掺加聚酯纤维的SMA混合料路用性能试验研究

廖书文

（中铁十五局集团第六工程有限公司 河南洛阳 471013）

引言

沥青混合料已成为路面建设中最主要的材料。为了保证道路的工程质量和耐久性，提高其社会和经济效益，将加强纤维应用于沥青混凝土路面，经过大量有效的研究和实际应用，已得到业内广泛认同[1]。经过近20年的实践检验，证明聚酯纤维确实能改善沥青路面的高温稳定性、疲劳耐久性，并全面提高沥青路面的质量[2-4]。SMA混合料能够综合改善沥青路面的高温抗车辙能力、低温抗裂性、耐疲劳性等，而且具有保持表面功能持久的优点[5]。

对于SMA-13级配的混合料，目前工程界所公认和广泛使用的木质素掺量为0.3%。考虑到在SMA混合料中木质素纤维只起到稳定剂的作用，起不到聚酯纤维所能起到的加筋和传递荷载等作用，故采用聚酯纤维类的Bonifibers替代部分木质素，和在木质素掺量不变的情况下额外掺加聚酯纤维。分析不同纤维组合SMA混合料的路用性能，得出最佳纤维组合和掺量。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

沥青采用掺加5%SBS改性剂的AH-90#重交通石油沥青，主要性能指标见表1。集料SMA-13粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩石屑，矿粉由石灰岩磨制而成，主要性能指标及级配见表2，根据《规程》[6]和[7]规定的级配中值确定集料的合成级配，见表3。纤维采用进口Bonifibers和国产聚酯纤维两种，主要性能指标见表4。

表1 AH-90#SBS改性沥青性能指标

表2 集料性能指标及配比

表3 集料的合成级配

表4 纤维物化性能参数

1.2 试验方法

沥青混合料各种性能指标根据《规程》[6]提出的方法进行测试。用马歇尔试验确定各组混合料的最佳沥青用量和马歇尔稳定度等指标；用车辙试验评价混合料的高温稳定性；用常、低温劈裂试验评价混合料的低温抗裂性；用浸水马歇尔试验评价混合料的水稳定性。为了使纤维分散足够均匀，对加入聚酯纤维的混合料拌和时间比普通混合料延长10～15s。

2 试验结果与讨论

2.1 混合料的高温稳定性

2.1.1 马歇尔试验

按我国试验规程[6]规定的马歇尔试验方法确定各组混合料的最佳沥青用量，而后在各自最佳沥青用量下测定各项马歇尔指标，结果如表5所示。

表5 马歇尔试验结果

从表5中可以看出：（1）用Bonifibers替代部分木质素纤维的混合料，其最佳沥青用量随着木质素被替代量的增多而减少，这是因为木质素的比表面积比Bonifibers大，能吸附和吸收更多的沥青，而纤维的总量不变，所以木质素被替代得越多，最佳沥青用量越少。额外掺加国产纤维的混合料，最佳沥青用量随着纤维添加量的增加而增大，因为纤维在混合料中如同填料一样，需要更多的沥青包裹在其表面。 （2）用Bonifibers替代部分木质素纤维的混合料，混合料的密度随着木质素被替代量的增加而增大。对于额外掺加国产纤维的混合料，密度随着纤维添加量的增加而较小，因为纤维密度远远比矿料的密度小，而且聚酯纤维加入后占据了混合料的一定空间，在相同的击实功下很难达到普通混合料的密实程度，所以密度会有所减小。（3）用Bonifibers替代部分木质素的混合料和额外掺加国产纤维的混合料，空隙率都是逐渐增大，矿料间隙率都是逐渐减小。原因是数量巨大的聚酯纤维起到了多向“加筋”、“传递荷载”的作用，使混合料比原来更难压实。（4）对于用Bonifibers替代部分木质素的混合料，马歇尔稳定度呈先增大后减小的趋势，当纤维组合为0.20%木质素+0.10%Boni时，稳定度达到最大值5.19 kN，较原来提高5.06%。对于额外掺加国产聚酯纤维的混合料，马歇尔稳定度也先增大后减小，当纤维组合为0.30%木质素+0.06%国产纤维时，稳定度达到最大值6.35kN，较原来提高28.4%，效果优于其它组合。这两组混合料的稳定度较原来都有提高，而且效果明显，说明这两种纤维组合既能发挥木质素的稳定剂作用，又能发挥Bonifibers起到的桥接和加筋作用。（5）流值同沥青用量关系十分密切，沥青用量越大流值越高。

2.1.2 车辙试验

车辙试验是模拟车轮在路面上行驶而形成车辙的工程试验方法，其试验结果与实际路面有良好的相关性，是评价沥青混合料高温抗变形能力的一种重要试验方法。本文进行的各组混合料车辙试验结果如表6所示。

