钢纤维沥青混凝土路用性能的试验研究

汤寄予，高丹盈，赵 军

(郑州大学土木工程学院，河南郑州450001)

目前，纤维已成为混凝土的主要改性材料.在水泥混凝土中添加纤维可提高建筑构件及其结构在峰值荷载时的应变和能量吸收能力，并显著提高混凝土破坏时的抗弯强度、抗冲击强度、抗拉强度、破坏延性和弯曲韧性［1］.纤维对沥青混凝土也具有显著改性效果，尤其是在连续密级配沥青混凝土(Asphalt Concrete，AC)和沥青马蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt，SMA)中使用纤维，可以克服混合料在运输和施工过程中沥青的老化劣化，并提高沥青的稳定性［2－4］.纤维可改变沥青混合料的黏弹性能，提高沥青混合料的动弹模量、抗水敏感性，提高流变性能和抗车辙能力，减少沥青路面反射裂缝的数量［5－11］.在纤维水泥混凝土中，以钢纤维的应用最为广泛.在过去几十年，由于钢纤维混凝土的优异性能，使用范围不断扩大.不仅用于常规的工业和民用建筑，还广泛用于其他领域，如机场跑道和公路路面、抗震和耐冲击的结构、隧道、桥梁、水工建筑物等［12］.

在道路工程中，尽管多种类型的纤维已用于热拌沥青混合料中，但关于钢纤维在柔性沥青路面中研究和应用的报道较少［13］.这与人们对钢纤维的认识有关，有人认为钢纤维沥青混凝土路面在使用后期可能产生“凸尖现象”，对轮胎的磨损不利，再加上人们对钢纤维与沥青的粘附力产生疑问，使钢纤维在沥青混凝土路面中的推广应用受到很大限制.但科研人员并没有放弃钢纤维对沥青混凝土改性效果的探究.2005年，我国学者朱建民和马敬坤首先报道了历经10 a之久完成的钢纤维在沥青混凝土路面面层中的应用研究结果［14］.此后，国内外科研人员开展的相关工作进一步证明了钢纤维对沥青混凝土路用性能的有益效果［13，15－17］，一定程度上也回答了人们对钢纤维使用效果存在的质疑.但目前关于钢纤维改性沥青混凝土的研究成果仍十分有限，所得结果相对分散.

基于此，笔者进一步对钢纤维沥青混凝土各项路用性能开展了系统研究，尤其注重钢纤维掺量和沥青增量交互作用产生的综合影响.所得系列结果可为相关研究和工程应用提供借鉴.

1 试验

1.1 原材料

所用原材料包括粗集料、细集料、填料、沥青和钢纤维.

沥青为重交AH－70沥青，其25℃针入度P=6.5 mm，延度 Duc＞100 cm，软化点 SP=47 ℃(环球法)，密度 Den=1.055 g/cm3.

粗集料为多孔玄武岩，细集料和矿粉为石灰岩.为避免级配偏离对试验结果带来的不利影响，试验前将粗、细集料筛分成具有单一粒径的集料，便于对级配进行精确控制.粒径在1.18 mm以上的为多孔玄武岩，1.18 mm以下的为石灰岩，填料为磨细石灰石粉.各粒径矿料的实测密度见表1.

表1 各粒径矿料的实测密度 g/cm3

钢纤维长12.5 mm，等效直径0.32 mm，长径比为39，抗拉强度大于380 MPa.

1.2 配合比设计

1.2.1 矿料级配

矿料级配选用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的密级配沥青混凝土混合料AC－13级配范围中值，各筛孔通过率见表2.实际应用时按级配要求将各粒径矿料进行组配.

由图1可知:

表2 通过各筛孔的质量百分比

1.2.2 油石比

采用传统的马歇尔试验方法.首先确定出普通密级配沥青混凝土AC－13的最佳油石.然后以AC－13的最佳油石比为基础，确定出掺入1%，2%，3%的钢纤维后最佳油石比的范围.仍采用马歇尔方法确定不同钢纤维掺量的沥青混凝土的最佳油石比.

