纤维微表处路用性能的影响因素

孙增智，薛 博，陈华鑫

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

微表处技术因具有良好的耐磨耗性能、抗滑性能、修复车辙功能和封层效果，被大量应用到高速公路养护工程中[1-5]。然而，近些年的工程应用和研究发现，微表处易出现抗裂性、抗变形性能不足等问题[6-7]。特别是在中国西部高寒地区，气候条件恶劣，冬天气温低，微表处路面易出现裂缝和碎裂等病害，这就要求微表处具有优良的抗裂性、水稳性和抗变形等路用性能。

纤维微表处具有优良的抗裂性能，国内外对此进行了大量研究，但其中关于聚丙烯纤维[8-11]微表处的研究较多，而对玄武岩纤维[12]的研究较少，且微表处采用的改性乳化沥青也多是SBR改性乳化沥青。故本文选用3种改性乳化沥青和4种纤维制备微表处混合料，采用湿轮磨耗试验评价混合料的耐磨耗性能和抗水损性能，采用轮辙变形试验评价混合料的高温抗变形性能，采用低温弯曲试验评价混合料的低温抗裂性能，以期为高寒地区纤维微表处的推广应用提供参考。

1 原材料

1.1 矿料

选用石灰石破碎石料(粒径分别为5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm)，经检测各项性能指标均满足规范要求；矿料级配类型采用MS-3型，由5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm石料和矿粉根据固定比例(18∶29.5∶50.5∶2)配制成混合料，级配组成见表1，可知矿料的合成级配接近MS-3型级配中值，试验中所有纤维微表处均采用该级配。

表1 矿料级配组成

1.2 改性乳化沥青

选用4%SBR改性乳化沥青、4%SBS改性乳化沥青及SBR/SBS复合改性乳化沥青(SBR、SBS掺量均为2%)，其中基质沥青为SK90#，乳化剂为阳离子慢裂快凝型沥青乳化剂，改性乳化沥青性能指标如表2所示。

1.3 纤维

选用玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维及聚酯纤维，其性能指标如表3所示。

1.4 填料

填料选用石灰石矿粉和P·O 42.5硅酸盐水泥，其中水泥掺量为2%。

2 纤维微表处混合料的制备及性能检测

2.1 微表处混合料的制备

先向0～3 mm矿料中加入规定量的矿粉、水泥、纤维，搅拌均匀，再与剩下两档矿料混合均匀待用；接着依次加入水与改性乳化沥青，继续搅拌至水和乳化沥青分散均匀，混合料达到良好的流动状态。微表处混合料最佳油石比为7.2%，外加水量为7%，水泥剂量为2%。

根据确定级配及最佳油石比，以3种乳化沥青、4种纤维等原材料制备微表处试件，其中每种纤维掺量为分别0.1%、0.2%和0.3%，之后进行湿轮磨耗、轮辙变形、低温弯曲试验，对纤维微表处混合料的耐磨耗性能、抗水损害性能、抗车辙变形性能、低温抗裂性能进行研究。

表3 纤维的性能指标

微表处混合料的湿轮磨耗试验、轮辙变形试验均参考《微表处和稀浆封层技术指南》执行。低温小梁弯曲试验方法如下：制备沥青混合料车辙板，拌制微表处混合料并摊铺到车辙板上，成型双层复合试件，其中微表处结构层厚度为10～13 mm；将成型的双层复合试件置于60 ℃烘箱中保温2 d后取出，冷却至室温待用；根据规范要求，将试件切割成250 mm×30 mm×35 mm的双层复合结构小梁，其中微表处结构层表面先进行磨平，然后切割沥青混合料使试件达到规定高度；试验前将试件放在-10 ℃恒温环境箱中保温2 h以上，然后置于MTS试验机上，其中微表处结构层位于底部，以50 mm·min-1的速率进行低温弯曲试验，记录破坏荷载和破坏应变。

