基于纤维加筋性能的纤维沥青混合料设计方法

傅 珍，王博雅，李 杰，孙启宇，张 攀

(1.长安大学 材料学院，陕西 西安 710064； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青混合料中加入纤维材料，是改善沥青混合料综合性能的主要途径之一[1-3]。该方法不仅可以提高混合料的耐老化性能、抗永久变形的能力[4-6]；而且纤维和沥青之间形成的复杂三维网络结构能让纤维沥青混合料的整体力学性能得到明显改善[7-8]。

目前，各国学者对纤维沥青的加筋效果展开了相关的研究：傅珍等研究了纤维沥青混合料抵抗老化能力的效果和机理[9]；陈永慧研究了玄武岩纤维对沥青最佳用量的影响，并得出适合的纤维沥青混合料的制备工艺[10]；吴萌萌等研究了纤维掺量、纤维种类等因素对沥青胶浆高低温性能的影响，结果表明纤维的掺入能提高沥青胶浆高温稳定性和低温抗裂性能[11]；A Davar等研究了玄武岩纤维和硅藻土的复合材料对于热拌沥青(HMA)混合料疲劳寿命和拉伸强度的影响，结果表明纤维与硅藻土的使用可以使其寿命加倍，并且这种复合材料可以很好地弥补沥青混合料在较低温度下的弱点[12]；陈奕琛等通过低温弯曲蠕变试验,研究了在不同试验温度和不同的纤维掺量下沥青混合料的低温抗裂性[13]；李宗毅通过对不同玄武岩纤维掺量下的纤维沥青混合料进行试验，研究了纤维掺量对改性沥青混合料路用性能的影响[14]；Q Liu等研究了添加钢纤维对沥青混合料性能的影响，结果表明添加钢纤维可以提高沥青混合料的水稳定性、抗断裂性能[15]。当前对纤维沥青的研究主要集中在比较沥青混合料加入纤维前后相关性能指标的变化上，而对于纤维在混合料中加筋作用的探讨，并以此指导混合料的配合比设计和综合性能的改善研究较少。

本文基于现有研究成果，通过滑移剪切试验，对几种纤维沥青混合料的滑移剪切性能进行分析，从而验证纤维在沥青混合料中的加筋效果，提出一种有关纤维沥青混合料的设计方法，以便为道路工程中不同沥青混合料的设计提供参考。

1 原材料性能

(1)沥青。沥青采用韩国SK70#重交通道路石油沥青，其技术指标均满足规范要求，如表1所示。

表1 基质沥青的主要技术指标

(2)集料。为了减弱粗细集料之间的摩擦、接触和嵌挤等复杂作用对纤维加筋效果的影响，选取砂粒式AC-5中值级配。细集料的表观相对密度如表2所示。

表2 细集料表观密度

(3)纤维。本文选取3种传统纤维(木质素纤维、矿物纤维、聚酯纤维)与一种新研发的复合纤维。复合纤维是将木质素纤维和聚酯纤维按照一定比例组合而成，兼有二者的优点。4种纤维外观形态见图1。

图1 纤维外观形态

2 试验方法

图2 滑移剪切试验装置

采用沥青混合料滑移剪切试验装置(图2)施加荷载并作用于圆柱体压头。该装置的主要特点是，能够准确地反映混合料滑移剪切过程，操作简单，得到的参数能够准确体现纤维沥青的加筋效果[16]。试验压头直径为40 mm，万能试验机加载速率为20mm·min-1，试验温度为60 ℃。

