不同纤维对新型生态排水沥青混合料性能影响评价

2020-12-10袁祖光梁维广吴飞富张云霞彩雷洲

硅酸盐通报 2020年11期

袁祖光，梁维广，吴飞富，张云霞，邹杰，许斌，彩雷洲

(1.广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司，南宁 530000；2.广西交通投资集团有限公司,南宁 530000； 3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

0 引言

排水沥青混合料(Porous Asphalt Concrete,PAC)是一种具有连通空隙的开级配沥青混合料，因其具有良好的排水抗滑性能而在国内外得以广泛应用[1-2]。但排水沥青混合料的高空隙率导致其抵抗外界侵蚀能力较差，易发生沥青膜老化现象，且抗压、抗剪切能力差，所以在地形复杂、地势较陡或车流量较大地区较少使用[3- 4]。

近年来,纤维材料在普通沥青混合料中的应用逐渐被人们所认知，沥青玛蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt,SMA)路面结构的兴起也推动着人们更加深入地分析纤维在沥青混合料中的作用机理。Serin等[5]将钢纤维加入SMA中，研究表明当沥青和钢纤维用量分别为5.5%和0.75%时，增强沥青混合料具有最佳性能。Guo等[6]研究了玻璃纤维、玄武岩纤维和钢纤维三种纤维对SMA低温性能和抗裂性的影响，发现添加纤维后，沥青混合料极限拉伸强度下降，压缩模量和拉伸模量之间的间隙增加；此外，纤维的添加不仅改善了混合物的延展性，而且延迟了断裂过程，使纤维沥青混凝土具有更高的断裂能和耗散蠕变应变能。Pirmohammad等[7]将不同长度和掺量的两种天然纤维(洋麻和山羊绒)添加到SMA中研究其断裂性能，研究表明洋麻和山羊绒纤维是用于制造沥青路面的有前景的材料，由长度为8 mm的0.3%洋麻纤维和长度为4 mm的0.3%羊绒纤维增强的沥青混合物显示出最佳效果。马峰等[8]将木质素纤维、玄武岩矿物纤维复合加入SMA中，结果表明复合纤维的高温性能、水稳定性和低温应变能较普通沥青混合料有较大幅度增长，但两种复合纤维的抗疲劳性能差异不大。由于排水性沥青混合料级配是比SMA更“粗”的级配,也就成为更容易产生沥青析漏的级配。所以，将纤维用在排水性沥青混合料中，同在SMA中类似，在稳定沥青的同时，纤维在排水沥青混合料中具有加筋、分散、吸附沥青、增粘等作用[9-11]，研究发现玄武岩纤维排水沥青混合料在低温抗裂和抗疲劳性能方面具有较好的表现，更适用于排水沥青路面的材料选择。王伟平[12]研究表明纤维在减少排水性沥青混合料的析漏方面功能显著,纤维的力学增强作用只有在掺量较大时才能体现出来。Wang等[13]将不同长度切碎的玄武岩纤维掺在排水沥青混合料中，表明纤维能在排水沥青混合料中形成三维网络结构，因此添加切碎的玄武岩纤维通常可以改善多孔沥青混合料的性能。使用木质素纤维能够很好的改善排水性沥青混合料对沥青用量的敏感性，增加沥青膜厚，减少、消除沥青离析[14-16]。现阶段纤维的研究和应用集中于 SMA 和其他密级配的沥青混合料，将纤维应用于排水沥青的相关研究较少，且主要集中在研究纤维的长度、某种纤维的掺量等，而纤维种类繁多，纤维的类型对排水沥青混合料性能影响的对比研究也较为缺乏，工程上选择纤维具有一定的盲目性与不确定性。

基于此，本文针对广西降雨量较大地区和重要交通路段，分别选取三种不同纤维(聚合物纤维、木质素纤维、玄武岩纤维)加入排水沥青混合料，首先对比优选品质最佳的三种不同纤维，通过体积指标、稳定度和流值、浸水马歇尔稳定度等确定最佳掺量(质量分数，下同)，最后在最佳纤维掺量下，以残留稳定度试验、冻融劈裂试验、车辙试验、渗水试验评价不同纤维对新型生态排水沥青混合料路用性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