按照马歇尔试验方法确定油石比时，首先以经验预估的油石比为基准，再以0.5%的间隔上下变化沥青用量制备马歇尔试件，试件数量不少于5组.不同油石比Pa对应的毛体积密度γf、稳定度S、流值FL、空隙率VV、矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA见表3.

表3 AC沥青混凝土马歇尔试验结果

对改性沥青及SMA等难以分散的混合料，按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)计算得:合成矿料的毛体积相对密度γsb=2.674 g/cm3，表观相对密度 γsa=2.876 g/cm3，吸水率 Wx=2.602%，沥青吸收系数 C=0.393，有效相对密度γse=2.755 g/cm3.

由马歇尔试验结果绘制油石比与各物理、力学指标的关系曲线如图1所示.

图1 油石比与各指标的关系

因此，可确定普通密级配沥青混凝土AC－13的最佳油石比为Pa=6.81%.

按同样的方法，可确定钢纤维掺量为0%，1%，2%，3%的密级配沥青混凝土的最佳油石比分别为6.81%，6.88%，7.37%，7.60%.

1.3 试验方法

这里主要对不同钢纤维掺量的密级配沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行评价，分别采用我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)规定的车辙试验、小梁弯曲试验和冻融劈裂试验方法进行.

2 结果与分析

2.1 钢纤维对高温性能的影响

不同类型和掺量的纤维沥青混凝土车辙试验结果见表4.

表4 车辙试验结果

钢纤维掺量与沥青混凝土动稳定度的对应关系如图2所示.由图2可知，钢纤维的加入对沥青混凝土的动稳定度有一定影响.钢纤维掺量在1% ～3%范围内时，均能提高沥青混凝土的动稳定度，只是提高幅度不同;随着钢纤维掺量的增大，动稳定度出现先升高后降低的趋势.

图2 钢纤维掺量对动稳定度的影响

当钢纤维掺量为1%时沥青混凝土动稳定度提高了37.2%;当掺量增加至2%时动稳定度提高了9.1%;掺量为3%时动稳定度提高了10.4%.照此分析，钢纤维掺量越高，对沥青混凝土的高温稳定性越不利.这是由于纤维沥青混凝土是一种组成结构极为复杂的黏弹性复合材料，其高温稳定性取决于多种因素，除受纤维掺量的影响外，还受沥青的性质和含量、矿料的特性(岩石种类、级配组成、颗粒形状、表面粗糙度等)、沥青与矿料的交互作用、矿料比表面、压实沥青混凝土的结构特性等因素的影响.在本文试验条件下，沥青和矿料性质一定，两者间的交互作用也一定，由于压实沥青混凝土的设计空隙率也接近，因此，决定钢纤维沥青混凝土高温性能的关键因素是钢纤维掺量和沥青含量.

当沥青混凝土中的沥青含量较少时，沥青不足以完全敷裹矿料颗粒表面，矿料颗粒间缺乏足够的黏聚力，沥青混凝土整体强度较低.随着沥青用量增加，沥青逐渐敷裹矿料表面，使得结构沥青用量增加，矿料间的黏结力增强，沥青混凝土整体强度提高，直到整个矿料表面被“结构沥青”所敷裹.当沥青用量进一步增加，此时过多的沥青形成“自由沥青”，这部分沥青在矿料间主要起润滑作用，并将矿料“推开”，从而使沥青混合料的整体强度下降.另外，“结构沥青”的存在对矿料起到约束作用，使得矿料间的内摩阻力增大，当沥青用量太多时，“自由沥青”的润滑作用反而使矿料间容易相互滑移，内摩阻力下降.纤维添加到沥青混凝土中时可认为一种特殊的集料，其能改善沥青混凝土高温稳定性的原理在于一定类型的纤维具有特定的体积特征和表面纹理构造，从而一定程度上扩大了矿料比表面积，对沥青具有一定的吸附和稳定作用，提高了沥青混凝土中“结构沥青”的比例.另外，乱向随机分布于矿料颗粒间的纤维形成的空间网络结构对矿料颗粒间的相对位置关系具有加强作用，限制了矿料颗粒相对滑移.纤维的这两方面的作用有利于提高沥青混凝土的高温稳定性，但还受制于沥青含量的影响.过少的沥青含量增加不了“结构沥青”，也形不成稳固的空间纤维网络结构;过多的沥青含量又增加了“自由沥青”，也使空间纤维网络结构遭到破坏.因此，纤维掺入基体沥青混凝土后，纤维的掺量必须和沥青增加量相匹配，否则，起不到应有的增强和稳定沥青的效果.

