纤维沥青混凝土在路面工程中的应用研究

摘要：随着中国经济的大跨步发展，整个交通行业也面临着巨大的挑战，主要是路面的病害问题比较严重，因此掺加纤维等来改善沥青混合料的路用性能。文章探讨了纤维沥青混凝土在路面工程中的应用，旨在为纤维沥青混凝土相关的研究提供有益的借鉴。

关键词：沥青混凝土；路面工程；公路建设；纤维

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）02-0055-03

1 概述

到2011年底，我国高速公路总里程达8.5万公里。新增公路通车里程达到7.14万公里，其中高速公路1.10万公里，新改建农村公路19万公里。沥青混凝土路面由于具有非常多的优点，在高等级路面中都得到了应用，比例达到了95%以上。

当前，中国的公路交通也面临着一些实际的问题，需要接受一定的挑战。在实际的路面建设过程中，沥青混凝土的应用还有很多问题需要解决，例如许多技术和质量问题，主要是路面破损严重、路面使用寿命短等，由于受到车辆多、车速快、车辆重载等因素的影响，这些情况更容易产生。如何解决上述问题，改善沥青路面的路况和质量、增加沥青路面的使用期限、提高投资的效益是亟待解决的重要问题。

2 纤维沥青混凝土国内外研究现状

中国在研究纤维沥青混合料起步相对比国外发达国家要晚，到了20世纪90年代才有人关注此类研究。陈华鑫主要进行了沥青混合料的室内试验研究，这里使用的沥青混合料是由6种纤维和3种矿料级配组成的。他的论文全面分析了纤维对沥青混合料路用性能的影响。在此基础之上，他又结合复合材料理论和界面化学的相关知识，较系统地讨论了纤维对沥青混合料路用性能的改善作用机理。对纤维沥青混合料进行马歇尔试验研究，得出了纤维沥青混合料马歇尔试验指标的变化规律。侯金成的研究结果表明，沥青混凝土面层的静、动态蠕变变形对路表面最大弯沉有很大影响，纤维加入到沥青路面后，能够明显改善路面抵抗变形的能力。结果表明，不同种类的纤维在沥青混合料中对应着不同的最佳掺量。在该用量下，混合料表现出较高的低温弯拉强度和弯曲应变，对应的低温劲度模量也处于适宜状态。

纤维的可承受的应力发生在路面的表面层，进行了马歇尔稳定性试验，测定了样品的使用的聚集体的最佳沥青含量值。结果表明，所确定的最佳的沥青含量（5.5%），三个试样的一系列不同的纤维率（0%、0.25%、0.50%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%的每一个、2.5%），制备和纤率的最佳值，在稳定性最好值的结果被确定为0.75%。试验分析了沥青混合料对石棉纤维改性沥青的影响，并进行了包括弹性模量、低温度的直接拉伸、车辙性和耐疲劳性等的测试。首先表明，纤维改性混合物的空隙与未改性的沥青和两个弹性体改性混合物相比，同时保持最高的百分比。对专有的混合材料改性粘合剂进行了评价。一个未修改的混合物用作对照样品。测试程序包括马歇尔稳定性、间接拉伸强度（IDT）、湿气损坏易感性、冷冻/解冻的敏感性、弹性模量和反复负载变形。含有聚丙烯纤维的混合物中发现有较高的拉伸强度和抗开裂。没有纤维改性的混合物表明耐湿气诱导，冷冻/解冻损坏。纤维改性混合物在剥离潜在未见改善。IDT结果预测，控制和聚丙烯混合物的热裂解，而聚酯纤维和聚合物的混合物不会有问题。中温度范围的弹性模量试验表明，聚丙烯纤维改性混合物是硬的，而高温弹性模量测试测量所有混合物在控制刚度增加。只有聚丙烯改性样品被发现可以减少车辙潜力的重复荷载变形测试。复合体中均匀分布的纤维混合物是混合料性能的关键。从实验室测试得出的结论，纤维改性混合物略硬并表明提高了疲劳寿命。聚丙烯纤维所遇到的最大的问题是由于纤维的熔点低的热沥青粘合剂的固有的不符合。普通沥青粘结剂和纤维的混合物是间接拉伸强度最高的。但是，变量统计分析证明，蠕变模量和回收效率较好的混合物含有纤维和普通的粘合剂，而不是纤维和聚合物改性剂。研究的结论是SMA与纤维素纤维没有显著提高，是在两个组合的基础上进行的测试。笔者认为，纤维分布可能已经造成了有限的改善。

