聚乙烯醇纤维对沥青混凝土性能的影响

文/周 健 田宗杰（安徽皖维高新材料股份有限公司）

一、研究现状

沥青混凝土路面是一种连续式的无缝路面，具有噪音低、易维护、行车舒适等优点，是国际上普遍采用的一种路面形式。但随着交通工具的数量增多和载重量增大，沥青混凝土存在的石料剥落、坑槽、裂缝、车辙病害等固有缺陷严重影响了道路的使用寿命和人们的出行体验。将纤维增强材料加入到沥青混凝土中，可有效地改进沥青路面的路用性能，使沥青路面满足重载交通和环境变化的要求，延长沥青路面使用周期，减少病害，这一手段因此成为国内外沥青路面技术的主要发展方向[1]。目前，国内外在高速公路沥青路面中已经使用的纤维有玻璃纤维、聚酯纤维、木质素纤维、矿物纤维和复合改性纤维等，均取得了良好的效果[2]。

聚乙烯醇纤维是一种水溶性高分子材料，具有强度高、耐候性和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于混凝土的增强，可显著提高混凝土的抗裂、抗渗、抗冻、抗冲击等性能，且对人体和环境无污染。聚乙烯醇纤维相比聚酯纤维、木质素纤维等具有更高的强度，但在沥青混凝土领域尚未见到相关研究。本文通过对聚乙烯醇纤维改性沥青混凝土性能的研究，探讨其对沥青混凝土抗车辙性、抗裂性等性能的影响。

二、试验过程

1.试验材料

集料：巢湖市天宝建材石料有限公司生产的5～10mm 石灰岩碎石和0～3mm 机制砂，安徽巢湖市华龙矿粉厂生产的AC-10 级配矿粉。

沥青：厦门华特集团有限公司生产的SBSI-D 型改性沥青，其针入度（25℃，100g，5s）/0.1mm 为 50，延度（5℃，5cm/min）为 31cm，软化点（TR&B）为 87℃。

纤维：安徽皖维高新材料股份有限公司生产的聚乙烯醇纤维，其抗拉强度为1725MPa，模量达40GPa，纤度为2dtex。

2.沥青混凝土制备

无纤维沥青混凝土：将石灰岩碎石和机制砂放入烘箱中，加热至180℃以上并保持恒温；将加热至150～160℃的SBS 改性沥青喷入拌合锅内，湿搅拌90s；再加入已加热至160℃的矿粉后搅拌60s；然后在烘箱中于180℃保温60min，制得沥青混凝土。

加纤维沥青混凝土：将石灰岩碎石和机制砂放入烘箱中，加热至180℃以上并保持恒温；放入预热后的聚乙烯醇纤维进行干搅拌60s；将加热至150～160℃的SBS改性沥青喷入拌合锅内，湿搅拌120s；再加入已加热至160℃的矿粉后搅拌90s；然后在烘箱中于180℃保温60min，制得纤维改性沥青混凝土。

3.路用性能试验

对AC-10 沥青混凝土，拟采用动稳定度、残留稳定度（水稳定性）、低温小梁弯曲等试验，全面比较纤维改性前后以及纤维不同用量的沥青混凝土各种性能的差异，纤维添加量从0.1%逐步增加到0.5%。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）标准[3]进行试验。

三、试验结果与分析

1.动稳定度试验

动稳定度试验温度为60℃，试验轮胎压力为0.7MPa。其试验结果见表1。

从表1 可以看出，PVA 纤维的添加可以大幅提升沥青混凝土的动稳定度。其增加的峰值为添加量0.3%，添加量在0.1%～0.3%阶段，随着纤维添加量的增加，动稳定度也随之增加；经计算，添加量在0.3%时，动稳定度可增加53.9%；当纤维添加量超过0.3%后，动稳定度比0.3%时有所下降。

2.残留稳定度试验

按规程要求被测试样在60℃下保养30min，在同温度的水中浸泡48h 下测定相关性能指标，其残留稳定度试验结果见表2。

表1 不同纤维添加量沥青混凝土动稳定度试验结果（单位：次/mm）

表2 残留稳定度试验结果

从表2 数据可以看出，PVA 纤维的加入能够显著提高沥青混凝土的残留稳定度，且随着纤维添加量的提高，残留稳定度逐步提升，经计算，最高可提升14.0%；但当纤维添加量超过0.3%后，沥青混凝土的残留稳定度有所下降，与车辙试验结果一致。

3.低温小梁弯曲试验

随着温度的降低，沥青混凝土的强度提高，变形能力下降，并出现脆性破坏[4]。低温小梁弯曲试验主要用于评价沥青混凝土的低温抗裂性能，试验结果见表3。

表3 不同纤维含量沥青混凝土低温小梁弯曲试验结果（-10℃）

从表3 数据可以看出，纤维的添加可以增强沥青混凝土的弯拉强度和弯拉应变，且随着纤维含量的提升，上述两项性能均有不同程度提升。经计算，纤维添加量为0.3%时比未加入纤维时沥青混凝土的弯拉强度提升36.54%，弯拉应变提升44.82%。

4.结果分析

从以上试验结果可以看出，聚乙烯醇纤维能够显著提升沥青混凝土的高温抗车辙、水稳定性、低温抗裂等性能。从原理上分析，聚乙烯醇纤维的纤度仅有2dtex，仅需少量纤维就可以在沥青中形成严密的网状结构，且聚乙烯醇纤维中含有大量的羟基可以与沥青形成氢键作用力，增强沥青的强度，进而增强沥青混凝土的抗裂性能，实现沥青混凝土裂而不断，提升沥青混凝土的使用寿命；纤维穿插在沥青中，可有效提升沥青的稳定性，加强沥青对混合料的粘结作用，提升水稳定性；聚乙烯醇纤维的强度达1700MPa，远远大于沥青的强度，且纤维的热稳定性要优于沥青，因此可显著提升沥青混凝土的抗车辙性能。但是当纤维添加量超过一定界限的时候，上述性能均有不同程度的下降，那是因为超量的纤维不能均匀分散在沥青中，减弱了纤维对沥青的增强作用。

四、结论

聚乙烯醇纤维的添加可以增强沥青混凝土的高温抗车辙、水稳定性、低温抗裂性能。随着纤维添加量的增加，沥青混凝土的高温抗车辙、水稳定性、低温抗裂等性能均有不同程度的提升，最优的添加量为沥青混凝土质量的0.3%，此时，沥青混凝土的动稳定度为9254 次/mm，残留稳定度96.63%，弯拉强度12.63MPa。