由于单根钢纤维相对于其它类型的纤维具有更大的体积，单位体积沥青混凝土混合料中掺入的钢纤维根数就较少，而相对于其它类型的纤维，钢纤维表面又不很粗糙，纹理也不太丰富，因此增加的比表面积相对不大，对沥青的吸附稳定作用也相对有限.

对于钢纤维掺量为2%和3%的沥青混凝土，实际中通过马歇尔试验方法确定的最佳油石比有可能偏大，这或许是导致沥青混凝土动稳定度的提高幅度随钢纤维掺量的增大而减小的主要原因.将3种钢纤维掺量的沥青混凝土对应的油石比增量与相应的动稳定度之间的关系绘制成柱状图，如图3所示.显然，油石比的增加量越大，动稳定度越低.由于油石比的增加是由于钢纤维的增加引起，只不过油石比的增加量相对高于钢纤维的增加量，也就是沥青量的增加相对于掺入的钢纤维有些过剩，即“自由沥青”量过多，致使钢纤维对动稳定度提高幅度不及“自由沥青”对动稳定度的降低幅度.所以从表面看来，沥青混凝土的动稳定度随钢纤维掺量的提高而呈降低趋势.因此，在进行纤维沥青混凝土的配合比设计时，必须找准最佳沥青用量.

图3 油石比增量对动稳定度的影响

另外，由于呈棒状的钢纤维在沥青混凝土混合料中的随机分布，其形成的空间网络结构在压实过程中阻碍了集料颗粒的运动，在同样的击实功条件下，掺入钢纤维后矿料的聚集难以达到最稳定状态，使得压实沥青混凝土的剩余空隙率较大，在动稳定度试验过程中有可能由于继续压实使得试件的变形更大.在本文的试验条件下，尽管随钢纤维掺量的增加，试件的剩余空隙率呈增大趋势(钢纤维掺量为1%，2%，3%的沥青混凝土试件的剩余空隙率分别为2.8%，3.4%，4.3%)，但与设计空隙率(4%)接近.而且，相对来讲，剩余空隙率是影响沥青混凝土高温稳定性的次要因素，在分析中不考虑，而钢纤维掺量和油石比则是影响沥青混凝土高温稳定性的主要因素，以下做重点分析.

将钢纤维掺量与油石比增加百分率的比值作为反映钢纤维和沥青合理含量的综合影响系数ISFA，

式中:ρSF为钢纤维掺量，%;ΔPa为油石比增量，%.绘制钢纤维沥青胶浆合理含量综合影响系数ISFA与动稳定度的关系如图4所示.

图4 钢纤维掺量和沥青含量综合影响系数对动稳定度的影响

由图4可知，钢纤维沥青胶浆合理含量综合影响系数ISFA与动稳定度呈良好的线性关系.在钢纤维掺量满足文中所指范围时，对密级配沥青混凝土AC－13，建立考虑钢纤维和沥青含量影响的动稳定度预估模型为

2.2 钢纤维对低温性能的影响

不同钢纤维掺量的沥青混凝土在不同温度下的弯曲破坏强度见表5.

表5 不同温度下，试件破坏时的最大抗弯拉强度 MPa

2.2.1 温度对弯拉强度的影响

材料的强度表征材料抵抗外部荷载破坏的能力，也是对黏弹性材料破坏进行分类的指标之一，即认为材料的破坏是由于承受的应力超过了其强度极限.沥青混合料的抗拉能力主要取决于沥青结合料的抗拉能力.由于沥青结合料是一种黏弹性材料，对温度具有较强的依赖性，所以沥青混合料的弯曲抗拉强度在不同温度下便呈现不同的特征.

