纤维沥青混凝土在工程上的性能试验研究

罗欢

摘 要：本文研究了纤维沥青混凝土在工程师的性能试验，介绍了纤维量的影响，沥青混合料高温稳定性试验、水温度试验等内容。

关键词：纤维；沥青；混凝土

随着我国公路交通事业的发展及国民经济的高速发展，道路上交通流量的增大，轴载的加重以及渠化交通等成为现代交通的显著特点，也成为公路发展的必然趋势。这种趋势对路面性能提出了更高的要求，如高速、安全、舒适、耐久等。由于水泥混凝土路面结构与材料耐久性不足或施工与养护质量控制不佳，导致水泥面板容易开裂、断板、错台、沉陷等。为了满足交通运输日益发展的需要，提高道路服务水平，对旧水泥混凝土路面进行加铺改造已经成为我国公路建设面临的一项迫切任务！

1 纤维用量的影响

由于纤维的加入如同矿粉一样，需要有更多沥青包裹在纤维的表面，纤维越多，其总比表面积越大，其表面吸附沥青也越多。但当纤维用量过高时，纤维在沥青混凝土中的分散性将受到限制，会产生结团成束现象，使其总比表面积不增加或增加不大，故混合料的最佳沥青用量也不再增加。 由此可见，纤维的加入并非越多越好，应视其分散性而定。

纤维的相对密度要比矿质集料的小，一般小于1. 49体积较疏松。纤维加入混合料后要占用一定的空间，且纤维有一定的弹性效应，在相同的击（ 压） 实功作用下，纤维沥青混凝土的密实过程相对要困难些，从而使纤维沥青混凝土的密度下降，且纤维用量越高，密度越低。因此，施工中应通过提高压实功能或压实遍数以满足纤维沥青混凝土的压实度要求。正因为纤维沥青混凝土的密度有所下降，纤维要占据一定的空间，密实过程受到一定的限制，使其空隙率有所增大。同时，沥青所占的体积百分比增加，因而矿料间隙率VMA 也将增大。

从复合材料角度看，宏观上纤维沥青混凝土是连续的。但从微观角度看又是不连续且非均质的，因而纤维加入后，往往在其分散性受到限制时，结团成束的纤维会成为混合料中的“强度弱点”，引起强度不均匀，有使混合料强度下降的趋势。 同时，纤维在混合料中又有不同程度的桥接加筋作用，并提高了沥青与矿料间的界面强度，使混合料整体强度有所提高。因此，纤维沥青混凝土的强度值应视其加强与减弱作用的综合情况而定。故在较低用量时，纤维混合料的稳定度增大，但纤维用量太高，分散性下降，强度削弱，反而使混合料的稳定度值降低。

2 沥青混合料的高温稳定性试验

由于沥青混凝土路面的强度和刚度（ 模量）随温度升高而显著下降，为了保证沥青混凝土铺装层在高温季节行车荷载反复作用下，不至于产生诸如波浪推移、 车辙和拥包等病害，铺装层应具有良好的高温稳定性，即在荷载的作用下具有抵抗永久变形的能力。车辙试验因能较好地反映车辙的形成过程，得到世界各国的广泛认可与采用。加入纤维后，沥青混合料的抗车辙性能得到改善。这是因为车辙的形成主要是由于试验初期沥青混合料本身的压密，以及随后沥青混合料的侧向流动变形。加入纤维与未加纤维对混合料的初期压密变形影响不大，但是对后期的侧向流动变形有较大的影响。加入纤维后，纤维吸附及稳定沥青，使沥青的粘稠度和粘聚力增大，同时由于纵横交错的纤维加筋作用，使沥青混合料的整体性、抗剪性及抗车辙能力增强。从动稳定度结果可以看出，纤维可显著改善沥青混合料的高温抗车辙性能。

3.沥青混合料水稳定性试验

沥青混凝土铺装层中若有水分存在， 则在汽车车轮动态荷载的作用下， 进入路面空隙中的水会不断产生动水压力及真空负压抽吸的反复循环作用， 进入到沥青面层空隙里的水对沥青混合料引起冲刷和侵蚀，沥青的粘附性下降，使沥青膜从矿料表面脱落，从而使沥青路面产生坑槽、松散、推挤变形等损坏。使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力。本次试验采用了浸水马歇尔试验。

