纤维沥青混合料增强机理及路用性能研究

李树军

(太原市城市规划设计研究院　山西　030002)

纤维沥青混合料增强机理及路用性能研究

李树军

(太原市城市规划设计研究院山西030002)

摘要纤维直径小，比表面积大，在沥青混合料中能够起到吸附、稳定和“加筋”等作用。选用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3种混合料进行室内试验研究，结果表明，添加0.3%的纤维后，混合料的动稳定度提升均超过20%，浸水马歇尔残留稳定度与冻融劈裂强度比均超过90%；路用性能优劣次序为SMA-13>AC-13>OGFC-13，且纤维对密级配混合料性能的改善效果更好。

关键词道路工程沥青混合料纤维路用性能

国内外对纤维沥青混合料进行了大量研究，但大多仅局限于一种混合料的研究，并没有从多种混合料进行对比分析，本文介绍纤维在沥青混合料中的作用机理，并选用木质素纤维及AC-13，SMA-13，OGFC-13进行室内试验，研究纤维混合料的高温、低温及水稳性能，为以后的工程实践提供参考依据。

1纤维作用机理分析

纤维添加到沥青混合料中能够起到吸附、稳定和“加筋”等作用，从改善混合料的路用性能[4-5]。

(1) 吸附作用。由于纤维具有极小的直径和较大的比表面积，因此将纤维添加到沥青中，二者相互融合能够形成巨大的浸润界面，并吸附大量沥青在表面形成一定厚度的界面层。纤维的物理化学性质与沥青的化学组成是影响纤维沥青混合料力学性能的关键因素。由于沥青是一种弱酸性物质，会对纤维表面产生较强的吸附、物理浸润以及化学键作用，使得沥青分子规律性地排列在纤维表面，形成一层具有牢固结合力的“结构沥青”。研究表明，与自由沥青相比，“结构沥青”具有粘度大、温度敏感性低、高温性能好等特点，同时能够增厚混合料集料表面的沥青膜厚度，有效降低混合料孔隙率，延长使用寿命，达到改善混合料的高温、低温性能的目的。

(2) 稳定作用。由于纤维直径非常小，在沥青中以三维的形式随机分布，从而在沥青基体中形成大量纵横交错的纤维空间网状结构，沥青吸附在纤维上形成纵横交错的结构沥青网，从而大大提高结构沥青的比例，最终达到有效增强沥青粘性，提高混合料的韧性及高温性能。由于纤维良好的稳定作用，因此可以选用标号较低的沥青拌制混合料，从而能够有效防治反射裂缝，提高混合料低温性能。

(3) “加筋”作用。纤维在沥青混凝土中呈三维随机分布且数量众多，在沥青混合料中形成空间网络结构，沥青混合料承受的载荷可通过纤维沥青界面传递给纤维。由于增强纤维的高模量、高抗拉强度特点，在沥青混合料中起到类似于钢筋的加强作用，改善混合料使用性能。

2纤维沥青混合料路用性能研究

为了研究纤维对沥青混合料路用性能的改善效果，因此通过室内试验对纤维沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能进行研究。

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2.1　原材料

(1) 纤维。选用木质素纤维，它是一种植物纤维，通常为浅绿色或灰色絮状结构，如图1所示，具有良好的高温、化学稳定性，以及耐化学腐蚀性。木质素纤维主要技术指标见表1。

图1　木质素纤维

纤维类型平均直径/mm长度/mm熔融温度/℃木质素纤维0.045<5.0,平均值1.1250

(2) 沥青。沥青选用中海70号基质沥青，技术指标见表2。

表2　基质沥青技术指标

(3) 混合料。进行沥青混合料配合比设计时，粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩，矿粉由石灰岩制备而成，其中混合料类型选用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3种混合料类型，根据工程经验[6]，木质素纤维掺量选用0.3%(外掺法)。混合料体积指标检测结果见表3。

