玻璃纖維改性瀝青用于張力帶的路面壽命和成本研究

白偉，孔維康，孟勇軍，3，4 編譯

（1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004；4.廣西壯族自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳 廣西特殊地質(zhì)公路安全工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530022）

0 引言

在德國(guó)，纖維（通常為木質(zhì)纖維）常添加在瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）和多孔瀝青中，這是因?yàn)槔w維能避免在瀝青含量相對(duì)較高時(shí)運(yùn)輸過程中的流失，也能減少瀝青在攤鋪過程中的分解。因而幾十年來，研究人員一直嘗試使用纖維改性瀝青，以提高混合料的性能。Mahrez 等［1］、顧曉燕等［2］、樊興華等［3］研究了使用玻璃纖維和聚合物纖維改善疲勞性能的情況和纖維對(duì)瀝青結(jié)合料高低溫性能的影響；Qian 等［4］利用多纖維拉拔試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)，確定了考慮必要嵌入的最佳纖維長(zhǎng)度；Giustozzi 等［5］對(duì)用聚合物和纖維改性的溫拌瀝青以及大量再生瀝青路面的研究表明，纖維改性瀝青路面的力學(xué)特性和長(zhǎng)期性能可以得到改善；Mahrez 等［1］對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的疲勞和變形特性進(jìn)行了研究，并特別研究了纖維含量為0～0.5%時(shí)的玻璃纖維對(duì)瀝青瑪蹄脂碎石的增強(qiáng)效果。在中國(guó)，高穎等［6］研究了玻璃纖維對(duì)排水瀝青混合料路用性能的改善效果；王超等［7］、王偉等［8］研究了鋼渣玻璃纖維復(fù)合改性瀝青，發(fā)現(xiàn)摻入鋼渣后瀝青混凝土低溫抗裂性能有所下降，摻入適量的玻璃纖維可以彌補(bǔ)該性能的下降；郭寅川等［9］、錢健等［10］研究了玻璃纖維對(duì)于AC-25 礫石瀝青混合料的路用性能改善作用的最佳摻量。然而這些研究沒有考慮到在使用纖維的同時(shí)增加必要的瀝青含量所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)影響。上述研究表明：瀝青基層混合料特性的改善，能夠延長(zhǎng)路面使用壽命或減少基層所需層厚。另外在研究過程中，必須確保用于提升SMA 材料性能的玻璃纖維也符合經(jīng)常使用的木質(zhì)纖維的要求。本文基于上述這些研究開展工作。

1 張力帶的工作原理

在單軸荷載作用下的瀝青路面，假設(shè)所有瀝青層之間完全黏結(jié)，具有最大拉伸應(yīng)變的區(qū)域位于瀝青基層的底部。因此，在薄層中使用高性能瀝青可以承受這些高拉伸應(yīng)變，這是提高路面整體使用壽命的一種有效方法。如圖1 所示，將有張力帶的瀝青路面層結(jié)構(gòu)與普通瀝青路面層結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。張力帶的最小厚度一方面取決于所用高性能瀝青混合料的最大粒徑；另一方面取決于預(yù)期的使用壽命。此外，必須確保張力帶和瀝青基層之間黏結(jié)緊密?？紤]到最大粒徑和層厚的不同，本文研究玻璃纖維改性瀝青混合料是否也可用作張力帶。

圖1 張力帶位置示意圖（單位：mm）

2 材料和方法

2.1 玻璃纖維

研究中使用切割長(zhǎng)度為4.4 mm 的玻璃纖維。玻璃纖維由無堿玻璃制成，表1 為玻璃纖維的特性。玻璃纖維和木質(zhì)纖維在外表上的根本區(qū)別是：木質(zhì)纖維表面更有紋理，而玻璃纖維表面相對(duì)光滑（圖2、3）。Marsh 等［11］的研究表明：沒有充足證據(jù)證明暴露的玻璃棉會(huì)增加呼吸系統(tǒng)癌癥風(fēng)險(xiǎn)。因此，可以認(rèn)為在瀝青混合料中使用玻璃纖維在混合或鋪裝過程中不存在健康風(fēng)險(xiǎn)。

表1 研究使用的玻璃纖維性質(zhì)

圖2 木質(zhì)纖維

圖3 玻璃纖維

2.2 瀝青混合料和樣品制備

本研究使用了3 種不同類型的瀝青：①聚合物改性瀝青25/55-55A 的瀝青瑪蹄脂碎石SMA-8-S；②聚合物改性瀝青25/55-55A 的一種瀝青結(jié)合層混合料AC-16-B-S；③50/70 瀝青的瀝青基層混合料AC-22-T-S。

