不同纖維對(duì)排水瀝青混合料路用性能的影響研究

基金項(xiàng)目：

2021年度廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技清單項(xiàng)目“廣西綠色高性能瀝青路面廠拌熱再生關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（交辦科技函〔2021〕148號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：

駱俊暉（1985—），博士，高級(jí)工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：為探究不同纖維穩(wěn)定劑對(duì)排水瀝青混合料路用性能的影響，文章選用聚丙烯腈纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維，通過高溫車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)滲水試驗(yàn)，研究三種纖維對(duì)排水瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性能與滲水性能的影響。結(jié)果表明：聚丙烯腈纖維對(duì)排水瀝青混合料路用性能的改善效果最明顯，與不摻纖維的對(duì)照組相比，其動(dòng)穩(wěn)定度增加超過50%、凍融劈裂強(qiáng)度比增加約6%、浸水飛散損失量減少近4%；木質(zhì)素纖維對(duì)排水瀝青混合料路用性能的改善效果相對(duì)較差；摻入纖維后混合料的滲水性能有小幅度降低，但其滲水系數(shù)仍然在91 mL/s以上。綜合考慮路用性能，推薦采用聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩(wěn)定劑。

關(guān)鍵詞：纖維；瀝青混合料；高溫性能；水穩(wěn)定性能；滲水性能

中圖分類號(hào)：U416.03 A 01 001 3

0 引言

排水瀝青路面采用空隙率較大的瀝青混合料進(jìn)行鋪筑，能有效排出雨水，減少水霧，提高路面抗滑性能，保證行車安全，具有很好的路用性能與降噪功能［1］。為了滿足排水功能的需求，在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，需要減少細(xì)集料用量，增加粗集料用量，從而形成連鎖骨架結(jié)構(gòu)，使其空隙率達(dá)到20%左右［2］。這種混合料結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦阻力較高，但粘聚力較低，為保證排水瀝青混合料的路用性能，需要使用高黏瀝青，并添加纖維穩(wěn)定劑。

目前，關(guān)于不同纖維對(duì)排水瀝青混合料性能的影響，許多學(xué)者已展開了研究，其中包括玄武巖纖維，玻璃纖維、聚酯纖維以及復(fù)摻纖維等［3-7］。但這些研究多集中于纖維摻量，各項(xiàng)研究表明，纖維摻量為0.4%時(shí)，排水瀝青混合料的綜合性能最好。但是，在相同摻量下，針對(duì)不同纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響的研究還相對(duì)較少。為此，本文通過高溫車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)滲水試驗(yàn)，比較同一摻量下聚丙烯腈纖維、聚酯纖維與木質(zhì)素纖維對(duì)排水瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與滲水性能的影響，確定最佳纖維穩(wěn)定劑，為排水路面的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 瀝青原材料

1.1.1 瀝青

試驗(yàn)采用高黏瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.1.2 集料

上面層采用OGFC-13瀝青混合料，集料規(guī)格為15～25 mm、10～15 mm、5～10 mm的輝綠巖碎石，0～5 mm的石灰?guī)r機(jī)制砂。其各項(xiàng)性能均符合規(guī)范要求。

1.1.3 纖維穩(wěn)定劑

試驗(yàn)采用聚丙烯腈纖維、聚酯纖維與木質(zhì)素纖維，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見下頁表2，參考文獻(xiàn)［8］中的纖維用量，本文采用的摻量為0.4%。

1.1.4 礦粉

采用石灰?guī)r礦粉，性能符合規(guī)范要求。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

排水路面一般用于路面上面層，本文選用OGFC-13作為研究對(duì)象，進(jìn)行混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)。對(duì)所選集料進(jìn)行水篩后，按規(guī)范推薦的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得到合成級(jí)配如表3所示。各材料比例為15～25 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉=12∶25∶25∶36∶2。

1.3 試件的制備

根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配，在攪拌鍋中加入配好的集料并攪拌90 s，加入高黏瀝青攪拌90 s，再摻入礦粉與纖維攪拌90 s，將攪拌好的混合料成型，即為試驗(yàn)需要的試樣。為對(duì)比不同纖維對(duì)混合料路用性能的影響，本文設(shè)置了一個(gè)對(duì)照組（不摻纖維）進(jìn)行對(duì)比研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同纖維對(duì)排水瀝青混合料高溫性能的影響

高溫穩(wěn)定性能指的是瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。高溫性能不足則極易導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍等病害，影響路面使用性能。本節(jié)通過高溫車轍試驗(yàn)對(duì)排水瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1的車轍試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不摻纖維對(duì)照組的動(dòng)穩(wěn)定度＜6 000次/mm；摻入纖維以后，試件的動(dòng)穩(wěn)定度均在7 000次/mm以上。說明纖維的摻入能明顯增強(qiáng)排水瀝青混合料的高溫性能。纖維在混合過程中能吸附瀝青，形成較堅(jiān)固的瀝青膜，使得混合料中的自由瀝青相對(duì)減少，防止瀝青混合料在運(yùn)輸、攤鋪過程中出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，具有良好的施工穩(wěn)定性。