表3　沥青混合料技术指标检测结果

由表3可见，添加纤维后沥青混合料的最佳油石比和稳定度均增大，除SMA-13孔隙率保持不变外，其余2种混合料的孔隙率均减小。这主要是木质素纤维具有较大的比表面积，表面能够吸附大量的沥青，从而也增大结构沥青数量，提高混合料的强度。

2.2　高温性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[7]中车辙试验的规定，采用上述级配及油石比制备30 cm×30 cm×5 cm的车辙板试件，在60 ℃温度条件下进行车辙试验，利用最终车辙深度和动稳定度指标评价纤维添加剂对混合料高温性能的影响。通过车辙试验仪，记录规定时间间隔内沥青混合料的竖向变形量，并利用式(1)算出其动稳定度。

(1)

式中：DS为动稳定度指标，次/mm；d1为t1为时刻沥青混合料的竖向变形量(t1通常取45 min)，mm；d2为t2为时刻沥青混合料的竖向变形量(t2通常取60 min)，mm；N为橡胶轮胎往返碾压速率，规范取42次/min;C1为试验机修正系数，此时取1.0；C2为试件系数，当试件宽度为30 cm时取1.0。

车辙试验结果及动稳定度计算结果见表4。

动稳定度变化情况见图2。

表4　车辙试验结果

图2　动稳定度柱状图

由表2中可见，添加0.3%纤维后，3种沥青混合料t1和t2时刻的车辙深度均减小，动稳定增加。这主要是由于纤维添加到混合料中能够形成网状结构，起到加筋与增韧作用；同时表面吸附形成大量的结构沥青，提高沥青对集料的粘结性能，从而提高混合料的高温性能。AC-13，SMA-13和OGFC-13的动稳定度依次提高了50.4%，33.0%和22.0%，这主要因为密级配细集料较多，网状纤维结构和结构沥青对细集料的裹附、加筋效果要优于粗集料；而SMA-13本来具有良好的骨架结构，力学性能良好，因此提升效果次之；而OGFC-13空隙较大，粗集料较多，纤维和结构沥青的加筋、增韧效果最差，因此动稳定度提升效果最差。

2.3　低温性能

根据规范[6]中3点低温小梁弯曲试验的规定，采用上述级配及油石比，通过轮碾法制备30 cm×30 cm×5 cm的车辙板，然后切割成长250 mm±2.0 mm、宽30 mm±2.0 mm、高35 mm±2.0 mm的长方体小梁试件。将小梁放在-10 ℃的恒温箱中保温4 h后，利用MTS试验机，以50 mm/min的加载速率进行3点低温小梁弯曲试验。利用弯曲破坏应变εB、弯曲破坏强度RB、劲度模量SB指标评价混合料的低温性能，可利用式(2)~(4)计算。

(2)

(3)

(4)

式中：b为小梁试件跨中截面宽度，mm；h为小梁试件跨中截面高度，mm；L为小梁试件跨径，mm；PB为小梁试件的破坏荷载，N；d为小梁试件跨中破坏挠度，mm。

试验结果见表5。

表5　低温弯曲试验结果

由表5可见，添加纤维后沥青混合料3点低温弯曲试验的破坏应变和破坏强度均增大，破坏时的劲度模量减小。其中添加纤维前、后混合料的破坏强度与劲度模量优劣次序为：SMA-13>AC-13>OGFC-13，这主要是因为混合料的空隙越大、粗集料越多，其内部结构就越不均匀，则越容易出现裂缝；而3种混合料中，OGFC-13的孔隙率最大，SMA具有最好的骨架结构。同时也说明在沥青混合料中添加纤维能够有效改善其低温性能，能显著提高沥青路面的抗裂性能，延长沥青路面使用寿命。

2.4　水稳定性能

根据规范[6]，采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，研究纤维沥青混合料的水稳定性能。为研究纤维的增强效果，选取纤维掺量为0和0.3%做对比。

(1) 浸水马歇尔试验。成型双面各击实75次的标准马歇尔试件，一组放入60 ℃的水浴中恒温48 h，另一组放入60 ℃水浴中恒温30 min，取出后立即测试其稳定度，并利用式(5)计算浸水残留稳定度。试验结果见表6。

