纤维沥青混凝土桥面铺装的路用性能

董 晶， 张海涛

(江汉大学 建筑工程系， 湖北 武汉 430056)

在桥梁结构设计时，铺装层一般不作为受力层处理，但铺装层在车轮荷载及其冲击下，部分或全部参与了主梁的变形，桥面铺装层要承受由于协同变形而产生的内力。由于现在重型车辆大幅增加而使得桥梁结构振动大，因此对桥面铺装的抗裂性要求较高，并且沥青混合料本身温度敏感性较大，高温时易产生流动变形形成车辙，低温时易脆性开裂。纤维加筋沥青路面技术由于使用方法简单、易于操作，已在我国多个地区的桥面铺装和路面工程中得到成功应用，其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、耐老化性等都有明显提高。本文通过对比试验研究分析了聚合物纤维(聚酯纤维、聚酯纤维+聚丙烯腈纤维)沥青混凝土的路用性能，为进一步了解和掌握纤维沥青混凝土技术进行探索。

1 纤维沥青混合料的拌和

首先，按拌和混合料的数量，从大包纤维中准确称量出每次拌和混合料实际掺加纤维的份量并分成小包。拌和站开盘后，在集料干拌开始、沥青还未加入及湿拌未开始时，将称量好的小包纤维从热仓观察口投入拌和锅中，且应在湿拌开始前投入完毕并关闭热仓观察口的仓门，以保证随集料干拌的纤维充分搅拌、分散，防止沥青及纤维从热仓观察口溢出损失。

在工期较紧时，可采用集料和纤维同时加入拌和的方式。干拌时间比未加入纤维增加10 s左右。经干拌后，即喷入沥青进行湿拌，拌和时间比未加纤维增加8 s左右，以所有矿物颗粒全部裹覆沥青胶结料为准。

2 路用性能试验

2.1 试验方案

采用山东淄博的90B沥青，试验方案(AC-16及AC-25型沥青混凝土)如表1所示。研究采用马歇尔稳定度试验、残留稳定度试验、冻融劈裂试验、车辙试验和低温极限弯曲试验，全面比较掺加纤维前后以及掺加不同纤维及同种纤维不同用量的纤维沥青混合料各种性能指标的差异。

表1 试验方案

2.2 试验结果分析

各项路用性能试验均按照文献[1]中相关方法进行。

2.2.1马歇尔稳定度试验

试验结果如图1～ 5所示。纤维加入混合料后要占一点空间，在纤维的弹性效应作用下，用相同的击实功能击实时，纤维混合料的密实过程受到阻碍，故纤维加入后空隙率均有增大趋势，并且随纤维用量增大而增大，空隙率的增加有助于沥青混凝土热稳定性的提高。宏观上，纤维沥青混合料可视为连续而均匀的，但细观和微观上，则是既不连续也不均质的，尤其在纤维分散不均的情况下，纤维的加入会导致混合料中“强度弱点”的涨落。所以，纤维加入后稳定度的变化主要视其桥接加筋和阻裂的加强作用与“强度弱点”的削弱作用综合而定。由于聚丙烯腈纤维的强度远大于聚酯纤维，并且其纤维的分散性较优，故方案三得到的稳定度最大，加筋和桥接作用更为明显。纤维加入后，残留稳定度明显增加，但不同纤维及不同纤维掺加量对残留稳定度的影响不大，这表明纤维的加入并非越多越好。

图1 试验方案与空隙率的关系(标准马歇尔试验)

图2 试验方案与空隙率的关系(浸水马歇尔试验)

图3 试验方案与稳定度的关系(标准马歇尔试验)

图4 试验方案与稳定度的关系(浸水马歇尔试验)

图5 试验方案与残留稳定度的关系

2.2.2冻融劈裂试验

试验结果如图6所示。

图6 试验方案与劈裂强度比的关系

2.2.3车辙试验

试验结果如图7所示。在劈裂条件下，试件内部呈受拉状态，试件破坏主要是由于内部的粘结力不足以抵抗外荷载作用而逐渐造成的，纤维的加入增强了混合料的整体性，加强了沥青与集料间的粘结力，从而可以提高沥青混合料的水稳定性。随纤维剂量的进一步增加，劈裂强度比出现下降现象。这是因为当纤维剂量超过一定值时，混合料空隙率增大较多，使混合料在冻融循环作用下强度衰减速率加大，混合料的抗冻和耐水性能下降，因此，要求在施工中对纤维沥青混合料必须加强碾压，以减小空隙率[2]。

图7 试验方案与动稳定度的关系

纤维加入对改善沥青混凝土的高温稳定性与抗车辙能力有较显著效果，但这种改善作用有一最佳纤维剂量，当纤维剂量超过最佳值时，纤维分散、均匀性下降，多余的纤维易结团成束，在混合料中成为强度“弱点”，使得矿料的骨架性下降，混合料高温性能出现缓慢下降。一般而言，纤维的力学性能越好，则通过界面传递给纤维的作用力越大，增强效果越明显，这解释了方案三的动稳定度值为各种方案最大值的原因。

2.2.4低温弯曲试验

试验结果如图8、9所示。掺入纤维的沥青混凝土弯曲破坏强度并未提高，但极限破坏应变增大。沥青混合料在低温下的极限变形能力，反映了材料在低温时的粘性、塑性性质及材料抵抗变形的能力。显然，沥青混合料的极限破坏应变越大，低温抗裂性能越好。我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)就是以沥青混合料的破坏应变作为低温性能控制指标。聚酯纤维、聚丙烯腈纤维在低温下呈柔性,并且交错、桥接的纤维使混合料具有较高的弹性,因此纤维混合料能够有效抵抗低温应力,减少温缩裂缝产生。

图8 试验方案与破坏时抗弯拉强度的关系

图9 试验方案与破坏时最大弯拉应变的关系

3 结 论

(1)聚丙烯腈纤维和聚脂纤维都是从石油中提炼出来的有机聚合物产品，其组成结构与沥青的结构具有近源相似性，因此，这两种纤维同沥青

作用时其界面效应强烈，对沥青具有较强的吸附作用，有利于提高纤维与沥青的界面作用效果，纤维的桥接与加筋作用强烈。

(2)聚丙烯腈纤维和聚酯纤维与沥青混合料拌和时，很容易分散均匀，有机纤维性能稳定，不污染环境，且施工简便，无需增添任何施工设备和变更原混合料设计，能有效地解决沥青混凝土的多种缺陷。

(3)混合纤维对沥青混合料的路用性能改善效果更为显著，综合考虑经济和技术特性，可以推广使用。

[1] JTJ 052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[2] 陈栓发，陈华鑫，郑木莲.沥青混合料设计与施工[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3] 封基良.纤维沥青混合料增强机理及其性能研究[D].南京：东南大学，2006.

[4] 高雪池.滨州黄河公路大桥桥面铺装研究[D].南京：东南大学，2006.

[5] 马 翔，倪富健，顾兴宇，等.聚酯纤维沥青混合料路用性能研究分析[J].公路交通科技，2006，23(1)：24-27.

[6] 于 斌.AC-16C型纤维沥青混凝土路用性能研究[J].公路，2009，(7):58-62.

[7] 刘洪瑞，张荣辉.聚酯纤维增强沥青混凝土在公路与铁路两用大桥中的应用研究[J].新型建筑材料, 2008，(8):15-18.

[8] 丁庆国.增强纤维沥青混合料在桥面铺装改造中的应用[J].城市道桥与防洪，2008，(4):93-97.