聚丙烯纖維對(duì)多孔瀝青混合料性能的影響

梁浩宇

摘要 為提高多孔瀝青混合料的抗變形能力和耐久性能，文章研究了聚丙烯纖維對(duì)多孔瀝青混合料的影響，測(cè)試了不同纖維摻量下多孔瀝青混合料的性能指標(biāo)。結(jié)果表明：多孔瀝青混合料的路用性能隨纖維摻量的提高先增大后減小，最佳摻量為0.4%；聚丙烯纖維可以增強(qiáng)骨料和黏結(jié)劑之間的黏附能力，與傳統(tǒng)的多孔瀝青混合料相比，聚丙烯纖維的加入提高了多孔瀝青混合料永久變形的性能、抗裂性能和耐久性。

關(guān)鍵詞 聚丙烯纖維；多孔瀝青混合料；力學(xué)強(qiáng)度；耐久性；高溫穩(wěn)定性

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0099-03

0 引言

多孔瀝青路面因其高空隙率的特征可以有效改善地表徑流，減少路面積水和城市熱島效應(yīng)，同時(shí)可以降低噪音，減少水霧，提高雨天駕駛安全[1-2]。但多孔結(jié)構(gòu)又導(dǎo)致路面強(qiáng)度降低，耐久性較差，極大地限制了多孔路面的推廣應(yīng)用[3]。為了提高多孔路面的耐久性能，研究人員展開(kāi)了大量研究，其中在路面中使用纖維是有效的手段之一[4]。該研究評(píng)估了摻加聚丙烯纖維的多孔瀝青混合料的路用性能。確定了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料性能的影響，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、抗剪強(qiáng)度、低溫彎曲應(yīng)變、SCB強(qiáng)度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)評(píng)估其性能。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

該研究采用SBS改性瀝青制備多孔瀝青混合料。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

該研究采用石灰石碎石作為粗骨料，石灰石機(jī)制砂作為細(xì)集料，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2～3。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

該文研究多孔瀝青混合料的級(jí)配各篩孔通過(guò)率見(jiàn)表5。

1.3 試驗(yàn)方案

該文研究了聚丙烯纖維對(duì)多孔瀝青混合料力學(xué)性、高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性的影響，根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，纖維摻量分別選用0.0%、0.5%、1.0%和1.5%。

1.4 試驗(yàn)方法

（1）馬歇爾穩(wěn)定度和流值。成型不同聚丙烯纖維摻量的多孔瀝青混合料試件，根據(jù)瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程，測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度，每項(xiàng)指標(biāo)至少三次平行試驗(yàn)。

（2）高溫穩(wěn)定性。該研究分別采用車(chē)轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)評(píng)價(jià)多孔瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。成型不同聚丙烯纖維摻量的多孔瀝青混合料車(chē)轍板試件，根據(jù)瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，測(cè)試?yán)w維摻量對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響。采用單軸貫入試驗(yàn)評(píng)價(jià)纖維多孔瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度。抗剪強(qiáng)度在一定程度上可以表征瀝青混合料抵抗高溫的能力，原因在于路面車(chē)轍多數(shù)屬于剪切變形，與瀝青混合料抗剪強(qiáng)度息息相關(guān)。

（3）低溫抗裂性。該研究采用小梁彎曲試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)多孔瀝青混合料的低溫抗裂性能。成型不同聚丙烯纖維摻量的多孔瀝青混合料車(chē)轍板試件，并切割為小梁試件，測(cè)試?yán)w維摻量對(duì)勁度模量的影響。成型不同聚丙烯纖維摻量的多孔瀝青混合料馬歇爾試件，切割為40 mm厚的半圓彎曲試件，測(cè)試?yán)w維摻量對(duì)混合料SCB強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)溫度為?10 ℃。

（4）水穩(wěn)定性。該研究采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度評(píng)價(jià)聚丙烯纖維對(duì)多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，將成型的馬歇爾試件分為兩組，其中一組直接測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度，另一組在60 ℃的恒溫水浴箱中浸泡24 h后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度，計(jì)算兩組馬歇爾穩(wěn)定度的比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，呈凸形拋物線趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為1.0%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到頂峰，此時(shí)馬歇爾穩(wěn)定度提升約39.7%。由于多孔瀝青的結(jié)構(gòu)中細(xì)料較少，因此，粗集料之間的接觸面較小，使用聚丙烯纖維可以增加混合物的結(jié)構(gòu)瀝青量，增大粗集料間的黏聚力。聚丙烯纖維一方面可以保留瀝青黏結(jié)劑，另一方面可以幫助瀝青均勻包覆骨料，形成一個(gè)厚度恒定的瀝青層。

2.2 高溫穩(wěn)定性

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小，呈凸形拋物線趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為1.0%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到頂峰，此時(shí)馬歇爾穩(wěn)定度提升約14.7%。主要原因在于多孔瀝青混合料抵抗永久變形的能力主要包括集料嵌擠力和集料－瀝青膠漿黏聚力，摻加纖維后，纖維錯(cuò)亂分布形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大了瀝青的硬度，降低了高溫下瀝青膠漿的流動(dòng)性，使得集料－瀝青膠漿黏聚力極大地提升，因此動(dòng)穩(wěn)定度明顯增大。

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，纖維摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律與動(dòng)穩(wěn)定度相似，在纖維摻量1.0%時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)抗剪強(qiáng)度提升61.9%。

2.3 低溫抗裂性

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變持續(xù)增大，但增大速率有所降低。究其原因在于纖維瀝青對(duì)混合料低溫性能的改善不僅僅在于黏聚力的提升，同時(shí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以吸收并擴(kuò)散彎曲應(yīng)力，減緩裂縫的發(fā)生和發(fā)展，盡管過(guò)量纖維對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有負(fù)面影響，但總的來(lái)說(shuō)纖維對(duì)低溫抗裂性的收益仍然較大。

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料SCB強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，與低溫彎曲應(yīng)變變化規(guī)律相似，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料的SCB強(qiáng)度持續(xù)增大，但增大速率有所降低。

2.4 水穩(wěn)定性

該文研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，隨著纖維摻量的增大，浸水馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，最佳摻量（1.0%）浸水馬歇爾穩(wěn)定度可提升6.5%。多孔瀝青混合料結(jié)構(gòu)中細(xì)料較少，因此，粗集料之間的接觸面較小，使用聚丙烯纖維可以增加混合物的結(jié)構(gòu)瀝青量，并進(jìn)一步黏聚細(xì)集料，減小水分浸入集料－瀝青膠漿界面，因此對(duì)水穩(wěn)定性大有提升。

3 結(jié)論

該文研究了不同摻量下多孔瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，形成如下結(jié)論：

（1）聚丙烯纖維可以極大地增強(qiáng)骨料和黏結(jié)劑之間的黏附能力，與傳統(tǒng)的多孔瀝青混合料相比，聚丙烯纖維的加入提高了多孔瀝青混合料永久變形的性能、抗裂性能和耐久性。

（2）多孔瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能均隨纖維摻量的提高先增大后減小，最佳摻量為1.0%；纖維摻量為1.0%時(shí)，高溫穩(wěn)定性至少提高14.7%，水穩(wěn)定性提高6.5%。

（3）纖維形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以吸收并擴(kuò)散彎曲應(yīng)力，減緩裂縫的發(fā)生和發(fā)展，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料的低溫性能持續(xù)增大，但增大速率有所降低。

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