(5)

式中：MS0为浸水马歇尔残留稳定度，%；MS1为浸水马歇尔稳定度，kN。

表6　浸水马歇尔试验结果

由表6可见，添加纤维后沥青混合料的标准稳定度、浸水马歇尔稳定度、浸水残留稳定度都增大，且都在90%以上，说明纤维沥青混合料具有良好的水稳定性能。

(2) 冻融劈裂试验。根据设计级配及油石比，成型双面各击实50次和75次的A、B 2组马歇尔试件，A组试件经过20 min抽真空后放入(-18±1) ℃恒温箱中恒温(16±1) h，再放入60 ℃水浴恒温24 h，最后在25 ℃水浴中恒温2 h进行劈裂试验；B组经25 ℃水浴恒温2 h后直接进行劈裂试验，利用式(6)计算冻融劈裂强度比TSR，试验结果见表7。

(6)

式中：RT1为未冻融试件劈裂强度，MPa；RT2为冻融试件劈裂强度，MPa。

表7　冻融劈裂试验结果

由表7可见，添加纤维后沥青混合料的未冻融劈裂强度RT1、冻融劈裂强度RT2、冻融劈裂强度比TSR都增大，且RT2都超过0.9 MPa，TSR都在90%以上，说明纤维沥青混合料具有良好的水稳定性能。

浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验说明纤维的添加能够有效改善沥青混合料的水温性能。

3工程应用

采用3种试验配合比、0.3%掺量的纤维沥青混合料铺筑试验段，并检测试验段的压实度、抗滑摆值、构造深度、渗水系数，检测结果见表8。

表8　检测结果

由表8可见，3种纤维沥青混合料试验段的压实度、抗滑摆值、构造深度和渗水系数都能够满足规范要求，这说明纤维沥青混合料具有良好压实性能，并能够维持普通混合料的原有路表构造及抗滑性能，适用于铺筑公路沥青路面。

4结语

纤维具有极小的直径和较大的比表面积，添加到沥青混合料中能够形成空间网状结构，并在其表面形成结构沥青，起到吸附、稳定和“加筋”等作用，改善混合料的路用性能。室内试验研究表明，添加0.3%的纤维能够有效提高沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳性能，且纤维对密级配混合料路用性能具有更好的改善效果，实际工程中纤维沥青混凝土路面的压实度和路表性能都能够满足要求，适用于铺筑公路沥青路面。

参考文献

[1]吴帮伟.玄武岩纤维增强沥青混合料性能试验研究[D].扬州：扬州大学,2013.

[2]王建刚.纤维长度对沥青混合料疲劳性能影响分析[J].山西交通科技,2010(5):28-29.

[3]潘旭辉.纤维沥青混凝土应用技术研究[J].交通科技,2011(S2):35-37.

[4]封基良.纤维沥青混合料增强机理及其性能研究[D].南京：东南大学,2006.

[5]周超，范文东，经冠举.改善沥青路面低温性能措施方法对比研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2013(3)：630-633.

[6]彭波.木质素纤维在沥青混合料中的应用[J]. 西安建筑科技大学学报：自然科学版,2005(1):104-107.

[7]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

Research on Reinforcement Mechanism and Road Performance of Fiber Asphalt Mixture

LiShujun

(Taiyuan Urban Planning and Design Research Institute, Taiyuan 030002, China)

Abstract：The fiber can play an role of adsorption, stability and "reinforced", its diameter is small and the surface area is large;. AC-13, SMA-13 and OGFC-13 were selected in the laboratory study. The results showed dynamic stability was improved more than 20%, marshall immersion residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio were larger than 90% when 0.3% fiber was put into asphalt mixture. The merits order of road performance was SMA-13> AC-13> OGFC-13. The fiber could improve the performance of dense graded mixture.

Key words:road engineering; asphalt mixture; fibers; road performance