纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能研究

刘 克 非

(1.长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南长沙 410114;

2.中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能研究

刘 克 非1，2

(1.长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南长沙 410114;

2.中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004)

以SMA-10为例，通过动态剪切流变试验、简支梁弯曲蠕变试验、水稳定性试验、车辙试验以及动、静态蠕变试验、恒高度重复剪切试验和4点弯曲疲劳试验，研究了木质素纤维、矿物纤维、聚丙烯腈纤维对沥青胶浆及沥青混合料路用性能的影响。结果表明:纤维的加入可以明显改善沥青胶浆和沥青混合料的高温性能，但同时降低它们的低温抗裂性能;矿物纤维沥青混合料的冻稳定性和高温性能最好，聚丙烯腈纤维沥青混合料的疲劳性能最好;车辙试验、动态蠕变试验和恒高度重复剪切试验结果之间具有良好的相关性，能较好地反映不同纤维对沥青混合料高温性能的影响，而动态蠕变试验得出的黏弹性常数可用来预估沥青面层的车辙。

纤维沥青胶浆;路用性能;RSCH;SMA

纤维是一种细而长的材料，具有弹性模量大，塑性形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力，分子量小。在沥青混合料中添加纤维，可以有效地改善沥青路面的高温稳定性和疲劳耐久性，并能提高沥青混合料的抗拉性能、防止反射裂缝产生［1］。美国和西欧等发达国家已经对纤维改性沥青及沥青混合料进行了大量的研究和应用。我国道路工作者对纤维沥青及其沥青混合料的研究起步较晚，直到20世纪90年代初SMA路面结构的出现，才引起人们对纤维类混合料产品的关注。长安大学的陈华鑫［2］、朱朝辉［3、丁智勇［4］等曾分别对掺有木质素纤维和博尼纤维的AC、AK沥青混合料路用性能进行研究。纤维是当今SMA混合料中的重要组成部分，原因与SMA中掺有大量的矿粉和沥青有关。归纳起来，纤维在沥青混合料中主要起以下作用［5］:

1)加筋作用。沥青混合料中的纤维呈三维分散状存在，因此可以起到加筋作用。

2)分散作用。若不添加纤维，SMA混合料中用量较大的沥青及矿粉就会胶结成团，其在集料间的分散极不均匀，会在较大程度上影响沥青混合料的路用性能。纤维在沥青混合料中可以起到分散胶团的作用。

3)吸附及吸收沥青的作用。纤维加入到沥青混合料中后会吸附表面沥青、吸收内部沥青，进而使沥青用量提高、沥青膜变厚并提高沥青混合料的耐久性。

4)稳定作用。在夏季高温季节，沥青结合料会因受热而发生膨胀，纤维的加入可以使沥青膜处于相对稳定的状态，其吸收内部自由沥青的能力可以提高沥青混合料的高温稳定性。

目前SMA中使用较多的是木质素纤维、聚丙烯腈纤维和玄武岩矿物纤维。笔者选用3种不同纤维(木质素纤维、矿物纤维、聚丙烯腈纤维)对掺入沥青胶浆及沥青混合料(以SMA-10为例)中，试验研究纤维混合料的性能。

1 纤维沥青胶浆及沥青混合料配合比设计

1.1 原材料

粗集料采用玄武岩碎石(江苏镇江);细集料采用石灰岩(湖南望城);矿粉采用石灰石粉;木质素纤维、矿物纤维由上海捷漫贸易发展有限公司生产;聚丙烯腈纤维为德兰尼特AS;沥青采用SBS改性沥青(江苏江阴)。3种纤维的技术指标见表1。

表1 3种纤维技术指标Tab.1 Technical indexes of the three fibers

1.2 矿料级配组成设计

按照JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》设计SMA-10的配合比，在各项设计指标满足要求的前提下，确定其级配结果列于表2中。为了便于对比，选定所有纤维的添加量均为沥青混合料总质量的3‰［6］。