3 纤维在路面沥青混凝土施用中的优点分析

3.1 纤维对沥青混合料抗疲劳性能的改善

疲劳破坏的过程，首先是在结构的某个部位开始产生微小裂纹，裂纹的起点为疲劳源。对沥青混凝土结构来讲，荷载、温度及内部不均匀结点的存在是裂纹产生的主要因素。

当混合料受荷载作用时，裂纹尖端发生应力集中，裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时，出现失稳扩展，产生较大的裂缝直至断裂破坏。由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展，延长了材料失稳扩展、断裂出现的时间，因而复合的混合料的抗疲劳性能得到明显改善。

另外，纤维的拔出需要额外的能量，建立新表面时应力的重新分布等也需要消耗能量，这就对复合体产生了增韧效应，从而增强了混合料（复合体）的抗疲劳能力。进行了纤维改性的沥青混合料与普通沥青混合料的疲劳试验后，以作对比。结果表明在同样180×1－5应变、10℃、25Hz条件下，掺加纤维的沥青混合料的疲劳寿命几乎是普通沥青混合料的100倍。可见，纤维加入对沥青混合料抗疲劳性能的改善是明显的。

另外，由于纤维有良好的耐磨阻特性，基质纤维可复合成涂覆集料的保护层。较低温度下，纤维增韧的纤维沥青胶浆对集料颗粒粘裹力增大，使整体不易松散。开裂后的路面也会由于纤维的牵连而不致破碎散失，不会出现大的坑洼，这对行车安全舒适、对路面的易于修补都具有实际意义。

3.2 纤维-沥青之间界面结构的作用

纤维一般有相当大的表面积，每克纤维的表面积可达数平方米以上。纤维分散到沥青中，其巨大的表面积成为可使沥青浸润的界面，在此界面上纤维可以吸附大量的沥青，形成有一定厚度的、一个新形成的相，称为界面层。

界面层的结构与性质取决于沥青与纤维两相的性质，界面层的作用是连接两相并传递、缓冲两相间的应力，是影响整个纤维沥青材料物理、力学性能的关键。纤维与沥青之间的界面层是一个至少为几个分子层厚的区域，其性质取决于纤维的分子排列、化学性质以及沥青的分子结构和化学组成，故不同的纤维对应着不同性质的界面层。

3.3 沥青混合料中纤维阻滞裂纹的作用

纤维对沥青胶结料基体裂纹的阻滞作用，大大提高了沥青混合料裂纹的自愈能力，增强了弹性恢复，减少了路面裂缝的出现，从而推迟了沥青路面的老化与破坏。我们在公路上做了3种不同改性剂的试验路段，几年的寒暑交替和荷载作用后，以细粒式沥青面层裂缝率为100%计：双层SBS改性路面结构裂缝率为50%～100%，而底层为纤维改性、面层为纤维与SBS综合改性的路段；裂缝率仅为5%。

4 结语

综上所述，纤维沥青混凝土与普通沥青混凝土相比，其各方面性能都有较好的改善，在沥青混合料中添加适当的纤维后，能明显提高沥青混合料的路用性能。可以使沥青混凝土路面的使用寿命得到有效延长，纤维增强沥青混凝土将有更广的使用空间。纤维增强沥青混凝土研究已经取得了丰硕的成果，但是就目前研究状况而言，还存在一些问题没有很好地解决，因此，研究人员要充分认识到这些问题，不断努力创新，为纤维增强沥青混凝土的应用和发展起到促进作用。

参考文献

[1] 李松．纤维沥青混凝土的应用研究[D]．河北工业大学，2011.

[2] 岳红波，吴少鹏，叶群山．纤维增强沥青混凝土的应用及研究进展[J]．广东建材，2007，（11）：29-32．

[3] Simpson，Amy L，Mahboub C．Case study of modified bituminous mixtures：somerset，kentucky．Proceedings of the third materials engineering conference，ASCE，1994：88-96．

[4] Chen P，Chung D，Fu X．Micro structural and mechanical effects of latex，methylcellulose and silica fume on carbon fiber reinforced cement．ACI Mater J ，1997，94（2）：147-155.

[5] Yao W，Li J，Wu K．Mechanical properties of hybrid fiber-reinforced concrete at low fiber volume fraction．Cem Concr Res，2003，33（1）：27-30．

[6] 惠少卿．纤维沥青混凝土施工工艺[J]．黑龙江交通科技，2007，33（4）：53-54．

作者简介：孔国军（1973-），男，江苏丹阳人，南京东部路桥工程有限公司工程师，研究方向：路面工程技术。

（责任编辑：周 琼）