废弃纤维改善沥青混凝土力学性能试验研究

刘吉昌

(中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东日照 276826)

1 引言

随着我国道路交通量快速增长，沥青路面在使用过程中出现的病害问题越来越多，因此提高沥青路面的使用性能，使之适应道路交通的需求，是道路工程专业领域一个关键性的持续研究课题。目前常用的性能改良方法是在沥青混合料加入添加剂[1-2]，而其中纤维是一种应用效果较好的添加剂[3-4]。将地毯制造过程中产生的废弃纤维用做沥青混合料添加剂是一种具有环保价值的尝试，这类废弃纤维的主要化学成分是聚丙烯腈。

对于纤维沥青混合料的性能研究成果较多[5-7]，如马峰[8]等对4种纤维沥青混合料的抗弯拉强度、弯拉应变和弯曲劲度模量进行了研究，研究结果表明添加纤维可以提高整体性能，最佳纤维掺量可由应变能来确定。周刚[9]等研究了在不同纤维掺量下，聚酯纤维温拌沥青混合料的最佳压实温度，研究结果表明聚酯纤维可以使温拌再生沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性满足规范要求，同时可以提高温拌沥青混合料的最佳压实温度。程永春[10]等根据冻融循环下的纤维沥青混合料劈裂强度和劲度模量试验结果，分析了玄武岩纤维对沥青混合料抗冻融性能的增强机理，研究结果表明掺加玄武岩纤维可以明显提高沥青混合料对冻融损伤的抵抗能力。

目前，同时采用马歇尔试验、间接拉伸试验、蠕变试验以及抗疲劳开裂试验研究纤维掺量对沥青混合料性能指标影响机理的相关文献极少，尤其是尚未见相关文献对废弃纤维改善沥青混合料使用性能的效果进行评价。因此，本文通过马歇尔试验、间接拉伸试验、蠕变试验以及抗疲劳开裂试验对废弃纤维沥青混合料的工程性质进行研究，研究成果可为废弃纤维的循环利用以及纤维沥青混合料的配合比设计提供理论支持。

2 试验设计

(1)试验材料

本研究采用壳牌70#重交基质沥青，粗、细集料分别为辉绿岩碎石和花岗岩中砂，该沥青粗、细集料的技术指标均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)以及《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)的要求。采用的废弃纤维为地毯制造过程中产生的聚丙烯腈纤维，该纤维的主要物理力学性质见表1。试验中选用的纤维长度为12.5 mm和20 mm。

表1 废弃纤维物理力学性质

采用的级配为《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的AK-13Ⅰ型沥青混凝土级配中值。

(2)混合料搅拌

先将粗集料与细集料混合搅拌均匀，并将沥青混合料拌和机的拌和温度设置为165℃；然后加入沥青拌和90 s，使沥青能均匀地附着在粗、细集料表面；加入废弃纤维，并加入矿粉使之覆盖在废弃纤维上方，继续拌和90 s。

(3)试件制备与试验

沥青混合料的马歇尔试件成型方法为:将拌和均匀的混合料放入模具中，采用马歇尔击实法进行击实。击实时使沥青混合料的温度维持在155℃，击实次数为双面各75次。

马歇尔试验前，将试验样品在60℃的水浴中浸泡约35 min，然后将试验样品从水浴中取出并静置在马歇尔加载台上。加载时，以每分钟50.8 mm的恒定速率使试样变形。样品所能承受的最大载荷定义为马歇尔稳定性，样品在最大荷载下的变形量定义为流值，然后根据样本的高度调整稳定性值。

3 试验结果分析及讨论

(1)马歇尔稳定度

由图1可以看出，废弃纤维含量较少时，马歇尔稳定度的值随纤维含量的增加而增大；但当废弃纤维含量达到某一个定值后，马歇尔稳定度的值随纤维含量的增加而减小。废弃纤维含量使马歇尔稳定度出现先增加后减小的趋势原因在于当纤维含量太大时，试件中粗、细集料颗粒之间的接触点减少导致摩阻力难以发挥，进而使马歇尔稳定度下降。因此可以认为存在一个使沥青混合料稳定度值最大的最优废弃纤维含量。

对比图1中12.5 mm和20 mm长度纤维的稳定度曲线发现，纤维长度对混合物稳定性的影响不大。

图1 纤维含量与沥青混合料稳定性关系曲线

(2)流值

从图2可以看出，当废弃纤维含量小于0.3%时，沥青混合料试件的流值随着纤维含量增加而明显减小；当废弃纤维含量大于0.3%时，沥青混合料试件的流值随着纤维含量的增加而逐渐呈现增大的趋势。导致这一规律的原因在于过大的纤维含量使试件中粗、细集料颗粒之间的接触面减小，粗、细集料颗粒之间的相对位移增大，进而使马歇尔流值增加。

对比图2中12.5 mm和20 mm长度纤维的流值曲线发现，纤维长度对混合物流值的影响比其对马歇尔稳定度的影响明显。

图2 纤维含量与沥青混合料流值关系曲线

(3)空隙率

图3为纤维含量对沥青混合料空隙率的影响规律。由图3可知，沥青混合料的空隙率随着废弃纤维含量和长度的增加而增加。导致这一规律的原因在于废弃纤维会吸收混合料中的粘结剂，导致集料间的空隙无法被粘结剂填满；同时纤维含量的增加导致混合料可压缩性减弱，也导致沥青混合料的空隙值变大。