1.3 SMA－10混合料设计检验

各种纤维沥青混合料的马歇尔测试结果列于表3中。

表2 SMA－10级配设计Tab．2 Gradation design of SMA －10

表3 SMA－10马歇尔试验结果Tab．3 Maxshall test results of SMA －10

2 纤维沥青胶浆测试

与基质沥青相比，纤维的加入可以使沥青的微观结构形成非均质体，性能也会发生变化，纤维网络在沥青中随机分布并产生内摩阻力，进而提高沥青胶浆的黏度。纤维的“增黏”作用可以有效提高沥青胶浆的抗剪切变形能力，进而提高沥青路面抗高温变形能力［7］。本文采用SHRP试验中的动态剪切流变试验(DSR)和简支梁弯曲蠕变试验(BBR)测试纤维沥青胶浆的技术性能，纤维与沥青的质量比为1∶20。

2.1 动态剪切流变试验DSR及结果分析

试验温度从64℃开始以6℃增量递增，测得的相位角δ及抗车辙因子G*/sinδ的结果如图1和图2。

由图1和图2可知:基质沥青的抗车辙因子远远小于纤维沥青胶浆的抗车辙因子，说明添加纤维会使沥青变硬，进而提高抗车辙能力;各纤维沥青车辙因子随着试验温度的升高而迅速降低，表明纤维沥青胶浆的温度敏感性比基质沥青大，相比之下，矿物纤维沥青胶浆的车辙因子对温度敏感性较低;纤维种类对沥青高温性能的影响随试验温度的升高而逐渐降低，这主要是因为随着纤维对沥青的吸附和吸收作用逐渐减弱，纤维沥青胶浆中的自由沥青量逐渐增多。分散性方面，矿物纤维在基质沥青中的分散性最好，可以使纤维沥青胶浆形成连结良好的复合材料;而外形呈颗粒状的木质素纤维则分散较为困难，使其沥青胶浆中结有微团，使试验结果产生偏差，因而其抗车辙因子也大。由对比可知，基质沥青与纤维沥青胶浆的相位角相差较大，说明添加纤维可使沥青弹性增加;矿物纤维胶浆的相位角随温度的升高增长最快，其弹性部分向黏性转化也最多［8］。

2.2 简支梁弯曲蠕变试验BBR及结果分析

采用纤维与沥青按1∶20的比例配成纤维沥青胶浆经RTFOT老化20 h后的试样，试验所得数据整理于图3和图4中。

由图3和图4可知:在沥青中添加纤维可以增加其蠕变劲度并降低柔性;在-12℃时，纤维种类对沥青胶浆的劲度模量影响不大，而在-18℃时，木质素纤维胶浆的劲度模量迅速增大，说明木质素纤维胶浆的低温性能较差;温度下降时，不同纤维沥青胶浆的蠕变曲线斜率都随着温度的下降而减小，说明纤维并没有改善沥青的低温松弛性能，反而使其性能有所降低，以木质素纤维胶浆的性能最差［9］。

3 水稳定性测试

分别采用马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比评价不同纤维SMA-10的水稳定性，试验所得数据整理于表6。

表4 水稳定性试验结果Tab.4 Water stability test results

残留稳定度试验结果表明，不同纤维沥青混合料的残留稳定度结果相差不大，其中木质素纤维最好，原因是添加木质素纤维后，混合料最佳沥青用量增多;劈裂强度比结果表明，矿物纤维沥青混合料虽然最低，但其冻融前后的劈裂强度都远高于另两种纤维沥青混合料，因此可认为矿物纤维SMA-10的冻稳定性较好。

4 高温稳定性测试

由于影响沥青混合料高温性能的因素不同，测试高温性能的试验方法也很多，本文采用车辙试验，动、静态蠕变试验及恒高度重复剪切试验(RSCH)评价不同纤维对沥青混合料高温稳定性的影响，试验温度均为60℃。试验所得数据整理于表5。