选取砂粒式AC-5中值级配，并以此级配下的混合料试验来确定最佳油石比。初步拟定纤维掺量为0.35%(纤维占混合料的质量百分比)，油石比范围为5.0%～7.0%。

按照《公路工程沥青及沥青混合料的试验规程》(JTG E20—2011)的有关要求，将称量好的各档集料均匀混合后，按照图3的步骤制备试件。

图3 纤维沥青混合料马歇尔试件制备步骤

纤维用量分别为：木质素纤维6.60%、聚酯纤维6.45%、矿物纤维6.40%、复合纤维6.55%。

3 试验结果与分析

纤维沥青混合料通过滑移剪切试验后，从模具中脱出，其破坏状态如图4所示。

图4 滑移剪切破坏后的纤维沥青混合料试件

从图4可以看出，在荷载作用下，试件中间部分发生滑移剪切，使得中间受力区域的混合料从试件中完全剪出，而其余部分保留了很好的完整性。

从微观方面分析，纤维与沥青之间形成一种空间随机分布的复杂的三维网状结构，在受到外力作用时会形成一个应力区，阻碍其相对滑移。从宏观方面分析，这种结构会增强混合料的黏结力，减弱其变形能力。无论从宏观角度还是微观角度，滑移剪切能能够较好地揭示混合料特征，所以选取滑移剪切能作为滑移剪切试验的评估指标。

3.1 相同纤维掺量下滑移剪切试验结果分析

对不同纤维都采用0.35%的掺量，分别拌合制成纤维沥青混合料马歇尔试件，进行滑移剪切试验，结果见图5。

图5 相同纤维掺量下各纤维沥青混合料滑移剪切能

从图5中可以看出以下几点。

(1)与普通沥青混合料相比，纤维沥青混合料的滑移剪切能得到显著提高。说明纤维的掺入能够极大地提升沥青混合料的抗剪能力，证明了其具有加筋效果。

(2)在同一纤维掺量和试验条件下，4种不同纤维沥青混合料的滑移剪切能有明显区别，从大到小依次为：聚酯纤维、复合纤维、矿物纤维、木质素纤维。

(3)当各纤维的掺量均为0.35%时，纤维对沥青混合料的加筋效果与滑移剪切能的大小排序大致相同，只是聚酯纤维和复合纤维交换了顺序。分析原因，试验初步拟定的纤维掺量为0.35%，而实际工程应用中纤维的适宜掺量约为0.30%，所以在过大掺量下复合纤维的滑移剪切能比前者小[17]。

3.2 适宜纤维掺量下滑移剪切试验结果分析

通过分析现有的纤维在沥青混合料中适宜掺量[18-19]，拟定各纤维的适宜掺量，如表3所示。

表3 不同纤维在沥青混合料中的适宜掺量

在适宜纤维掺量下，将这4种纤维沥青混合料与普通沥青分别制作为马歇尔试件，并进行滑移剪切试验。普通沥青混合料和4种纤维沥青混合料的滑移剪切能如图6所示。

图6 沥青混合料滑移剪切能

从图6中可以看出，在相同的级配和试验条件下，当纤维在沥青混合料中达到各自的适宜掺量时，滑移剪切能从大到小依次为：复合纤维、聚酯纤维、矿物纤维、木质素纤维。这与相同纤维掺量下的变化规律大体相同，其中聚酯纤维沥青混合料的滑移剪切能比复合纤维沥青混合料小。在相同试验条件下，不同种类纤维沥青混合料的滑移剪切能变化规律与不同种类纤维沥青的直剪试验结果相同。原因是，在各自适宜的纤维掺量下，不同种类的纤维加筋作用能够发挥到最大。

