多級(jí)配下纖維摻量對(duì)瀝青混合料性能影響研究

朱旭志

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院）

新疆地區(qū)年、日溫差大，冷熱懸殊，形成了大溫差地區(qū)，其中最熱和最冷的路面面層溫差達(dá)100℃以上[1]，區(qū)域氣候復(fù)雜多變。隨著國(guó)家“一帶一路”等項(xiàng)目的開(kāi)展，新疆公路交通量不斷增長(zhǎng)，重載交通占比逐年提高[2]，極易產(chǎn)生路面車(chē)轍、低溫開(kāi)裂、疲勞損害等病害[3]，降低公路服役年限，增加道路維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。因此對(duì)于改善瀝青路面有效使用壽命、合理利用材料性能、使瀝青路面經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)等問(wèn)題顯得十分重要。纖維是一種加固材料，具有強(qiáng)度高、耐磨耐用和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已被普遍用于瀝青道路工程中[4～7]。已有研究表明，纖維對(duì)瀝青混合料具有增粘、穩(wěn)定、加筋作用等[8～10]，能夠提高瀝青混合料的整體路用性能強(qiáng)度?？梢?jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多研究纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響，缺乏纖維性能與經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比研究，而密級(jí)配抵抗惡劣環(huán)境更強(qiáng)[11]。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)將礦物纖維（玄武巖纖維）和聚合物纖維（聚酯纖維）摻入兩種密級(jí)配（AC-13 和AC-25）系統(tǒng)的研究在保證其路用性能條件下纖維級(jí)配與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，為實(shí)際施工應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

采用新疆克拉瑪依90#石油瀝青，粗、細(xì)集料均為石灰?guī)r，纖維選擇玄武巖纖維和聚酯纖維。原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1～表4，各項(xiàng)性能滿足相關(guān)規(guī)范[12]要求。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表4 纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇AC-13 和AC-25 瀝青混合料，選用聚酯纖維和玄武巖纖維，大量文獻(xiàn)表明纖維摻量在0.3%附近[13～15]，故在兩種級(jí)配的瀝青混合料纖維摻量均設(shè)置為0、0.15%、0.3%、0.45%，研究纖維種類(lèi)、摻量和級(jí)配對(duì)瀝青混合料路用性能及經(jīng)濟(jì)效益影響規(guī)律。方案見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫穩(wěn)定性能

為研究纖維摻量及級(jí)配對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響，采用車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能，試驗(yàn)依據(jù)參考規(guī)范[16]，試驗(yàn)在60℃下進(jìn)行。車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)據(jù)及纖維摻量變化曲線見(jiàn)圖1，圖中虛線為規(guī)范[17]要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果及纖維摻量變化曲線

由圖1 可知，各試驗(yàn)分組的高溫穩(wěn)定性能均能滿足要求。與不摻入纖維的試驗(yàn)組相比，各試驗(yàn)組的動(dòng)穩(wěn)定度均有較明顯的提高，但隨著纖維摻量的不斷提高，動(dòng)穩(wěn)定度性能呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)榈蛽搅康睦w維能夠很好的混合在瀝青和集料中，從而增強(qiáng)了瀝青混合料的整體性，起到增強(qiáng)增韌的作用。但隨著纖維摻量不斷增大時(shí)，相較于集料，纖維分配不均勻更容易優(yōu)先吸附瀝青產(chǎn)生“團(tuán)聚”現(xiàn)象，且在最終試件成型后很可能出現(xiàn)薄弱位置從而使車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度下降，總體來(lái)說(shuō)纖維還是能夠是瀝青混合料抗車(chē)轍變形能力得到有效增強(qiáng)。當(dāng)纖維摻量分別達(dá)到0.2%、0.3%時(shí)，纖維對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度效果最好。與不摻纖維的瀝青混合料相比，AC-13 聚酯纖維和AC-13 玄武巖纖維車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了84.9%和64.5%。AC-25 聚酯纖維和AC-25 玄武巖纖維車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了41.2%和53.4%?？梢钥闯鲈贏C-13 級(jí)配中，對(duì)瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能提升最佳的是聚酯纖維；AC-25 級(jí)配中，玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的提升效果最好?？梢钥闯鲈诶w維摻量為0.25%和0.3%時(shí)，各試驗(yàn)分組的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度性能趨向一致，當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢(shì)，因此纖維摻量在0.25%附近時(shí)，性能與經(jīng)濟(jì)效益的性價(jià)比最好。

2.2 低溫抗裂性能

本文采用小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，首先通過(guò)輪碾儀成型車(chē)轍板試件后，切割成規(guī)范規(guī)定尺寸的棱柱體小梁試件，在-10℃試驗(yàn)溫度加載速率為50mm/min 下進(jìn)行試驗(yàn)。低溫彎曲最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)及纖維摻量變化曲線見(jiàn)圖2，圖中虛線為規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果及纖維摻量變化曲線