SMA-8-S 和AC-16-B-S 采用麻粒巖和石灰石填料，AC-22-T-S 瀝青基層混合料采用麻粒巖填料和天然砂。此外，AC-22-T-S 是用兩種不同數(shù)量的再生瀝青生產(chǎn)的。對(duì)RAP 的研究表明：添加到瀝青基層混合物中的RA 最初也是一種AC-22 瀝青基層材料，其黏結(jié)劑質(zhì)量含量為4.2%。對(duì)于3 種類型的瀝青，研究不含玻璃纖維（標(biāo)為0）或木質(zhì)纖維（僅用于SMA）的常見變種和含玻璃纖維（標(biāo)為4）的變種。表2 為瀝青混合料性能指標(biāo)。

表2 不同瀝青混合料性能指標(biāo)

為了確保玻璃纖維在瀝青混合料中均勻分布，瀝青混合料都是在瀝青廠生產(chǎn)的。使用塑料袋包裝松散的玻璃纖維來確定添加瀝青之前手動(dòng)添加到混合器中玻璃纖維的數(shù)量。

根據(jù)EN 12697-18 瀝青混合料試驗(yàn)方法第18 部分，當(dāng)使用玻璃纖維代替木質(zhì)纖維時(shí)，瀝青排水量增加，但沒有超過經(jīng)驗(yàn)確定的質(zhì)量0.3%的閾值。與木質(zhì)纖維相比，玻璃纖維滿足瀝青排水的技術(shù)要求。

瀝青板是在試驗(yàn)室用分段碾壓機(jī)制造的，然后從板中鉆出圓柱形樣品，樣品經(jīng)過清洗和干燥。此外，確定了每個(gè)樣品的空隙率和尺寸，因?yàn)榭障堵蕰?huì)極大地影響CITT 的結(jié)果。根據(jù)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AL Sp-瀝青09，所用樣品的體積密度差必須在0.03 g/cm3的范圍內(nèi)。

2.3 循環(huán)間接拉伸試驗(yàn)(CITT)

CITT 由德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AL Sp-瀝青09 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12697 第24 部分規(guī)定。為了測(cè)定瀝青混合料的疲勞性能，使用頻率為10 Hz 的正弦加載。下部應(yīng)力水平為0.035 MPa（接觸應(yīng)力），上部應(yīng)力水平變化3次，使初始彈性應(yīng)變?yōu)?.05‰～0.25‰。試驗(yàn)溫度為20 ℃，選擇裂紋形成時(shí)的載荷循環(huán)數(shù)［12］作為疲勞判據(jù)。剛度性能描述為主曲線（不同溫度/頻率下的剛度）。選擇了0.1～10 Hz 的5 個(gè)加載頻率。測(cè)試溫度為-10 ℃、5 ℃和20 ℃。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 疲勞性能

所研究的瀝青混合料的疲勞性能如圖4～6 所示。

圖4 2 種SMA-8-S 在20 ℃和10 Hz 下的疲勞性能

（1）由圖4 可知：用質(zhì)量比為0.5%的玻璃纖維（S4）代替質(zhì)量比為0.3%的木質(zhì)纖維（S0），SMA-8-S的疲勞性能得到一部分改善。

（2）由圖5 可知：當(dāng)瀝青含量增加0.4%時(shí)，添加和不添加玻璃纖維的兩種材料的疲勞性能都有所下降。這是由于最佳的瀝青含量為4.3%。瀝青含量超過最佳瀝青含量會(huì)導(dǎo)致疲勞性能的劣化；添加玻璃纖維對(duì)B0-1/B4-1 和B0-2/B4-2 都有顯著影響，均提高了兩組瀝青混合料抵抗疲勞破壞的能力。

圖5 4 種AC-16-B-S 在20 ℃和10 Hz 下的疲勞性能

（3）由圖6 可知：在加載循環(huán)數(shù)較低時(shí)，添加玻璃纖維的T4-25 的疲勞性能要優(yōu)于未添加纖維的T0-25，但在循環(huán)數(shù)增加后區(qū)別不大。而增加RA 含量后，在加載循環(huán)數(shù)較低時(shí)，T4-40 和T4-25 相差不大，而循環(huán)數(shù)增加后T4-40 的疲勞性能要優(yōu)于RA 含量較少的T4-25。

圖6 3 種AC-22-T-S 在20 ℃和10 Hz 下的疲勞性能

3.2 剛度性能

含木質(zhì)纖維（S0）和玻璃纖維（S4）的SMA-8-S的剛度性能如圖7 所示。由圖7 可知：玻璃纖維對(duì)這種瀝青混合料的剛度性能影響不大。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于空隙率略有不同，添加玻璃纖維（S4）的SMA 的剛度性能應(yīng)該更好。