4 基于纤维加筋性能的沥青混合料设计方法

基于纤维沥青混合料滑移剪切试验，提出基于纤维加筋性能的沥青混合料设计方法，包括纤维的选择、纤维沥青的构成和纤维沥青的用量。纤维沥青混合料设计步骤如下。

(1)选出符合要求的纤维种类，再根据纤维的加筋作用评价指标确定出合适的纤维沥青构成。

(2)确定纤维沥青的最佳用量。按照确定好的纤维沥青构成，与骨架结构部分拌合制成试件进行马歇尔试验、路用性能试验，并由试验指标来确定纤维沥青的最佳用量。

4.1 纤维的选择

结合纤维在混合料中的应用现状以及对经济效益的衡量，可从以下5个方面来考虑选取纤维种类。

(1)纤维在混合料中的分散性。纤维在混合料中能否分散均匀将决定着纤维沥青混合料的性能能否满足要求。

(2)纤维对基质沥青以及沥青混合料的加筋作用。纤维沥青最大抗剪强度可以用来评价纤维沥青的加筋效果，而纤维对混合料性能的改善与其加筋效果相关。

(3)纤维吸附稳定沥青的能力。由于纤维在混合料中存在高温离析的现象，所以要求纤维应具有一定吸附沥青的能力。

(4)纤维材料的几何特征。从纤维的几何特征考虑纤维种类时，一方面要尽可能保证纤维的加筋效果，另一方面又要有利于纤维沥青混合料的施工要求。

(5)纤维的性价比。应结合结构的功能性要求、工程实际应用要求，以及不同纤维在混合料中性能的差异，选择性价比较高的纤维材料。

4.2 纤维沥青的构成

以满足纤维在沥青混合料中的加筋效果为基础，选择特定范围的纤维沥青构成。既要衡量纤维对混合料其他性能的影响，也要考虑经济合理性等因素。从以下2个方面选择纤维沥青的构成。

(1)纤维沥青构成的抗剪强度。抗剪强度越大，其纤维沥青构成所产生的加筋作用越好。

(2)纤维的掺量。若纤维掺量越大，在混合料拌合过程中纤维的分散性对整体性能的影响越大。通过对木质素纤维沥青进行直剪试验，选取了其抗剪强度指标来指导选择适合的纤维沥青构成，如图7、8所示。

图7 纤维掺量和温度对木质素纤维沥青抗剪切强度的影响

图8 木质素纤维掺量增加对纤维沥青抗剪强度的影响

分析图7、8可以得出，在试验温度和加载速率保持恒定的情况下，随着纤维掺量的增加，其木质素纤维改性沥青最大抗剪强度值逐渐上升，即纤维对沥青的加筋作用不断增强。在加载速率和纤维掺量保持恒定的情况下，随着温度的上升其最大抗剪强度显著下降。这主要是由于，温度升高，沥青间的黏结力降低，沥青与纤维之间的网状结构遭到不同程度的破坏，甚至发生沥青与纤维完全分离的现象，加筋效果降低。木质素纤维沥青最大抗剪强度随着纤维掺量的增加呈现出先上升后逐渐下降的趋势，表明纤维掺量过大，反而会降低纤维对沥青的加筋作用。当木质素纤维与沥青构成比例为7∶100时，5种温度下的最大抗剪强度的增加值达到最大，所以选7∶100作为木质素纤维沥青的构成比例。

4.3 纤维沥青的用量

当纤维沥青的构成确定后，依据常规沥青混合料的设计方法，兼顾性价比，确定出纤维沥青的适宜用量。确定纤维沥青适宜用量的流程见图9。

图9 确定纤维沥青最佳掺量流程

5 结 语

本文通过滑移剪切试验分析了不同纤维在相同掺量和适宜掺量下对沥青混合料的加筋效果，提出了基于纤维加筋作用的沥青混合料设计方法，得到以下主要结论。

(1)通过对纤维混合料进行滑移剪切试验，验证了4种纤维沥青混合料在同一纤维掺量下的滑移剪切能从大到小依次为：聚酯纤维、复合纤维、矿物纤维、木质素纤维。由于该掺量对于复合纤维来说过大，导致其比聚酯纤维沥青混合料的滑移剪切能略小。

(2)依据纤维在沥青混合料中的加筋效果，采用最佳纤维沥青构成时的混合料滑移剪切能从大到小依次为：复合纤维、聚酯纤维、矿物纤维、木质素纤维。在适宜的纤维掺量下，纤维沥青在混合料中的加筋作用能够发挥到最大。

(3)基于纤维加筋性能提出了纤维沥青混合料的设计方法：首先选择出适合的纤维种类；再以纤维沥青的抗剪强度值为指标确定出纤维沥青构成；然后与骨架结构部分拌合制成混合料；并进行相关试验，选择符合要求的纤维沥青用量。

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