAC-X和PAC-J的最大彎拉應(yīng)變大于PAC-0，PAC-X和PAC-J的彎曲勁度模量小于PAC-0，這表明玄武巖纖維和聚酯纖維改善了PAC-13瀝青混合料的低溫抗裂能力。主要原因包括：兩種纖維可以吸附混合料中的自由瀝青，增加結(jié)構(gòu)瀝青含量，從而增加集料間粘結(jié)性；另外，纖維可能自身構(gòu)成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成一種加筋效果，從而提高了排水瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性分析

瀝青混合料的水穩(wěn)定性通常利用凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)[15]。為了評價(jià)PAC-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性，按以下步驟進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)：①根據(jù)確定的油石比、礦料級配及摻配方案，成型兩組馬歇爾試件；②將一組試件與壓頭放入-18 ℃±2 ℃的恒溫冷凍箱，保溫16 h；③取出試件，將其放在60 ℃的恒溫水槽中，保溫24小時(shí)；④將兩組試件一同放入25 ℃的恒溫水槽中，保溫2 h；⑤以50 mm/min的速度進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同PAC-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖3表明所有PAC-13排水瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。另外，PAC-X和PAC-J的凍融劈裂強(qiáng)度均大于PAC-0，表明玄武巖和聚酯纖維改善了PAC-13排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這可能是由于纖維與瀝青具有很好的吸附性，可以吸附瀝青混合料中的自由瀝青，增加了瀝青膜的量，提高了抗剝落能力。

2.4 疲勞性能分析

疲勞性能作為瀝青混合料的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，在瀝青混合料的適用性研究中必不可少[16]。為分析PAC-13排水瀝青混合料的抗疲勞性能，進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。首先，根據(jù)確定的油石比、礦料級配及摻配方案，成型車轍板。然后切割車轍板，制備250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件。采用應(yīng)變控制模式，試驗(yàn)溫度為15 ℃±0.5 ℃，加載頻率為10Hz。當(dāng)試件的勁度模量降為初始模量的50%，試驗(yàn)終止。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同PAC-13瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，所有PAC-13排水瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變水平的增大而減小。另外，同一應(yīng)變水平下，PAC-X和PAC-J的疲勞壽命大于PAC-0的疲勞壽命，這表明玄武巖纖維和聚酯纖維均可提高排水瀝青混合料的疲勞性能。疲勞性能改善的原因可能是纖維在瀝青膠漿中形成了三維空間網(wǎng)絡(luò)，增加了膠漿的韌性，可限制疲勞裂紋的發(fā)展，從而提高了混合料的疲勞壽命。

3 結(jié)論

(1)兩種纖維均改善了PAC-13排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及疲勞性能。

(2)在目前的摻配方案下，玄武巖纖維比聚酯纖維對PAC-13排水瀝青混合料路用性能具有更好的改善作用。本研究為了控制油石比，兩種纖維選取的含量不同，后續(xù)研究應(yīng)開展等摻量的研究，以更明確兩種纖維的影響。

(3)纖維主要是與瀝青相互作用來改善瀝青混合料的性能，因此后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)纖維瀝青膠漿的研究，建議嘗試采用微觀方法揭示纖維的增強(qiáng)機(jī)理。