通過對(duì)比三種纖維對(duì)排水瀝青混合料的影響發(fā)現(xiàn)，聚丙烯腈纖維的高溫性能改善效果最明顯，其動(dòng)穩(wěn)定度＞8 000次/mm，相比對(duì)照組，其動(dòng)穩(wěn)定度增長幅度超過50%，而木質(zhì)素纖維的改善效果相對(duì)較低。這是由于聚丙烯腈纖維的抗拉強(qiáng)度高，性能比其他兩種纖維好，能更好地提升瀝青混合料高溫性能。

2.2 不同纖維對(duì)排水瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響

常用的水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法包括浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)等，本節(jié)考慮瀝青混合料的排水功能，選用凍融劈裂試驗(yàn)與肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)來評(píng)價(jià)排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖2和圖3。

由圖2可知，三種纖維對(duì)排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性均有所提升，其中聚丙烯腈纖維的提升幅度最大，其凍融劈裂強(qiáng)度比接近95%，相比對(duì)照組增加了6%，而木質(zhì)素纖維劈裂強(qiáng)度相對(duì)較低。因木質(zhì)素纖維吸水率較高，用作排水瀝青混合料的纖維增強(qiáng)劑會(huì)在保溫過程中充分吸收水分，使排水瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低，而聚丙烯腈纖維、聚酯纖維是高分子材料，其吸水性遠(yuǎn)小于木質(zhì)素纖維，對(duì)應(yīng)的混合料劈裂強(qiáng)度大于木質(zhì)素纖維。

由圖3可知，不摻纖維的排水瀝青混合料經(jīng)過浸水飛散后，飛散損失量＞10%，其水穩(wěn)定性能較差，而在摻入纖維后，可以顯著減小排水瀝青混合料的飛散損失量。在三種纖維中，聚丙烯腈纖維混合料的飛散損失量最少，在6%左右，相比對(duì)照組降低近4%；木質(zhì)素纖維混合料的飛散損失量最大，為9%左右。因肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)需要進(jìn)行泡水保溫處理，在保溫過程中木質(zhì)素纖維混合料會(huì)充分吸收較多的水分，使其飛散損失量相對(duì)較大。

綜上所述，木質(zhì)素纖維作為一種天然材料，經(jīng)加工后，可作為瀝青混合料中的纖維穩(wěn)定劑，但吸水率較大，其混合料水穩(wěn)定性相對(duì)較差，不太適用于排水瀝青混合料。聚丙烯腈纖維、聚酯纖維是高分子材料，其吸水性遠(yuǎn)小于木質(zhì)素纖維，對(duì)應(yīng)的瀝青混合料水穩(wěn)定性較好。

2.3 排水瀝青混合料滲水性能研究

排水瀝青混合料空隙率較大，從而保證其具有良好的排水性能。排水功能的發(fā)揮與滲水性能密切相關(guān)，因此需要研究排水瀝青混合料的滲水性能。本文采用常用的滲透系數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的滲水性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，對(duì)照組與摻纖維的排水瀝青混合料的滲水系數(shù)均較大，超過了91 mL/s。滲水系數(shù)與混合料的連通空隙密切相關(guān)，而排水瀝青混合料的連通空隙率較大，連通空隙越大則有效空隙越大，排水能力就越好，滲水系數(shù)就越大。四種排水瀝青混合料中，滲水系數(shù)從大到小依次為未摻纖維、聚丙烯腈纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。因此，摻入纖維會(huì)小幅度降低排水瀝青混合料的滲水系數(shù)，但對(duì)混合料的排水功能影響較小。

綜上所述，聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩(wěn)定劑時(shí)，可以使混合料兼顧良好的高溫性能和水穩(wěn)定性能，同時(shí)滲水性能也較好。因此，本文推薦聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩(wěn)定劑。

3 結(jié)語

（1）車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維的摻入可明顯改善排水瀝青混合料的高溫性能，動(dòng)穩(wěn)定度均＞7 000次/mm。纖維對(duì)排水瀝青混合料高溫性能改善效果依次為：聚丙烯腈纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)素纖維。聚丙烯腈纖維的抗拉強(qiáng)度最高，對(duì)高溫性能的改善效果最明顯，動(dòng)穩(wěn)定度＞8 000次/mm。

（2）通過分析凍融劈裂與肯塔堡浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入纖維可提高排水瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度，減小浸水飛散損失量。纖維對(duì)排水瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果依次為：聚丙烯腈纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)素纖維。聚丙烯腈纖維可提高凍融劈裂強(qiáng)度近6%，降低浸水飛散損失量近4%，改善效果最優(yōu)。木質(zhì)素纖維吸水率較高，改善水穩(wěn)定性能效果有限。

（3）纖維會(huì)吸收水分，尤其是木質(zhì)素纖維，可能會(huì)阻礙水分排出，小幅度降低混合料的滲水系數(shù)。纖維對(duì)排水瀝青混合料滲水系數(shù)影響程度依次為：木質(zhì)素纖維＞聚酯纖維＞聚丙烯腈纖維。但總體上，摻入纖維對(duì)排水瀝青混合料滲水性能影響較小。

（4）綜合考慮高溫性能、水穩(wěn)定性以及滲水等路用性能，摻入聚丙烯腈纖維的排水瀝青混合料綜合性能最佳。因此，建議采用聚丙烯腈纖維為排水路面混合料的纖維穩(wěn)定劑。

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收稿日期：2022-11-20