不同类型纤维SMA－13力学性能研究

邵 曼，刘馥铭

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008)

0 引言

纤维材料具有良好的分散性，不但能在沥青中起到“加筋”的作用，而且对沥青粘附作用有一定的影响［1］。由于纤维材料对沥青混合料韧性和强度有显著的改善作用，使得纤维沥青混合料的路用性能也会优于普通沥青混合料，因此，纤维沥青混合料的力学性能研究一直倍受关注。

Lin Kueiyi，Bradley J.Ptu-man［2，3］就聚酯纤维和聚丙烯纤维做了大量的研究，取得了具有一定实践指导意义的成果，并认为聚酯纤维和聚丙烯纤腈纤维对沥青混合料路用性能具有一定的影响。丁智勇等［1］进行了纤维沥青混合料性能试验研究，认为聚合物纤维对沥青混合料性能改善明显。近年来道路工程中常用的聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维都没有很好的解决纤维不耐高温、强度不足等缺点。怎样在满足沥青混合料生产条件和路用性能的前提下找到一种合适的纤维材料具有重要的工程意义。因此，本次将对不同掺量的聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维和玻璃纤维沥青混合料采取冻融劈裂、车辙、水稳定性、三轴剪切试验进行性能分析研究，确定不同纤维沥青混合料的性能指标，优化纤维沥青混合料路用纤维的甄选。

1 纤维沥青砼

1.1 纤维技术指标

纤维材料的基本技术指标见表1。

表1 玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维技术指标

1.2 沥青混合料组成

沥青、纤维稳定剂、矿粉和细集料填充不连续的粗集料级配骨架间隙组成的沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)。它是由足够的沥青结合料和具有相当劲度的沥青玛蹄脂胶浆填充在粗集料形成的石—石嵌挤结构的空隙中形成的。通常采用内参法计量改性剂的用量。为了更好的发挥SMA 的性能此次研究选用壳牌 SBS 改性沥青(符合 JTG F40 —2004 规范)。集料为工程中常用的闪长岩石料、石灰岩矿粉［4］。

2 低温弯曲试验

试验条件:试验温度－10 ℃的条件下，以50 mm/min 的速度，对不同纤维 SMA —13 小梁试件跨中施加集中荷载直至破坏，得到最大弯拉应变值，结果见图1。

图1 不同纤维砼最大弯拉应变关系

从图1可看出，纤维SMA—13 低温下的抗裂性都有不同程度的提高，其中玻璃纤维SMA —13 抗裂性能改善较为明显。分析原因有:首先，沥青用量的增加对 SMA—13 抗裂性有提高;其次，SMA—13 是一种多级三维网状结构的分散系:粗集料、细集料、填料分散相分别分散在沥青砂浆、沥青胶浆、高稠度沥青的不同介质中。沥青胶浆是整个三维网状结构最重要的部分，能够决定SMA —13 高温稳定性和低温稳定性。小梁试件破坏过程中试件的某些部位会首先产生裂纹，形状的突变导致这些部位应力集中，裂纹不断发展，当其达到临界值时就会出现裂缝直至破坏，基于纤维材料的“加筋”作用以及纤维对沥青良好的粘附性，在这个多级空间网状结构分散系中，随机分布的纤维阻滞裂纹的发育，延迟试件的破坏。由于玻璃纤维模量最高，同等纤维掺量条件下玻璃纤维SMA—13 抗裂性能优于其它纤维SMA—13。

3 车辙试验

车辙试验严格按照规范［5］要求进行试验，得到图2试验结果，从图2看出纤维 SMA —13 抗车辙性有不同程度的提高。分析其原因，一方面，纤维SMA—13 中纤维的吸附作用，沥青用量增加，沥青质增多，沥青胶浆粘结力增强。当矿料颗粒表面结构沥青达到临界厚度值δ 时，自由沥青增多，沥青胶浆的粘结力反而会下降，抗车辙性能下降。另一方面SMA—13 多级空间网状结构分散系中随机分撒的纤维对集料颗粒起到一定的束缚和阻碍作用，尤其是纤维强度较高，长细比较大的材料作用更加明显。

下面以动稳定度指标比较高温稳定性:

图2 车辙动稳定度与纤维掺量的关系

可以看出随着纤维参量增加SMA—13 稳定度均有提高，SMA —13 稳定度提高快慢程度依次是玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维;当纤维掺量增加到0.4%左右时不同纤维SMA—13 稳定度均达到最高值。

1)玻璃纤维对稳定度的影响。

玻璃纤维掺量0.2%时提高了40%的动稳定度，纤维掺量0.4%时稳定度提高了71.5%。介于玻璃纤维的耐高温，玻璃纤维在300 ℃以内它的基本性能不会发生变化。高强度、长细比较大所以玻璃纤维“加筋”作用明显，SMA —13 颗粒受外力滑移前必须要先对玻璃纤维网进行破坏，这个过程中需要吸收较大的应力，所以提高SMA—13 高温稳定性。

2)聚酯纤维、聚丙烯腈纤维对稳定度的影响。

聚酯纤维、聚丙烯腈纤维都是聚合物纤维，它们对SMA—13 稳定度的提高较明显。纤维材料与沥青吸附作用不仅仅与沥青材料性质有关，而且与纤维材料的性质有关。研究表明沥青对碱性材料有较好的化学吸附作用，聚合物纤维材料它对石油吸附作用较强一些，相当于沥青质增多;结构沥青增多，粘结力增强。聚合物纤维长细比较大、模量高有较好的“加筋”作用，对混合料中骨料滑移有制约作用，所以提高了SMA—13 高温稳定性。

