聚酯纤维掺量对透水性沥青混合料水稳性影响＊

吴金荣 纪方利 马芹永

（安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心 淮南 232001）

0 引 言

透水性沥青混合料在雨天能够及时排除路表面积水.排水时，水的流动会产生很大的动水压力和冲刷力，破坏了沥青与集料间的粘结性［1］，同时在长期有水的情况下工作，再加上其特有的大空隙结构，使得其更容易受到水的侵蚀而损坏，产生飞散、剥落等病害，进而影响其正常使用.因此，对透水性沥青混合料进行水稳性研究十分必要.

透水性沥青混合料的空隙率一般在20%左右，单独使用改性沥青不能满足使用要求，必须外掺纤维［2］，增大集料的比表面积，使透水层的抗剪切能力得到增强，防止透水性沥青混合料在生产、运输和铺筑过程中发生流淌现象，同时能够增大沥青膜厚，使其强度和耐久性得到增强.采用改性沥青加纤维替代昂贵的高黏度改性沥青，以达到降低透水性沥青路面的造价、节约建设成本，同时又能保证透水性沥青路面使用功能的目的.

以粗细集料、矿粉、改性沥青和聚酯纤维配制透水性沥青混合料，实施6种不同聚酯纤维掺量下的冻融劈裂试验，研究聚酯纤维掺量对其水稳性的影响，并对其水损害的破坏机理进行分析，为透水性沥青路面的推广应用提供理论依据.

1 配合比设计

1.1 原材料

粗细集料均采用石灰岩集料；填料采用石灰岩磨细的矿粉，占集料总质量的4%；沥青采用SBS改性沥青［3］，纤维采用润方路用聚酯纤维.各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40）的规定.

1.2 目标空隙率

透水性沥青路面的目标空隙率与降雨强度紧密相关，表1给出了华东地区的降雨强度，以及空隙率要求［4］.

通过对交通事故的统计调查发现，降雨强度为小雨和中雨时，交通事故的发生率明显高于大雨时的情况，因此透水性沥青路面的空隙率应主要考虑小雨和中雨时的排水要求.由表1可知，此时的空隙率为14.1%～18.6%.透水性沥青路面在使用过程中，灰尘杂物会堵塞空隙，同时经过车辆荷载的反复碾压，空隙率会逐年下降，设计时空隙率一般取上限值.

透水性沥青混合料的空隙率越大，透水性能越好，但是结构强度越低，耐久性越差［5］.反之，透水性沥青混合料的空隙率越小，结构强度越高，耐久性越好，但透水性越差.设计时应综合考虑透水性沥青混合料的功能性和结构性，确定其目标空隙率.综合考虑以上各种因素，透水性沥青混合料的目标空隙率确定为20%左右.

表1 不同降雨强度的空隙率要求

1.3 矿料级配

根据道路等级、交通特点和降雨量，采用细粒式PAC－13型透水性沥青混合料，级配见表2.

表2 矿料级配

1.4 最佳沥青用量

最佳沥青用量的确定分为2步，先选择合理的沥青膜厚，计算出初始沥青用量；然后采用析漏试验确定最佳沥青用量，并用马歇尔试验进行校核.沥青膜厚取14μm［6］，得到初始沥青用量为4.9%.当不掺聚酯纤维时，由析漏试验确定的最佳沥青用量为4.95%；掺加纤维后，纤维掺量每增加0.5%，最佳沥青用量增加0.05%.

2 试验方法

冻融劈裂试验设计的冻融温差为78℃，冻的温度为－18℃，融的温度为60℃.将每种聚酯纤维掺量试件随机的分成2组，每组4个.一组试件放在室温的平台上备用.另一组试件先进行饱水率试验，然后取出试件放入装有10mL水的塑料袋中，扎紧袋口，将试件放入－18℃的恒温冰箱中冷冻（16±1）h；取出试件，撤去塑料袋，立即放入（60±0.5）℃的恒温水槽中，保温24h.最后将两组试件都放入（25±0.5）℃的恒温水槽中保温不少于2h.注意保温时试件之间应留有至少10 mm的间隙.完成上述步骤后即可以50mm／min的加载速率进行劈裂试验，得到用于评价透水性沥青混合料水稳性的冻融劈裂抗拉强度比.

3 试验结果与分析

将粗集料、细集料、改性沥青、矿粉，掺加0，0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%的聚酯纤维按设计级配拌制透水性沥青混合料，采用击实法双面击实50次成型标准马歇尔试件，试件直径为101.6mm，高度为63.5mm.试件按照聚酯纤维掺量的不同分为6组，每组8个试件，其中4个试件用于未冻融劈裂试验，其余4个试件用于冻融劈裂试验.总共48个试件.试验结果均为4个试件的平均值.

3.1 聚酯纤维对饱水率影响

饱水率是衡量沥青混合料试件在规定的真空条件下吸水能力的指标，是试件真空饱水后的表干质量与试件干质量的比值.透水性沥青混合料的饱水率与聚酯纤维掺量的关系见图1.