试验结果表明：加入纤维对沥青混合料的水稳性有一定的改善作用， 且纤维对普通沥青混合料的改善作用相对较大。

瀝青路面使用期间在气温环境影响下经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复超过一定次数后，在荷载的作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抵抗力，使路面出现裂纹，最终产生疲劳断裂破坏。本文采用控制应力的重复加载来作为试验手段，首先对普通和纤维沥青混合料材料进行劈裂强度试验，在保持应力不变的情况下，重复加载相同的控制应力，以使沥青材料出现疲劳断裂为标准。

试验结果表明：使普通沥青材料试件破坏非常明显的控制应力并未使加入纤维的沥青混合料试件完全断裂， 加入纤维对普通沥青混合料的抗疲劳寿命明显增加。

4 纤维沥青混合料的力学性能研究

4.1 沥青混合料抗剪试验

本试验采用沉锤法测定热拌沥青混合料在25 ℃下的抗剪强度和破坏劲度模量。

由试验结果可以看出， 纤维在沥青中更容易形成很强的桥接和加筋作用，同时沥青被纤维吸附后，使原沥青的粘度增大，故纤维沥青的抗剪强度增大。

4.2 沥青混合料单轴压缩试验

本文测定沥青混合料在25 ℃条件下的抗压强度和抗压回弹模量。

试验结果表明：

（1） 铺装上层沥青混合料的抗压强度有了明显提高， 而抗压回弹模量却降低了， 说明加入聚合物有机纤维后， 沥青混合料的柔韧性增加了；

（2） 沥青混合料中掺加纤维后， 无论是普通沥青混合料还是改性沥青混合料， 抗压性能都有所改善，但对普通沥青混合料抗压性能的改善作用更明显。

4.3 劈裂试验

沥青路面开裂包括低温缩裂以及面层底部在重复荷载下导致的疲劳开裂，因此，沥青混合料的抗拉强度和应力松弛能力是影响抗裂能力的两个方面。评价沥青低温性能的试验方法较多，如直接拉伸试验、间接拉伸试验（劈裂试验）、小梁弯曲试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。其中劈裂试验比较简单，测试方便，应用较广。本试验分别采用了15℃和一l0℃两种试验温度，评价其在常温和低温环境下的抗裂性能。

试验试件由马歇尔击实仪成型得到的圆柱体试件，其中15℃时的加载速度为50 mm/min，在劈裂试验机上进行测试。由于应变传感器故障，未采集到试件的变形，因此，计算中只得到了混合料的劈裂抗拉强度，而未得到它的劈裂模量。一10℃时的加载速度为1 mm/min，在MTS上测试，既测到了混合料的劈裂强度，又测到了它的劈裂模量。

在常温下，纤维沥青混合料的劈裂强度有所提高，体现了纤维在混合料中的加筋作用；在低温下，纤维沥青混合料的劈裂强度基本不变或稍有增加，而劈裂模量较普通沥青混合料的低，说明了纤维在低温下对混合料起到增韧作用。从常温和低温的劈裂强度和劈裂模量来看，以F1纤维对沥青混合料性能的改善效果最好，常温下的劈裂强度提高12.4%，低温下的劈裂模量降低23.9%。可纤维品种不同，其对沥青混合料的加筋增韧效果也不一样。

5 结束语

在沥青混凝土中加入纤维后，分散性好的纤维不仅可以提高混合料的压实度，而且纤维在混合料中的桥联加筋作用使高温稳定性能具有较大的改善，马歇尔稳定度可提高18%左右。常温和低温劈裂试验表明，加入纤维后，其加筋作用通过常温劈裂强度和低温劈裂模量反映出来。以Fl纤维为例，常温下的劈裂强度提高12.4%，低温下劈裂模量降低23.9%，可见纤维的增强增韧效果比较明显。其改善效果随纤维品种不同而有所变化。

参考文献

[1] 张争奇. 纤维加强沥青混凝土的研究[J]. 西安公路交通学报 1998 （ 3） .

[2] 张争奇 胡长顺. 纤维加强沥青混凝土几个问题和讨论[J]. 西安公路交通学报2001 （ 1）