圖7 2 種SMA-8-S 在10 Hz 下的剛度性能

圖8 為結(jié)合層瀝青混合料的剛度性能。溫度低于10 ℃時(shí)的最大剛度值由瀝青含量增加，但未添加纖維的B0-2 型確定。在相同的溫度范圍內(nèi)，添加玻璃纖維的B4-2 的剛度值最低。在高溫下，使用玻璃纖維的B4-1 可以檢測(cè)到最佳剛度值，最佳瀝青含量為4.7%。

圖8 4 種AC-16-B-S 在10 Hz 下的剛度性能

瀝青基層混合料的剛度性能特征如圖9 所示。T0-25 和T4-25 的彈性模量值相差不大。當(dāng)添加質(zhì)量比為0.5%的玻璃纖維和增加質(zhì)量40%的RA 時(shí)，T4-40 的彈性模量下降。在T4-40 中，彈性模量的降低可能是由于新鮮瀝青的減少和骨料表面的雙層瀝青膜導(dǎo)致。

圖9 3 種AC-22-T-S 在10 Hz 下的剛度性能

4 討論

添加質(zhì)量比為0.5%的玻璃纖維可使不同瀝青混合料具有更好的疲勞和剛度性能。Moreno-Navarro 等［13］也研究了添加0.3%的丙烯酸纖維改善材料性能。與含有聚合物改性瀝青的瀝青混合料相比，含有常規(guī)瀝青和添加丙烯酸纖維的混合料在經(jīng)濟(jì)成本上更具吸引力。

考慮到必要材料成本的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行了壽命計(jì)算，得出了改性材料性能對(duì)用作張力帶的不同瀝青混合料所需層厚的影響。選擇了一種適用于繁忙交通的普通德國(guó)路面結(jié)構(gòu)用于計(jì)算［14］。圖1（a）給出了層厚，防凍路面結(jié)構(gòu)的總厚度不能因?yàn)r青層的變化而減少。因此，瀝青層的減少必須通過增加防凍層的層厚來補(bǔ)償。層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化通過兩個(gè)方面進(jìn)行：①驗(yàn)證張力帶底側(cè)和未改性基層上層的底側(cè)的抗疲勞性；②根據(jù)ZTV 瀝青-StB 通過分析最大粒徑來決定最小鋪裝厚度。對(duì)路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益的研究包括不同瀝青層和防凍層的合理厚度。

疲勞狀態(tài)是通過ADtoPave（德累斯頓理工大學(xué)城市和路面工程研究所的一個(gè)項(xiàng)目）確定的，給定使用壽命為30 年。如果疲勞狀態(tài)達(dá)到100%，則假定在研究層的底部出現(xiàn)疲勞誘發(fā)裂紋。

表3 給出了瀝青基層和張力帶的確定層厚以及材料成本。沒有張力帶的普通路面結(jié)構(gòu)的成本為63.90 歐元/m2（與其他版本的成本為基準(zhǔn)比較）。使用玻璃纖維改性黏結(jié)劑瀝青（B4-1）作為張力帶有可能減少黏結(jié)層厚度70 mm。此外，材料成本降低了5.50 歐元/m2。

表3 有張力帶瀝青路面的層厚和材料成本

5 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：用玻璃纖維代替木質(zhì)纖維制成的SMA 顯著改善了所研究材料的特性（疲勞和剛度性能）。相比于不摻加纖維的瀝青混合料，摻加玻璃纖維作為改性劑后，抵抗疲勞的性能增加，而彈性模量的大小和溫度相關(guān)。而且，RA 的含量增加后，混合料的疲勞性能得到提升，彈性模量會(huì)下降。在這種情況下，必須保證瀝青混凝土混合料的設(shè)計(jì)有足夠的瀝青或必須調(diào)整瀝青含量以確保玻璃纖維能充分地融入瀝青混合料中。因此，添加玻璃纖維可以延長(zhǎng)路面使用壽命或者減少瀝青基層的厚度，兩者都能節(jié)約成本。在整個(gè)瀝青層的底部放置一條玻璃纖維改性的高性能瀝青張力帶，是一種節(jié)約成本的施工方法。經(jīng)濟(jì)效益研究結(jié)果表明：在不考慮道路使用者成本的情況下，這種方法可以節(jié)省材料成本。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行張力帶路面施工時(shí)，尤其是進(jìn)行高質(zhì)量施工時(shí)，應(yīng)注意通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行檢查。