图1 饱水率与聚酯纤维掺量关系

由图1可知，透水性沥青混合料的饱水率随着聚酯纤维掺量的增大呈现先减小后增大的变化规律.当聚酯纤维掺量由0增大至0.4%时，试件饱水率由2.87%下降至2.12%；当聚酯纤维掺量继续增大并达到0.5%时，饱水率不再下降，而是随着聚酯纤维掺量的增大而增大，由2.12%增大至2.85%，接近于不掺纤维时的饱水率2.87%.掺聚酯纤维的透水性沥青混合料的饱水率均低于不掺聚酯纤维的饱水率，说明掺加聚酯纤维能够减小透水性沥青混合料的饱水率，但并不是聚酯纤维掺加的越多，饱水率就越小.与不掺纤维时相比，其饱水率分别下降了15.0%，15.7%，26.1%，5.2%，0.7%，聚酯纤维掺量小于0.4%的饱水率下降幅度明显高于掺量大于0.4%，在聚酯纤维掺量为0.4%时达到最大的降幅26.1%，此时饱水率也达到最小值2.12%.

3.2 聚酯纤维对劈裂抗拉强度影响

透水性沥青混合料的劈裂抗拉强度与聚酯纤维掺量的关系见图2.

图2 劈裂抗拉强度与聚酯纤维掺量关系

由图2可知，透水性沥青混合料的冻融前后劈裂抗拉强度均随着聚酯纤维掺量的逐渐增大而呈现先增大后减小的变化规律.透水性沥青混合料中掺加的聚酯纤维不是越多越好，而是存在一个最佳掺量，为0.4%，对应的冻融前后劈裂抗拉强度也达到最大值，分别为1.06，1.00MPa.无论聚酯纤维的掺量是多少，透水性沥青混合料冻融前后劈裂抗拉强度均大于不掺纤维.当聚酯纤维掺量分别为0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%时，冻融前劈裂抗拉强度与不掺纤维的0.64MPa相 比，分 别 提 高 了31.3%，62.5%，65.6%，29.7%，26.6%；冻融后劈裂抗拉强度与不掺纤维的 0.36MPa 相 比，分 别 提 高 了102.8%，158.3%，177.8%，63.9%，52.8%.从分析数据可以看出，冻融后劈裂抗拉强度提高的幅度要大于冻融前劈裂抗拉强度，说明掺加聚酯纤维能够提高透水性沥青混合料的劈裂抗拉强度，特别是冻融后劈裂抗拉强度.

3.3 聚酯纤维对冻融劈裂抗拉强度比影响

冻融劈裂抗拉强度比是指进行冻融循环时，沥青混合料试件受到水损害前后劈裂破坏的强度比，用TSR表示，主要用于评价沥青混合料的水稳定性［7］.透水性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比与聚酯纤维掺量的关系见图3.

图3 冻融劈裂抗拉强度比与聚酯纤维掺量关系

由图3可知，透水性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比随着聚酯纤维掺量的增大而呈现先增大后减小的趋势.当聚酯纤维掺量分别为0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%时，其冻融劈裂抗拉强度比分别为86.9%，89.4%，94.3%，71.1%，67.9%，但其增大的幅度明显小于减小的幅度，达到最大冻融劈裂抗拉强度比后，其值下降的较快.与不掺纤维时的冻融劈裂抗拉强度比56.3%相比，其冻融劈裂抗拉强度比分别提高了54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.说明掺加聚酯纤维能够显著提高透水性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比，也就是能够显著提高透水性沥青混合料的水稳性.

4 水稳性破坏机理

透水性沥青混合料中掺加聚酯纤维后，聚酯纤维分散在结构内部，会形成界面层，界面层使聚酯纤维分散在沥青中，其表面积成为浸润沥青的界面，界面上的聚酯纤维能够吸附大量沥青，形成具有一定厚度的新的相，称为“界面层”.界面层上的结构沥青比界面层外的自由沥青粘度大，同时聚酯纤维与沥青一起裹覆在集料表面，增大了沥青膜厚度，这样使聚酯纤维的加筋和桥接作用得到充分发挥，进而使其强度逐渐增大.因此掺加的聚酯纤维越多，结构沥青就越多，沥青膜就越厚，加筋和桥接作用就越强，其强度就越大.但当聚酯纤维掺量超过最佳值0.4%继续增大时，由于聚酯纤维掺加的较多，不能均匀分散，产生结团和缠结，纤维之间的作用力增大，其加筋和桥接作用就不能充分发挥，进而使其强度逐渐减小.聚酯纤维掺量的最佳值为0.4%，冻融前后的劈裂抗拉强度达到最大值，分别为1.06，1.00MPa.只要掺加聚酯纤维，无论是多还是少，均会有部分聚酯纤维起到加筋和桥接作用，使透水性沥青混合料的劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度均高于不掺纤维.水侵入到透水性沥青混合料的界面层是其产生水损害的主要原因.

5 结 论

1）透水性沥青混合料的饱水率随着聚酯纤维掺量的增大而呈现先减小后增大的趋势.掺加纤维的饱水率明显小于不掺纤维，说明掺加聚酯纤维能够降低透水性沥青混合料的吸水能力.

2）透水性沥青混合料冻融前后的劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度比均随着聚酯纤维掺量的增大而呈现先增大后减小的趋势.说明透水性沥青混合料中掺加的聚酯纤维不是越多越好，而是存在最佳掺量，在此次试验中，这个最佳掺量为0.4%，其对应的冻融前后劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度比分别达到最大值1.06MPa，1.00 MPa，94.3%.

3）与不掺纤维时的冻融劈裂抗拉强度比56.3%相比，当聚酯纤维掺量分别为0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%时，其冻融劈裂抗拉强度比分别提高了 54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.说明聚酯纤维掺量是影响透水性沥青混合料水稳性的主要因素，能够明显提高透水性沥青混合料的水稳性.

4）水损害主要原因是水侵入到透水性沥青混合料中的界面层，削弱了沥青与集料的粘结力.

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