由圖2 知，14 組試驗(yàn)均滿足規(guī)范要求，且與不摻纖維瀝青混合料試驗(yàn)組相比，各試驗(yàn)分組的最大彎拉應(yīng)變均有較明顯的提升，最大彎拉應(yīng)變隨著纖維的摻量先增加后減小。這是因?yàn)槔w維的加入使瀝青和集料之間的結(jié)合更加緊密，限制了裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，降低了應(yīng)力水平的敏感性，纖維摻量過(guò)多的結(jié)果與2.1 節(jié)類(lèi)似。當(dāng)纖維摻量分別為0.15%、0.3%時(shí)，對(duì)應(yīng)的瀝青混合最大彎拉應(yīng)變達(dá)到最高點(diǎn)。與不摻纖維的瀝青混合料相比，AC-13聚酯纖維和AC-13玄武巖纖維最大彎拉應(yīng)變分別提升了22.7%和50.3%。AC-25 聚酯纖維和AC-25 玄武巖纖維最大彎拉應(yīng)變分別提升了14.8%和38.9%?？梢钥闯鯝C-13 級(jí)配玄武巖纖維低溫性能提升最好，AC-25級(jí)配玄武巖纖維低溫性能提升最好。可以看出在纖維摻量為0.25%時(shí)，各級(jí)配的低溫性能趨向一致，當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢(shì)，因此該纖維摻量下低溫性能和經(jīng)濟(jì)效益的性價(jià)比最好。

2.3 水穩(wěn)定性能

本文采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，參考規(guī)范，試件通過(guò)馬歇爾擊實(shí)儀獲得，循環(huán)完成后在25℃和50mm/min加載速率下進(jìn)行試驗(yàn)。凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)數(shù)據(jù)及纖維摻量變化曲線見(jiàn)圖3，圖中虛線為規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)數(shù)據(jù)及纖維摻量變化曲線

由圖3 可知，14 組試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范性能要求，且各試驗(yàn)組合相較于不摻纖維，凍融劈裂強(qiáng)度均有較明顯的提升，且隨著纖維摻量不斷增加，瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比先增大后減小。AC-13 級(jí)配中聚酯纖維的摻量為0.25%、玄武巖纖維為0.3%時(shí)，AC-25級(jí)配中聚酯纖維的摻量為0.3%、玄武巖纖維為0.35%時(shí)，對(duì)應(yīng)的瀝青混合凍融強(qiáng)度比最大，瀝青混合料水穩(wěn)定性能最好。與普通瀝青混合料相比，AC-13 級(jí)配下聚酯纖維瀝青混合料和玄武巖纖維的凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升了5.9%和4.3%。AC-25 級(jí)配下聚酯纖維瀝青混合料和玄武巖纖維的凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升了9.4%和8.7%?？梢钥闯隼w維摻量在0.3%附近時(shí)，各級(jí)配凍融劈裂強(qiáng)度比性能趨向一致，當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢(shì)，因此纖維摻量為0.3%的性能與經(jīng)濟(jì)效益的性價(jià)比最好。

綜上所述，高溫性能方面，摻入聚酯纖維的瀝青混合料效果比摻入玄武巖纖維的瀝青混合料性能好，低溫性能方面摻入玄武巖纖維的瀝青混合料性能比摻入聚酯纖維的性能好，水穩(wěn)定性能和材料性能方面，兩種纖維相比提高性能效果差距不大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)聚酯纖維和玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的系統(tǒng)研究，得出如下結(jié)論：

⑴在高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能方面，摻入纖維的瀝青混合料相較于不摻纖維提高效果較為明顯，與不摻纖維相比，摻入聚酯纖維和玄武巖纖維的AC-13 級(jí)配分別最高可提升84.9%和64.5%的動(dòng)穩(wěn)定度、22.7%和50.3%的最大彎拉應(yīng)變，AC-25 級(jí)配分可提升41.2%和53.4%的動(dòng)穩(wěn)定度、14.8%和38.9%的最大彎拉應(yīng)變。

⑵聚酯纖維和玄武巖纖維能增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，與不摻纖維相比，AC-13 級(jí)配摻入纖維提升瀝青混合料的性能不太明顯，摻入0.35%的聚酯纖維和玄武巖纖維的AC-13 級(jí)配分別可提升5.9%和4.3%的凍融強(qiáng)度比，AC-25級(jí)配性能提升明顯分可提升9.4%和8.7%的凍融強(qiáng)度比。

⑶綜合分析纖維摻量及類(lèi)型對(duì)不同級(jí)配瀝青混合性能影響，應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)效益影響，纖維摻量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，不宜過(guò)低或過(guò)高。