图3 纤维含量与沥青混合料空隙率关系曲线

(4)回弹模量

通过间接拉伸试验测量沥青混合料的回弹模量，沿着垂直试样直径的方向施加循环半正弦载荷(每循环荷载持续时间125 ms，间歇时间1 250 ms)，并测量试样在荷载作用下沿试样直径方向的水平变形值。当沥青混合料在加载过程中的变形值在线性粘弹性范围内时，根据均质各向同性材料平面应力弹性理论，回弹模量的计算公式为:

式中，Mr为沥青混合料的回弹模量；P为峰值力(抗拉强度的15%)；γ为泊松比(设为0.35)；t为试样厚度；Δd为沿直径方向的水平变形。

图4为废弃纤维含量与沥青混合料回弹模量的相互关系。由图4可知，当纤维含量小于0.4%时，沥青混合料的回弹模量随纤维含量的增加而变大，当纤维含量大于0.4%以后，沥青混合料的回弹模量值趋于稳定。

图4 纤维含量与沥青混合料回弹模量关系曲线

需要注意的是，含纤维沥青混合料回弹模量增加的原因可能是由于混合料中的纤维具有较高的拉伸强度和较小的拉伸变形值，沥青混合料中的纤维能与颗粒牢固结合并限制了颗粒的移动，从而使沥青混合料变形值减小。但是当纤维含量较多时，沥青难以填充过多的混合料空隙，纤维限制颗粒移动的能力不能充分发挥，从而不会使沥青混合料的回弹模量增加。

(5)动态蠕变效应

使用重复单轴压缩试验来评估沥青混合料的永久变形。在试验中，施加恒定的重复载荷，并记录不同时间(脉冲数)下的沥青混合料累积永久变形。重复载荷采用半正弦载荷的形式施加，每循环荷载持续时间200 ms，间歇时间800 ms，荷载值为200 kPa。

图5为在第6 000次循环加载时，废弃纤维含量与沥青混合料永久变形的相互关系，该图中的永久变形指的是试样的变形值除以试样厚度。由图5可知，增加纤维含量在减小沥青混合料的永久变形值方面具有十分明显的效果。蠕变试验表明，在原沥青混合料中合理加入少量废弃纤维改善了原沥青混合料的变形性能，在相同的载荷和温度条件下，含有适量废弃纤维的沥青混合料的累积变形值较小。

图5 纤维含量与沥青混合料永久应变关系曲线

(6)疲劳效应

采用间接拉伸试验对混合料的抗疲劳性能进行评价。试验施加的荷载为正弦载荷，每循环荷载持续时间150 ms，间歇时间50 ms，荷载值为350 kPa。将沥青混合料试件在循环荷载下发生断裂的周期数定义为疲劳寿命。

图6为实验室疲劳试验(重复负载间接拉伸试验)结果。由图6可知，废弃纤维的使用显著提高了沥青混合料的抗疲劳性能。

图6 纤维含量与沥青混合料疲劳寿命关系曲线

加入0.1%、0.2%、0.3%废弃纤维后，沥青混合料的疲劳寿命分别提高了28.4%、37.1%和44.2%左右。沥青混合料疲劳寿命增加的原因是分布在混合料中的废弃纤维限制了骨料颗粒的运动，减小了混合料的剪切位移，进而有效地延缓了初始裂纹的产生及扩展。

(7)回弹模量、疲劳寿命与永久变形的关系

根据上述结果以及图4～图6可以分析含废弃纤维沥青混合料回弹模量、疲劳寿命和永久变形之间的相关性。图7为含废弃纤维的沥青混合料回弹模量与疲劳寿命的相关性。由图7可知，沥青混合料的疲劳寿命与回弹模量之间存在近似线性的相关性，随着试件回弹模量的提高，试件的疲劳寿命随之延长；含长度为12.5 mm和20 mm纤维的沥青混合料，其疲劳寿命与回弹模量线性关系的拟合系数分别为0.961和0.973。图8为含废弃纤维的沥青混合料永久应变与回弹模量的相关性。由图8可知，沥青混合料的永久变形与回弹模量之间存在近似线性的相关性，随着试件回弹模量的提高，试件的永久变形量随之减小；含长度为12.5 mm和20 mm纤维的沥青混合料，其回弹模量与永久变形线性关系的拟合系数分别为0.954和0.911。

图7 沥青混合料回弹模量与疲劳寿命关系曲线

图8 沥青混合料回弹模量与永久应变关系曲线

4 结论

将纺织过程中产生的废弃聚丙烯腈纤维添加到沥青混合料中，不但避免了废弃纤维处理过程中造成的污染问题，而且可以提高沥青混合料的力学性能。因此，本文通过马歇尔试验、间接拉伸试验、蠕变试验以及抗疲劳开裂试验检测了含废弃纤维沥青混合料的工程性质。

(1)马歇尔试验结果表明，当沥青混合料中添加的废弃纤维含量小于0.3%时，可以增加沥青混合料的稳定性、降低流值。

(2)间接拉伸试验结果表明，当纤维含量小于0.4%时，沥青混合料的回弹模量随纤维含量的增加而变大；当纤维含量大于0.4%以后，沥青混合料的回弹模量值趋于稳定。

(3)蠕变试验结果表明，在相同的载荷和温度条件下，在原沥青混合料中合理加入少量废弃纤维改善了原沥青混合料的变形性能。

(4)抗疲劳开裂试验结果表明，在沥青混合料中加入适量废弃纤维可以改善沥青混合料的疲劳状况，增加其对裂缝或永久变形的抵抗力。