表5 高温稳定性试验结果Tab.5 High －temperature stability test results

由表5的试验数据分析可知:各种纤维沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度均满足规范要求，但沥青混合料的性能测试结果与马歇尔稳定度、流值及动稳定度排序并不一致，所以可认为马歇尔稳定度只适用于在沥青混合料配合比设计中选择沥青最佳用量，而不能作为评价沥青混合料高温性能的指标。静态蠕变试验可以得出不同纤维沥青混合料的劲度模量，但其结果与其它试验结果相比没有良好的相关性。车辙试验、动态蠕变试验及RSCH之间具有良好的相关性，动态蠕变试验的延迟弹性部分较好地体现了不同纤维沥青混合料高温性能的差别，动稳定度也明显地反映出不同纤维对沥青混合料高温性能的影响，RSCH试验结果可以体现不同纤维沥青混合料之间的差别;对于不同的纤维沥青混合料，RSCH试验的γ和k2值、动态蠕变试验的黏弹性常数及车辙试验的动稳定度都可以用来评价不同纤维对沥青混合料高温性能的影响。

相比之下，矿物纤维比另两种纤维有更好的抗车辙性能;不同纤维SMA-10的劲度模量相差不大，动态蠕变试验及RSCH的结果表明矿物纤维具有较好的高温性能。

5 疲劳性能测试

采用四点弯曲疲劳试验测试不同纤维对SMA沥青混合料疲劳性能的影响。试验设备采用UTM动态伺服气动材料试验系统，该系统应用气动式伺服阀的数字控制，对双向激振汽缸提供加载波形控制，力传感器可准确地测定所施加荷载的大小，测量精度:1 N，最大测量荷载:25 kN，其计算机控制系统可对疲劳试件所受荷载进行实时动态监测。

5.1 疲劳试件的制备

制备四点弯曲疲劳试件的主要步骤包括:混合料拌制、碾压成型和试件切割。将水洗筛分后的集料置于温度为(105±5)℃的烘箱中烘干至恒重，按级配要求配料后置于烘箱中预热，预热温度高于拌和温度15℃;拌和时间:240 s;将拌和机拌和后的混合料碾压成尺寸为400 mm×300 mm×50 mm的试板。养护后的试件切割成400 mm×50 mm×50 mm的标准四点弯曲小梁试件。

5.2 疲劳试验步骤

1)将切割好的小梁试件置于环境温控箱内在试验温度(15℃)下养护4 h以上，环境温控箱为气冷式，高精度PID调节，确保温度控制的精确性。

2)在控制软件中输入试验参数，试验模式:应变控制模式;试验波形:无间歇时间的偏正弦波;试件尺寸:400 mm×50 mm×50 mm;试验温度:15℃;试验频率:10 Hz;试验荷载水平:应变水平;试验破坏准则:取初始劲度模量的50%为破坏临界点。本研究选取200，300，400 με作为疲劳控制应变。

3)将养护好的试件置于疲劳试验机夹具内，通过定位板确定各夹头间的间距，夹紧夹头后将位移传感器置于试件上表面。通过计算机控制系统启动试验，读取第100个加载循环时的劲度模量作为试件的初始劲度模量。计算机系统自动控制试验过程并实时显示各参数变化情况，按照设定的加载间隔读取并记录试验数据，主要包括:温度、加载次数、最大应变值、劲度模量、模量百分比、滞后角、耗散能及累积耗散能等。当测得的劲度模量下降至初始劲度模量的50%时，试验自动停止。

5.3 疲劳试验结果分析

试验所得数据整理于表6。

表6 疲劳性能试验结果Tab.6 Fatigue property test results

由表6可知:3种应变水平下木质素纤维SMA-10的初始劲度模量都要大于矿物纤维和聚丙烯腈纤维，但其疲劳寿命相对较差;相比之下，聚丙烯腈纤维明显有助于沥青混合料疲劳寿命的增加。滞后角可以用来表征沥青混合料黏弹比的大小，滞后角越大，沥青混合料越倾向于黏性，反之则更倾向于弹性。从3种纤维沥青混合料的滞后角来看，3种沥青混合料的黏弹性性能差别不大。