将不同温度下不同钢纤维掺量的密级配沥青混凝土弯曲破坏强度进行平均，得到弯曲强度随温度的变化曲线，如图5所示.由图5可知，强度－温度曲线上出现了两个变曲点，从60℃降低到30℃，弯曲强度缓慢升高，到达第1个变曲点30℃后，温度从30℃降低到10℃过程中，弯曲强度又急剧升高，到达第2个变曲点10℃后，弯曲强度随温度的降低又缓慢降低.因此，根据弯曲强度随温度的变化特征，可分为3个区域:10℃以下为低温区域，10～30℃为常温区域，30℃以上为高温区域.可把强度－温度曲线上强度峰值点对应的温度认为是沥青混合料的脆化点.脆化点是区分破坏类型的一个特征点，也是判断沥青混合料低温破坏特性的一个重要指标.较高的脆化点表明沥青混合料在相同的应变速度下能更早地进入脆性破坏区域，更容易发生低温断裂.而在脆化点以上的温度区域，沥青混合料已具有粘性弹性特性，温度升高可加剧沥青内部大分子热运动，周期性的热运动增加了相邻大分子间的距离，则保持大分子相互靠近的分子间力削弱.因此，分开大分子和破坏沥青混合料所需的外力随温度升高而减小.但在脆化点以上的温度区域可不必担心沥青混合料会因抗弯拉强度不足而产生破坏，即使沥青路面会产生疲劳开裂或极少情况下产生温度开裂，也会应沥青本身较大的变形能力而避免裂缝产生，即使产生开裂也会因沥青自身的自愈能力使裂缝得以修复.因此，研究脆化点以下低温区域的抗弯拉强度才更具有实际意义.

图5 温度对弯曲强度的影响

2.2.2 钢纤维对弯拉强度的影响

不同钢纤维掺量的沥青混凝土在不同温度下的弯曲破坏强度对比如图6所示.从整体来看，无论是作为对比的普通沥青混凝土，还是不同钢纤维掺量的沥青混凝土，其弯曲破坏强度均随温度的降低呈现大致相同的趋势.30～60℃温度范围内，弯曲破坏强度随温度的降低有小幅提高;10～30℃温度范围内，弯曲破坏强度随温度的降低有大幅的提高，但过了10℃的脆化点温度以后，弯曲破坏强度又随温度的降低而显著下降，这一变化趋势由沥青基体本身的温度依赖性决定.同时，在相同温度条件下，加入钢纤维后沥青混凝土的抗弯拉强度相比于普通沥青混凝土均有不同程度的提高，而且抗弯拉强度的提高幅度也随钢纤维掺量的提高呈增长的趋势.这表明钢纤维对沥青混凝土的弯拉强度具有显著增强效果.这是由于钢纤维加入后，三维随机分布于沥青混凝土基体中数量较多的钢纤维能形成空间网络结构，这种由纤维和沥青胶浆形成的网络结构提高了对集料颗粒的环箍力，增加了沥青与矿料之间的黏结强度，并能有效限制集料颗粒的空间滑移.在荷载作用下，网络结构能阻止裂缝的形成，通过微筋作用有效传递应力;微裂缝形成后，桥架于裂缝间的钢纤维仍能继续承担荷载;钢纤维掺量越高，空间网络结构越牢固，加筋增强效果越好.同时，钢纤维是一种高弹性模量纤维，具有类似骨料的作用，不但能传递荷载，还能直接承担荷载，因此掺入钢纤维可使沥青混凝土基体的弯拉强度得到明显提高.

图6 不同钢纤维掺量对弯曲强度的影响

在脆化点以下温度条件时(－40～0℃)，不同掺量的钢纤维对沥青混凝土弯曲破坏强度提高幅度及3种钢纤维掺量对弯曲强度增强幅度均值随温度的变化规律如图7所示.