研究所用沥青为壳牌70号基质沥青、A-SBS(苯乙烯系热塑性弹性体)改性沥青以及SBS改性沥青-高黏度改性沥青(High Viscosity Modifiecl Asphalt,HVA)，其基本性能指标如表1所示。

表1 不同道路石油沥青性能指标Table 1 Performance index of different road asphalts

1.2 试验方法

本研究分别选取不同公司生产的木质素纤维、矿物纤维(玄武岩纤维)和聚合物纤维各三种，通过纤维指标(长度、断裂伸长率、断裂强度、耐热性)、掺加纤维沥青混合料指标(析漏损失185 ℃、肯塔堡标准飞散损失)，对比分析三种纤维的指标，优选出各方面性能最佳的三种纤维。随后将三种最佳纤维按照不同掺量(考虑纤维掺量过大可能会造成排水沥青混合料中空隙堵塞，因而选择各类型纤维掺量(质量分数)为0.05%、0.10%、0.15%)加入到生态排水沥青混合料中，根据性能指标结果优选出三种纤维各自最佳掺量，试验方案如表2所示；最后通过最佳掺量对比分析不同纤维对生态排水沥青性能影响，试验方案如表3所示。试验过程中生态排水沥青混合料采用级配矿粉及集料各档筛分如表4所示。

表2 第一步试验方案Table 2 First step tests plan

表3 第二步试验方案Table 3 Second step tests plan

表4 各档集料筛分及合成级配汇总Table 4 Aggregate sieving and synthesis gradation summary

2 纤维品质的选择与确定

2.1 纤维的选择

2.1.1 聚合物纤维

三种不同公司生产的聚合物纤维A、B、C纤维指标(断裂伸长率、断裂强度)以及掺加纤维沥青混合料指标(析漏损失185 ℃、肯塔堡标准飞散损失)如图1和图2所示。在耐热性试验(210 ℃，2 h)中，只有纤维B体积、颜色无明显变化。

由图1可知，聚合物纤维A、B、C中，聚合物纤维A、B、C的断裂伸长率都满足规范，但聚合物纤维B的断裂伸长率最大；加入聚合物纤维A、B、C测定试件的飞散质量损失，聚合物纤维B的飞散质量损失最小，即加入聚合物纤维B的沥青混合料抗飞散能力最好。

由图2可知，聚合物纤维A、B、C的断裂强度都满足规范，其中聚合物纤维B的断裂强度最高，聚合物纤维C耐热性和飞散质量损失超限；总体来看，聚合物纤维B在各个指标上不仅符合规范，而且相比其他聚合物纤维A、C表现更好。因此，在聚合物纤维A、B、C中，聚合物纤维B更适合作为排水沥青混合料的掺加纤维。

图1 不同聚合物纤维指标对比图Fig.1 Index comparison of different polymer fibers

图2 不同聚合物纤维断裂强度对比图Fig.2 Breaking strength comparison of different polymer fibers

2.1.2 木质素纤维

对三种不同公司生产的木质素纤维A、B、C进行检测，其含水率、吸油率及耐热性试验结果如图3所示。

由图3可知，木质素纤维A含水率超限，木质素纤维B、C含水率符合规范要求，且木质素纤维C含水率更低，性能表现更好；木质素纤维A、B、C吸油率都满足规范要求，其中木质素纤维C的吸油率是木质素纤维B的1.3倍；木质素纤维B的耐热性超限，木质素纤维A、C的耐热性符合要求，但木质素纤维C相比木质素纤维A具有更好的耐热性能。总体来看木质素纤维C的各方面性能优于木质素纤维A和C，因此，在木质素纤维A、B、C中，木质素纤维C更适合作为排水沥青混合料的掺加纤维。

2.1.3 玄武岩纤维

对三种不同公司生产的玄武岩纤维A、B、C进行检测，其断裂强度、含水率、浸润剂含量试验结果如图4所示。

图3 不同木质素纤维检测指标对比图Fig.3 Index comparison of different lignin fibers

图4 不同玄武岩纤维检测指标对比图Fig.4 Index comparison of different basalt fibers

由图4可知，玄武岩纤维A、C的断裂强度超限，而玄武岩纤维B的断裂强度符合要求；玄武岩纤维C的含水率超限，玄武岩纤维A、B的含水率符合规范要求，其中玄武岩纤维B的含水率更小；玄武岩纤维A、B、C的浸润剂含量只有C超限，而玄武岩纤维A、B的浸润剂含量皆满足要求。综上所述，玄武岩纤维B在各方面的性能表现均满足规范要求，且大部分性能表现优于玄武岩纤维A和C。因此，在玄武岩纤维A、B、C中，玄武岩纤维B更适合作为排水沥青混合料的掺加纤维。