6 结论

1)纤维的加入能够改善沥青胶浆的高温性能，且纤维种类不同，其改善的效果也不同，但是其温度敏感性增大;随着温度的升高，纤维种类对沥青高温性能的影响逐渐降低。

2)不同纤维对混合料的抗水损害能力影响不大，相比之下矿物纤维沥青混合料的冻稳定性更好，其高温稳定性也优于其它纤维;而聚丙烯腈纤维沥青混合料的抗疲劳性能较好。

［1］倪富健，郭咏梅，曾兰英，等.聚丙烯腈纤维SMA路用性能［J］.交通运输工程学报，2003，3(3):7-11.

NI Fu-jian，GUO Yong-mei，ZENG Lan-ying，et al.Road performance of SMA mixture with PAN fiber composite［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2003，3(3):7-11.

［2］陈华鑫.纤维沥青混凝土路面研究［D］.西安:长安大学，2002.

［3］ 朱朝辉.外掺纤维沥青混合料的路用性能研究［D］.西安:长安大学，2004.

［4］丁智勇.纤维沥青混合料应用研究［D］.西安:长安大学，2004.

［5］Soroushian.Polyester fibers in asphalt paving mixtures［J］.MI USA Inorganic Bonded Wood Fiber Compose Mater，1997，127(17):8-13.

［6］赵丽华，孔永健，尚彦宇.纤维对沥青结合料性能改善的研究和分析［J］.城市道桥与防洪，2005，11(6):153-156.

ZHAO Li-hua，KONG Yong-jian，SHANG Yan-yu.Study and analysis of performance improvement of fiber for bituminous bound-material［J］.Urban Roads Bridges ＆ Flood Control，2005，11(6):153-156.

［7］张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹性力学原理及应用［M］.北京:人民交通出版社，2006:156-159.

［8］AASHTO.Method for determining the rheological properties of asphalt binder using a Dynamic Shear Rheometer(DSR)［S］.Washington，D.C.，USA:AASHTO，1994.

［9］ASTM International.Standard test method for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the Bending Beam Rheometer(BBR)［S］.West Conshohocken，PA，USA:ASTM，2004.

Study on Pavement Performance of Fiber Asphalt Mortar and Its Mixtures

LIU Ke-fei1，2

(1.Changsha University of Science ＆ Technology，Changsha 410114，Hunan，China;2.College of Civil Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，Hunan，China)

Taking SMA-10 as an exemple water stability test，rutting test，dynamic and static creep tests，constant height repeating shear test(RSCH)and four-points bending fatigue test to study the influence of lignin fiber，mineral fiber and PAN fiber to asphalt mortar and its mixtures.were carried out by means of DSR，BBR The results showed that adding fiber in asphalt could significantly improve the high temperature properties of asphalt mortar and these mixtures while these low temperature crack resistance decreased.The freeze stability and the high temperature performance of mineral fiber asphalt mixture were better;the fatigue performance of PAN fiber asphalt mixture is excellent.The test results of rutting test，dynamic creep test and RSCH had good correlation and these results could preferably reflect the influence of various fibers to asphalt mixtures.The viscoelastic constants of dynamic creep test could predict the rutting of asphalt surface.

fiber asphalt mortar;pavement performance;RSCH;SMA

U414.75

A

1674-0696(2011)03-0407-04

2011-02-24;

2011-04-22

长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心开放基金资助项目(kfj080303)

刘克非(1982-)，女，辽宁铁岭人，讲师，博士研究生，主要从事道路结构、材料及检测方面的研究。E-mail:liukefei92013@163.com。