图7 不同温度下钢纤维对弯曲强度增幅的影响

理论上讲，由于钢纤维和沥青的物理性质不同，尤其在温度收缩系数上差异较大，通常钢纤维的温缩系数比沥青的要小，这样随着温度的降低，沥青胶浆基体对钢纤维的环箍力增大，使钢纤维－沥青胶浆的界面黏结力更高，在外力作用下裂缝形成后，钢纤维的脱黏、拔出及拉断就需要增加更多的外力.从而，钢纤维对沥青混凝土弯曲破坏强度的提高幅度应随温度的降低而提高.但从试验结果来看，并未出现这种现象.3种掺量钢纤维对弯曲强度增幅均值虽呈现一定的波动(－20℃出现峰值现象)，但峰值前后弯曲强度增大幅值几乎相等.因此，温度对钢纤维的增强效果无明显影响.可以认为，在低于脆化点温度条件下，不同掺量的钢纤维对弯拉强度的提高幅度趋于稳定，且钢纤维对弯曲抗拉强度提高幅度随钢纤维掺量增大而增大.

在缺乏试验数据的条件下，为便于实际工程应用参考，通过对试验结果的统计分析，在本试验的温度条件和钢纤维掺量范围内，建立考虑温度条件及钢纤维影响的沥青混凝土的弯拉强度预估模型.

在温度为－40～0℃，钢纤维掺量为0% ～3%时，钢纤维沥青混凝土的弯曲强度模型为

式中:T为试验温度，－40℃≤T≤0℃;ρSF为钢纤维的掺量，1%≤ρSF≤3%.

2.3 钢纤维对水稳定性的影响

不同钢纤维掺量的沥青混凝土冻融劈裂试验结果见表6.

表6 冻融劈裂试验结果 %

冻融劈裂试验是评价沥青混合料水稳定性最严苛的方法，要求试件要遭受冻融循环的环境模拟过程，致使有时设计的沥青混合料即使能满足规范规定的浸水马歇尔试验指标的要求，却满足不了冻融劈裂抗拉强度比的要求.由表6可知，无论是普通的密级配沥青混凝土AC－13，还是掺入不同掺量钢纤维的密级配沥青混凝土，冻融劈裂强度比均高于规范规定的要求值(75%).

沥青路面产生水损害破坏的原因是水分穿过包裹在集料周围的沥青膜上的裂缝进入沥青膜和集料的界面之间和集料内部，一般情况下，由于水分与集料间的表面张力大于沥青与集料间的表面张力，黏附于集料表面的沥青膜会逐渐被水分所置换，导致沥青膜从集料表面脱落，造成集料颗粒的松散、掉粒，进而形成较大的坑槽等现象.沥青膜上裂缝的形成主要有两个原因:一是施工过程中集料表面未完全被沥青结合料包裹形成的原生缺陷，二是低温或反复的温度升降循环使沥青混凝土内部产生的温度缩裂裂缝.产生第一种裂缝的概率相对较小，多数裂缝由温度循环产生.而温度裂缝的大小和数量与沥青的品质和沥青膜厚度密切相关.温度敏感性大的沥青产生温度裂缝的概率也越大，沥青膜厚度越小产生裂缝的概率也越大.本研究中集料均为多孔玄武岩碎石，这种集料表面有丰富的表面纹理构造和较多的开口孔隙，从而集料的比表面积就很大，用这种集料配制的沥青混凝土就需要较高的沥青用量.普通密级配沥青混凝土 AC－13的油石比高达6.81%，远高于用其他类型集料配制的沥青混凝土的沥青用量.因此，形成的集料周围沥青膜的厚度也越大，抗水损害能力就越强.同时，该种玄武岩集料属于碱性集料，呈碱性的集料与沥青中具有表面活性的酸性树脂组分产生较强的物理和化学吸附作用，以及形成结合力很强的化学键作用，从而使沥青膜能牢固地黏附在粒料表面而不剥落.由试验结果可见，由于钢纤维掺量越高，沥青混凝土的油石比也越高，冻融劈裂抗拉强度比与油石比显示了较好的正线性相关性，如图8所示.