3)木质纤维对稳定度的影响。

木质纤维是一种是天然可再生木材经过化学处理、机械法加工得到的有机絮状纤维物质。木质纤维作为一种有机物材料对沥青的化学吸附作用最强，沥青量的增加使得结构沥青增多但并没有明显改善SMA—13 的高温稳定性。木质纤维技术指标没有聚合物纤维、玻璃纤维的好，“加筋”作用不明显。木质纤维对稳定度提高不明显，对SMA —13 高温稳定性没有较好的改善。

4)纤维最佳掺量。

纤维掺量在一定范围内对SMA—13 性能的影响成正相关性。兼顾考虑其它指标(纤维种类、空隙率、沥青含量)的变化对SMA—13 性能的影响。纤维掺量增加油石比提高明显，混合料中沥青量增多，自由沥青随之增加，沥青胶浆的粘结力下降，这样木质纤维吸附稳定作用会被抵消，所以木质纤维掺量增加对稳定度没有较大的影响。木质纤维对SMA—13改善主要取决于对石油沥青吸附稳定作用，木质纤维掺量过大有损SMA—13 的性能。见图3。

图3 最佳油石比与纤维掺量的关系

4 冻融劈裂试验及分析结果

根据上述低温弯曲试验和车辙试验，本次选择0.4%最佳纤维掺量进行冻融劈裂试验，试验结果见表2。

表2 不同SMA—13 冻融劈裂试验结果

从表2可见，SMA —13 的冻融劈裂强度不同程度得到提高。结合图4看出，纤维SMA —13 试件随着纤维掺量的增加空隙率提高，而空隙率的增加，使试件空隙水的冻胀应力破坏明显，冻融劈裂强度显著减弱。部分试件在试验中冻融劈裂强度比没加纤维试件的冻融劈裂强度还要低。玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维长细比较大、模量较高“加筋”作用强，且其表面积较大对石油沥青有一定的吸附作用，在一定掺量范围内对 SMA —13 性能改善明显。但是掺量过多时空隙率增大，冻融劈裂强度下降，抵消部分加筋作用。纤维掺量过大还会导致分散不均，也会影响SMA—13 性能。因此，实际应用中要控制好纤维掺量。

水稳定性关键因素就是沥青混合料中碎石与沥青粘结作用。试验发现沥青的粘附性不仅与材料化学性质有关，还与材料物理特征有很大关系，纤维材料巨大的表面积和纤维对沥青较好的粘附性致使沥青用量增加;另一方面沥青材料选择性与碱性材料之间产生化学吸附作用且产生较大的粘结力。从图4中可以看出木质纤维材料粘附性最强。

SMA—13 中，沥青与矿粉作用后，沥青有选择性的化学吸附碱性石灰岩矿粉，从而形成一定厚度的扩散溶剂化膜即结构沥青。基于纤维材料良好的粘附性SMA—13 随着沥青用量的增加，结构沥青层慢慢形成，最终将矿粉颗粒包裹，在这一过程中SMA —13 粘结力不断提高。随着沥青用量的增加，结构沥青层增加到一定的厚度直至沥青过剩将颗粒推开形成颗粒间的自由沥青。由于结构沥青膜的作用，水分子难以进入到碎石与沥青的界面上，有效的减少受水作用下沥青膜剥离而产生早期的路面破坏。

图4 空隙率与纤维掺量的关系

5 抗剪强度试验

抗剪强度主要取决于SMA—13 内摩擦角φ 和沥青混合料的粘结力。抗剪强度 τ = c+ σtanφ，对SMA—13 圆柱试件进行三轴剪切试验，按照恒定加载速率施加轴向荷载变形率为0.05 mm/min。根据上述试验结果选择最佳纤维掺量为0.4%，试验温度60 ℃。见表3。

表3 纤维SMA—13 抗剪强度试验结果

以一定荷载(轮压0.7 MPa )作用时，纤维SMA—13 抗剪强度分别是 0.830 MPa(无纤维)、0.960(玻璃纤维)、0.992(聚丙烯腈纤维)、0.976(聚酯纤维)、0.908(木质纤维)。表3可见纤维 SMA—13 内摩擦角减小，粘结力增大。根据沥青混合料强度理论 τ=c+ σtanφ 函数 tanφ单调增函数;的子区间内增长的比较缓慢，内摩擦角变化幅度较小的情况下函数值变化很小。纤维SMA—13 抗剪强度主要取决于粘结力作用，而纤维的粘附性，纤维对SMA—13 约束作用、加筋作用增强了沥青“粘结力”，提高了试件的抗剪强度。

6 结论

1)根据低温弯曲试验，纤维SMA—13 低温抗裂性大小顺序:玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维。

2)高温稳定性大小顺序:玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维。车辙试验中纤维量过大时SMA—13 抗车辙性反而下降，建议在抗剪强度试验中纤维掺量0.4%左右。

3)根据水稳定性分析，得到水稳定大小顺序:玻璃纤维、聚丙烯腈纤维、木质纤维、聚酯纤维。

4)三轴剪切试验中抗剪强度试验结果表明:纤维加入后试件的抗剪强度增加，其中玻璃纤维效果最佳明显。

［1］丁智勇.纤维沥青混合料性能试验分析［J］.公路交通科技，2008，25 (5):9 －12.

［2］Chen Jianshiuh，Lin Kueiyi.Mechanism and Behavior of Bitumen Strength Reinforcement Using Fibers［J］.Journal of Materials Science，2005(40):87－95.

［3］Bradley J.Putman，Serji N.Amir Khanian.Utilization of WasteFibers in Stone Matrix Asphalt Mixtures［J］.Re－sources，Conservation and Recycling，2004(42):265－274.

［4］JTG/F40 －2004，公路沥青路面施工设计规范［S］.

［5］JTJ 052 －2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.