纤维改性沥青混合料综合性能测试与评价

2018-07-04李兰健

福建交通科技 2018年3期

■李兰健

（福建新路达交通建设监理有限公司，南平 353000）

沥青路面作为一种无接缝的柔性路面，具有平整、驾驶舒适性高、减震降噪、少尘、耐磨、美观、施工时间短、养护维修方便、可分期改造和再生利用等优点。然而随着道路快速发展，交通量和轴载的不断增加使得沥青路面在通车使用后不久出现车辙、开裂、水稳定性等早期损害。近年来，纤维材料因其性能优良，施工简单等优点，成为提高沥青路面性能的新手段，受到了普遍的关注，在国内外沥青路面工程中得到了广泛的应用。

目前，沥青路面中使用纤维的种类繁多，每种纤维对沥青混合料性能改善程度和偏重点不尽相同。以往的研究多集中在纤维掺量、长度等设计参数对沥青混合料路用性能影响的方面以及纤维作用机理[1]，而在对纤维沥青混合料综合性能量化说明方面研究相对匮乏，尤其是对于如何考量纤维成本的研究更是少见，这对于工程中科学选择经济适用的纤维改性材料是不利的。为此，本文以工程中最为常用的三种路用纤维[2-3]——木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维为例，对纤维改性沥青混合料综合性能进行评价。研究结果可以作为福建省沥青路面工程纤维应用的参考依据。

1 原材料

（1）沥青

基质沥青混合料、三种纤维改性沥青混合料所用胶结材料均为70号A级道路石油沥青，沥青各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）[4]要求。

（2）矿料及设计级配曲线

试验集料采用福建省南平市当地石料厂生产的碎石和机制砂，矿粉为石灰岩磨制的石粉。四种沥青混合料矿料级配类型相同，按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中规定的AC-16C型沥青混合料中值级配设计。

（3）纤维

本文所用纤维有木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维三种，见图1，其特性和共同点如表1所示：

图1 试验用三种纤维

表1 纤维特性和共同点比较

2 混合料路用性能比较

（1）高温稳定性能

参照《公路工程沥青及沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[5]规定的车辙试验方法，对四种沥青混合料高温稳定性能进行评价，测试得到各沥青混合料的动稳定度指标见图2，动稳定度越大表明沥青混合料的高温稳定性能越好。

图2 车辙试验结果

从图2中可知，相比基质沥青混合料，纤维改性后的沥青混合料动稳定度值均大幅提高，说明纤维有助于改善沥青混合料高温性能，改善效果最好的是玄武岩纤维，动稳定度值增加了接近2倍；即使改善效果最差的木质素纤维，也使得沥青混合料动稳定度值增加了57%。

（2）低温抗裂性能

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的-10℃下低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性能，得到评价指标破坏应变试验结果见图3，破坏应变值越大表明沥青混合料的高温稳定性能越好。

从图3中可知，相比基质沥青混合料，纤维改性后的沥青混合料破坏应变值均有不同程度的增加，说明沥青混合料中加入纤维改善了沥青混合料低温性能，改善效果最好的是聚酯纤维，木质素纤维和玄武岩纤维的改善效果没有明显差距。

图3 低温弯曲试验结果

（3）水稳定性能

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的冻融劈裂试验评价沥青混合料水稳定性，得到评价指标冻融劈裂强度比试验结果见图5，冻融劈裂强度比越大表明沥青混合料的水稳定性能越好。

从图4可知，纤维改性的沥青混合料的冻融劈裂强度比均高于基质沥青混合料，按照提高幅度排序是聚酯纤维沥青混合料略优于玄武岩改性沥青混合料，而玄武岩纤维沥青混合料优于木质素纤维沥青混合料。

图4 冻融劈裂试验结果

（4）抗疲劳性能

本文采用应力控制模式进行疲劳试验[6]，试件成型方法：首先轮碾法成型300mm×300mm×50mm车辙板试件，并将车辙板切割成250mm×40mm×40mm的试验用小梁。应用疲劳试验机在20℃下进行三点加载弯曲试验测试各混合料的极限破坏应力σ，然后进行疲劳试验，峰值荷载设置对应混合料破坏应力的0.2倍（0.2σ）这一应力水平，施加荷载频率为10Hz的连续式半正弦波荷载，得到试件破坏时的加载次数，用于表征沥青混合料抗疲劳性能，加载次数越多表明沥青混合料的抗疲劳性能越好。

从图5可知，纤维改性沥青混合料疲劳试验的破坏加载次数均有大幅的增加，说明沥青混合料中加入纤维大大改善了沥青混合料抗疲劳性能，聚酯纤维和玄武岩纤维对疲劳性能提升幅度相差不大，但明显好于木质素纤维的改善作用。

图5 疲劳试验结果

3 综合性能系数计算比较

通过以上测试分析可知，三种纤维对沥青改性各有优势，为说明沥青混合料综合改性作用，参考文献[7]中方法，以高温性能、低温性能、水稳性能和抗疲劳性能作为四项分项性能，对沥青混合料的路用性能进行综合量化。各分项路用性能系数计算方法如下：

式（1）中，x纤维为纤维改性沥青混合料的动稳定度值，x基质为基质沥青混合料的动稳定度。

以上处理相当于是一种归一化的排序，是对纤维改性作用的相对值进行量化，按式（1）计算后，木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的高温性能系数分别为0.25、0.77和1。按相同的方法可以计算木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维的低温性能系数，水稳性能系数和抗疲劳性能系数，见表2。

沥青混合料的综合路用性能系数，可以按式（2）计算：

式（2）中，x1、x2、x3、x4分别为纤维改性沥青混合料高温性能系数、低温性能系数、水稳性能系数和抗疲劳性能系数，r1、r2、r3、r4分别为各项性能系数对应的权重。

考虑不同地区对沥青混合料服役环境不同，对路用性能要求也将有所不同，比如在我国东北地区更加注重低温性能，而在南方地区普遍重视材料的高温和水稳定性能。各项性能的权重系数可按沥青路面气候分区进行分配，根据我国《公路沥青路面设计规范》气候分区对应的权重系数见表2。

表2 气候分区即权重系数分配表

以福建省为例，高温分区为夏炎热气候分区，低温为冬温区，降雨分区为潮湿区，表明福建省沥青路面对沥青混合料高温性能、水稳性能均比较重视，而对低温性能要求并不高，所以福建省沥青路面沥青混合料高温性能系数、低温性能系数、水稳性能系数和抗疲劳性能系数分别为 4、1、4、4，带入式（2）计算得到各沥青混合料综合路用性能系数见表3。从表3中可以看出，聚酯纤维的综合路用性能系数最好，玄武岩纤维紧随其后，木质素纤维与两者有明显差别。