图1 微表处1 h湿轮磨耗试验结果

2.2 抗磨耗性能

图1为纤维微表处的1 h湿轮磨耗试验结果。从图1(a)中可以看出，掺入0.1%纤维后，相比于不添加纤维的微表处，纤维微表处的磨耗值减小，抗磨耗性能提高；随着纤维掺量的增加，磨耗值也相应增大；但《微表处和稀浆封层技术指南》建议1 h的湿轮磨耗值不大于540 g·m-2，图1(a)中掺加0.3%纤维的磨耗值已不符合规定。图1(b)、(c)中，掺加纤维后磨耗值的变化与图1(a)基本相同，不同的是：图1(b)中纤维掺量为0.2%时，聚酯纤维和玻璃纤维的磨耗值已经超过技术指南中的规定值；图1(c)中纤维掺量在0.3%时，除聚丙烯纤维的磨耗值刚达到限定值外，其余均已超过规定值。

纤维微表处的湿轮磨耗值随着纤维用量的增加呈先减小后增大的变化趋势。这是因为，在微表处中加入纤维后增加了混合料的总比表面积，纤维用量较小时，能吸附多余自由沥青，集料间黏聚力增加，耐磨耗性能增加；但随着纤维用量继续增加，一方面纤维分散性能下降，另一方面过量的纤维需要更多自由沥青包裹，导致集料间的黏结力下降，磨耗值增加。

对比图1(a)、(b)、(c)可以发现，2%SBS+2%SBR复合改性乳化沥青的湿轮磨耗值最小，抗磨耗性能最优，4%SBS改性乳化沥青次之，4%SBR改性乳化沥青较差。相比于单一改性剂，SBS/SBR复合改性乳化沥青提高了沥青与矿料间的黏附性。另外，聚丙烯纤维和玄武岩纤维对提高微表处抗磨耗性能效果最好，聚酯纤维提高效果次之，玻璃纤维表现最差。

2.3 抗水损性能

图2为纤维微表处6 d的湿轮磨耗试验结果。从图2(a)中可以看出，纤维掺量在0.1%时，微表处的6 d湿轮磨耗值小于不添加纤维的微表处；纤维掺量增加到0.2%时，除玄武岩纤维外，其他纤维微表处的磨耗值已超过不添加纤维的微表处；掺加0.3%纤维时，微表处的湿轮磨耗值远远大于不加纤维的微表处。规范规定6 d的湿轮磨耗值不大于800 g·m-2，图2(a)中掺加0.3%聚酯纤维和玻璃纤维的磨耗值不符合规定值；图2(b)、(c)中6 d湿轮磨耗值随纤维掺量的变化与图2(a)一致，但图2(b)中掺加0.3%纤维的6 d湿轮磨耗值均超过规定限值。增加纤维掺量，抗水损性能变化的原因与耐磨耗性能相同。

图2 微表处6 d湿轮磨耗试验结果

对比图2中相同种类和相同掺量纤维的微表处磨耗值可以发现，2%SBS+2%SBR复合改性乳化沥青的6 d湿轮磨耗值最小，抗水损性能最好，4%SBS改性乳化沥青次之，4%SBR改性乳化沥青较差。4种纤维提高水损性能的作用从大到小排序为：玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、玻璃纤维。

2.4 抗轮辙变形性能

图3为纤维微表处的轮辙宽度变形试验结果，从图3可以看出以下几点。

图3 微表处的轮辙宽度变形试验结果

(1)掺加纤维后，微表处宽度变化率减小；随着纤维掺量增大，宽度变化率呈先减小后增大趋势，在纤维掺量为0.2%时，宽度变化率最小，即纤维微表处的抗轮辙变形性能存在最佳纤维掺量。这是由于，随着纤维用量增大，自由沥青被纤维吸附完全，集料表面的沥青膜厚度达到最佳，使混合料抗车辙变形性能达到最优状态，当纤维用量继续增大，将造成沥青用量不能完全包裹集料，集料表面沥青膜厚度不足，导致混合料抗车辙变形性能降低。