从表6可看出：无论是用Bonifibers替代部分木质素还是额外掺加聚酯纤维，混合料的动稳定度都有所提高，平均变形速率都有所减小。原因是车辙的产生主要是由于荷载的剪应力超过了混合料的抗剪强度而产生的剪切破坏，而聚酯纤维在混合料中起到了“牵拉”、“传递荷载”的作用，使混合料的抗拉和抗剪强度增强，因而提高了其抗车辙能力。但是聚酯纤维的替代量和添加量又不能太多，一方面是由于木质素被替代得太多会影响其熔化成胶体后的粘结力；另一方面聚酯纤维太多会聚集成团，影响在混合料中的均匀性，反而起不到好的效果。两种混合料动稳定度提高效果最好的分别是：用Bonifibers替代0.10%的木质素可将原来混合料动稳定度提高6.62%，平均变形速率降低5.88%；0.30%木质素+0.06%纤维，动稳定度达到最大值5317次/mm，较原来混合料提高7.98%，平均变形速率降低7.05%。

表6 车辙试验结果

2.2 混合料的低温抗裂性

沥青混合料随着温度的降低，强度和劲度都会明显增大，变形能力会显著下降，从而出现开裂和脆性破坏。因此，提高沥青混合料低温抗裂性能，是延长路面寿命的主要措施之一。本文进行了各组SMA混合料常温（15℃）、低温（-10℃）劈裂试验，加载速率为 50mm/min，试验结果如表7所示。

表7 常、低温劈裂试验结果

从表7可知：在常温和低温条件下，无论是用Bonifibers替代部分木质素还是额外掺加聚酯纤维，混合料的荷载最大值、劈裂抗拉强度和破坏劲度模量均有明显提高；垂直方向总变形、水平方向总变形和破坏拉应变均有明显减小。15℃时，用Bonifibers替代部分木质素的混合料，当纤维组合为0.20%木质素+0.10%Boni时，混合料的劈裂抗拉强度达最大值Rt=2.07MPa，较原来只掺加0.30%木质素的混合料略有提高，仅提高了1.47%；对额外掺加聚酯纤维的混合料，当0.30%木质素+0.06%聚酯纤维时，混合料的劈裂抗拉强度达最大值Rt=2.19MPa，较原来提高7.35%。-10℃时，纤维组合为0.20%木质素+0.10%Boni时，混合料的劈裂抗拉强度4.72 MPa较原来提高26.20%；纤维组合为0.30木质素+0.06聚酯时，混合料的劈裂抗拉强度4.74 MPa较原来提高26.74%。由此可以看出，聚酯纤维能够提高沥青混合料的劈裂抗拉强度，且在低温时的提高效果要优于常温时，原因是聚酯纤维的各项性能指标受温度影响较小，低温时更得以较好地发挥其加筋的作用，从而有效提高混合料低温时的劈裂抗拉强度，进而提高混合料的低温抗裂能力。

综上所述，添加聚酯纤维，混合料的低温劈裂强度得到提高，抗变形能力增强，劲度模量增大。在低温下聚酯纤维仍呈柔性，在混合料中纵横交错使混合料具有较高的弹性，发挥的加筋、阻裂、增韧作用是巨大的，使混合料间的粘结力增大，从而有效抵抗低温应力，减少温缩裂缝的产生和发展。

2.3 混合料的水稳定性

沥青混合料的马歇尔残留稳定度可以反映水对沥青与集料间粘附效果的破坏作用，本文对不同纤维组合的SMA混合料进行了浸水马歇尔试验，结果如表8所示。

表8 浸水马歇尔试验结果

从表8中残留稳定度值来看，用Bonifibers替代部分木质素和额外掺加聚酯纤维，与原来混合料相比，马歇尔残留稳定度均有不同程度的提高。最大值分别出现在0.15%木质素+0.15%Boni和0.30%木质素+0.06%聚酯，且后者略高，比原来0.30%木质素时分别提高了2.2%和3.0%。原因有两方面：一方面因为聚酯纤维吸收和吸附部分沥青，增加了混合料中结构沥青的含量，减少了自由沥青的含量，加强了沥青混合料中沥青与集料形成的界面膜抵抗水分对沥青置换剥离作用的能力，因此其残留稳定度较高，抗水破坏能力较强。另一方面是由于两种聚酯纤维都能有效地提高混合料抗拉能力，而马歇尔试验主要是拉伸破坏，所以混合料的马歇尔残留稳定度会得以提高，抗水破坏能力得以增强。对比可知，在改善沥青混合料的水稳定性方面，在原有木质素掺量不变的情况下额外掺加聚酯纤维，效果好一些，但不能添加过多，过多同样会因为分散性的原因对混合料的水稳定性起到消极作用。

3 结论

本文对不同纤维组合混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗水侵害性开展了试验研究。研究表明：（1）利用Bonifibers替代部分木质素和额外掺加聚酯纤维的混合料都将提高混合料的马歇尔稳定度和动稳定度，说明聚酯纤维可有效提高SMA混合料的高温稳定性；（2）聚酯纤维能够提高沥青混合料的劈裂抗拉强度，且在低温时的提高效果要优于常温时。低温下，聚酯纤维在SMA混合料中仍呈柔性，能有效抵抗低温度应力，减少混合料温缩裂缝的产生。（3）掺加聚酯纤维可以提高SMA混合料的残留稳定度，说明聚酯纤维对SMA混合料的水稳定性也具有改善作用。（4）综合考虑不同纤维组合和掺量沥青混合料的路用性能，并考虑到经济等因素，在试验路中了采用0.20%木质素+0.10%Bonifibers的纤维组合。

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[7]JTJ 058-2000，中华人民共和国行业标准.公路工程集料试验规程[S].

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