图8 油石比增量对冻融劈裂抗拉强度比的影响

前面提到，沥青混凝土中掺入的钢纤维可被当作一种特殊的集料.钢纤维表面也具有一定的纹理构造，能形成一定的比表面积，具有一定的吸附和稳定沥青的能力，使裹覆矿料的沥青膜厚度增厚，更不易被水浸蚀渗透，由钢纤维和沥青胶浆形成的空间网络结构裹覆在矿料周围，使矿料间形成了更加稳固密实的整体，能承受更大的冻胀外力作用.同等条件下，如本文中沥青混凝土试件和钢纤维沥青混凝土试件在相同的空隙率条件下经受冻融循环作用，承受空隙中因水的冻融循环产生的相同冻胀压力，但钢纤维沥青混凝土显示更高的冻融劈拉强度和冻融劈裂抗拉强度比.由试验结果还可看出，随着钢纤维掺量的提高，沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比也呈良好的线性提高趋势，如图9所示.

图9 钢纤维掺量对冻融劈裂抗拉强度比的影响

由以上分析可见，在影响沥青混凝土水稳定性方面，沥青用量和钢纤维掺量是两个重要因素，二者与沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比均呈良好的线性关系.由于钢纤维掺量与相应油石比的增加量之间存在一最佳比值，不妨将钢纤维掺量和相应油石比增加量作为一个统一的影响沥青混凝土水稳定性的综合参数，定义为钢纤维沥青胶浆增量，计作ΔPSFA.图10反映了钢纤维沥青胶浆增量对沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度比的影响.显然，冻融劈裂抗拉强度比TSR随钢纤维沥青胶浆增量ΔPSFA的提高也呈线性增长.

图10 钢纤维和沥青胶浆增量对冻融劈裂抗拉强度比的影响

因此，在文中试验的条件下，可建立考虑钢纤维及相应沥青增加量影响的密级配沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度比的经验模型为

式中:TSRSF为钢纤维沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比;TSRAC为普通密级配沥青混凝土的冻融劈裂抗拉强度比;ΔPSFA为钢纤维和沥青胶浆增量.

3 结语

通过对不同钢纤维掺量的密级配沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性能的系列试验研究，可得到以下结论.

1)钢纤维对沥青混凝土高温稳定性的改善效果还受其他因素的制约，尤其受沥青含量的制约.纤维的掺量必须和沥青增加量相匹配，否则起不到应有的增强和稳定沥青的效果.

2)在进行纤维沥青混凝土的配合比设计时，必须找准最佳沥青用量.

3)由试验结果可建立考虑钢纤维和沥青含量综合影响的动稳定度预估模型.

4)根据弯曲强度－温度变化曲线，可划分密级配沥青混凝土的破坏特征区域.

5)弯曲强度－温度曲线上强度峰值点对应的温度可认为是沥青混凝土的脆化点温度.研究脆化点以下低温区域的抗弯拉强度具有更实际的意义.

6)随着钢纤维掺量的提高，抗弯拉强度的提高幅度也呈增长的趋势.

7)温度对钢纤维的增强效果无明显影响.低于脆化点以下温度，不同掺量的钢纤维对弯拉强度的提高幅度趋于稳定.

8)在本试验的温度条件和钢纤维掺量范围内，可建立考虑温度及钢纤维影响的沥青混凝土的弯拉强度预估模型.

9)玄武岩碎石配制的各种钢纤维掺量的密级配沥青混凝土冻融劈裂强度比均高于规范规定值.

10)冻融劈裂抗拉强度比与油石比和钢纤维掺量均显示了较好的正线性相关性.

11)冻融劈裂抗拉强度比随钢纤维沥青胶浆增量的提高也呈线性增长，据此可建立考虑钢纤维及相应沥青增加量影响的密级配沥青混凝土冻融劈裂抗拉强度比的经验模型.

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