(2)改性乳化沥青不同，微表处轮辙宽度变形率也不同，4%SBS改性乳化沥青制备的微表处变形最小，2%SBS+2%SBR改性乳化沥青次之，4%SBR改性乳化沥青变形最大，所制备微表处混合料轮辙变形均低于规范值。这是由于，SBS改性沥青高温性能较好，因此抵抗轮辙变形能力较好；而SBR改性沥青高温性能不足，表现较差；SBS/SBR复合改性沥青高温性能介于两者之间。

(3)4种纤维提高抗轮辙变形性能的作用从大到小排序为：玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚酯纤维。其原因是玻璃纤维的吸油率较小，相同掺量情况下使微表处混合料中存在过多的自由沥青，使沥青与集料黏聚力降低，抗轮辙变形性能下降；聚酯纤维由于其分散性差，不易分散在混合料中，在集料间不能起到有效的约束作用。

2.5 低温抗裂性能

图4、5为纤维微表处低温弯曲试验结果，从图中可以看出以下几点。

图4 微表处最大弯拉应变试验结果

图5 微表处抗弯强度试验结果

(1)掺加纤维后微表处混合料的最大弯拉应变、弯拉强度得到提高，且随纤维掺量的增加而增大，微表处低温抗裂性能得到改善。这是由于，纤维在混合料中形成三维立体网状结构，对混合料内部缺陷或裂纹的扩展起到约束作用，从而使混合料抗变形能力增强，提高了韧性，改善混合料的低温性能。

(2)对于相同纤维种类和掺量的微表处，4%SBR改性乳化沥青的最大弯拉应变最大，2%SBS+2%SBR改性乳化沥青次之，4%SBS改性乳化沥青最小；而4%SBS改性乳化沥青混合料的弯拉强度最大，4%SBR最小，2%SBS+2%SBR居中。混合料的抗弯拉强度反映其承受拉力的能力，抗弯拉强度越大越不容易断裂；最大弯拉应变反映混合料在承受最大拉应力时的抗变形能力，最大弯拉应变越大越不容易断裂。SBS/SBR改性乳化沥青综合了SBR改性乳化沥青高弯拉应变和SBS改性乳化沥青高弯拉强度的优势。

(3)纤维种类不同，微表处的最大弯拉应变和弯拉强度也不同。4种纤维提高微表处混合料的最大弯拉应变、弯拉强度的效果由大到小排序为：聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、玻璃纤维。聚酯纤维分散性差，未能在混合料中起到有效加筋增韧作用，而玻璃纤维吸油率小，与沥青相容性差，影响混合料低温抗裂性能。

4 结 语

(1)掺入纤维可提高微表处的抗磨耗性能和抗水损性能，纤维掺量控制在0.1%效果最佳。玄武岩纤维和聚丙烯纤维提高抗磨耗性能和抗水损性能效果最好，聚酯纤维和玻璃纤维效果较差。2%SBS+2%SBR复合改性乳化沥青的微表处抗磨耗性能和抗水损性能最好。

(2)掺入纤维能够提高微表处抗轮辙变形性能，掺量在0.2%时性能最好。纤维改善微表处抗轮辙变形的效果由好到差排序为：玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚酯纤维。4%SBS改性乳化沥青制备的微表处变形最小，其次是2%SBS+2%SBR改性乳化沥青，4%SBR改性乳化沥青最差。

(3)掺加纤维增加了微表处混合料的最大弯拉应变、弯拉强度，改善其低温抗裂性能，掺量越大性能越好。纤维增加微表处混合料的最大弯拉应变、弯拉强度效果由好到差排序为：聚丙烯纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维、玻璃纤维。2%SBS+2%SBR改性乳化沥青制备的微表处具备了SBR改性乳化沥青的高弯拉应变和SBS改性乳化沥青的高弯拉强度性能。

(4)综合各项指标的试验结果，采用2%SBS+2%SBR改性乳化沥青，控制聚丙烯纤维或玄武岩纤维掺量在0.2%，可以得到综合路用性能良好的纤维微表处混合料。