2.2 纤维最佳掺量确定

研究所采用沥青为高粘沥青，油石比为4.8%，聚合物纤维采用聚合物纤维B，木质素纤维采用木质素纤维C，玄武岩纤维采用玄武岩纤维B。分别以0%、0.05%、0.1%、0.15%纤维掺量(质量分数)进行体积指标(空隙率和密度)、稳定度和流值、浸水马歇尔稳定度测定。再根据以上指标选定的聚合物纤维的最佳掺量，探究残留稳定度试验、冻融劈裂试验、车辙试验、渗水试验对排水沥青混合料性能的影响。

2.2.1 聚合物纤维掺量对排水沥青混合料性能影响

不同聚合物纤维掺量试验结果如表5、6所示。

表5 不同聚合物纤维掺量指标测定表Table 5 Index determination of different polymer fiber content

表6 0.1%聚合物纤维掺量下排水沥青混合料路用性能指标Table 6 Performance index of PAC at 0.1% polymer fiber content

由表5可知，加入聚合物纤维B后对混合料的密度影响较小，根据四种掺量的聚合物纤维B成型的马歇尔试件测定，马歇尔密度最大相差0.035。纤维加入后马歇尔试件的空隙率仍然保持在(22±1)%的允许范围内；在不同纤维掺量的马歇尔试件稳定度中，加入0.1%聚合物纤维后，稳定度出现较大提高，相比于未加纤维的马歇尔稳定度提高12%，相比于加入0.05%聚合物纤维稳定度提高23%，相比于加入0.15%聚合物纤维稳定度提高21%。加入聚合物纤维后整体流值都出现降低，而且浸水后流值也出现降低，尤其是加入0.1%聚合物纤维后，浸水后流值低于其他三种掺量。此外，加入聚合物纤维后飞散质量损失大大降低，相比于未加入纤维时飞散质量损失最大降低35%，且加入0.1%和0.15%时质量飞散损失非常接近，但掺量相差0.05%，出于经济考虑，0.1%聚合物纤维掺量更加符合实际使用。综上所述，加入四种掺量的聚合物纤维B后，排水沥青混合料的性能有了较大提升，尤其是抗飞散能力，其中0.1%的聚合物纤维掺量下排水沥青混合料更加符合经济和质量要求。

由表6可知，0.1%聚合物纤维B掺量下的排水沥青混合料四个指标完全满足规范要求，残留稳定度相比于规范最低要求提高16%左右；冻融强度比相比于规范最低要求提高10.7%，证明加入0.1%聚合物纤维B的排水沥青混合料抗水损害性能完全符合要求。加入0.1%聚合物纤维B的排水沥青混合料动稳定度为10 865，比规范最低要求高两倍多，证明加入0.1%聚合物纤维B的排水沥青混合料高温稳定性非常好，完全可以满足高温地区的耐高温能力实际需要。渗水系数相对于规范最低要求提高18%，证明排水沥青路面完全可以满足多雨地区的高排水要求。综上所述，加入0.1%的聚合物纤维B能够有效提高排水沥青混合料的抗水损害能力、耐高温能力和排水能力。

2.2.2 木质素纤维掺量对排水沥青混合料性能影响

不同木质素纤维掺量试验结果如表7、8所示。

由表7可知，加入木质素纤维C后对混合料的密度影响较小。空隙率波动较小，连通孔隙率全部维持在18%左右，证明木质素纤维C的加入并不会对体积指标有巨大影响。但是当木质素纤维掺量达到0.15%时，体积指标出现相对而言比较大的波动；在不同纤维掺量的马歇尔试件稳定度中，加入木质素纤维后，流值出现降低，相对于未加入纤维最大降低幅度达到30%。浸水48 h后稳定度相对于未加入纤维提高较大，当木质素纤维掺量为0.1%时，浸水48 h后稳定度提高幅度最大。此外，加入木质素纤维后飞散质量损失大大降低，相比于未加入纤维时飞散质量损失最大降低22%，且加入0.1%和0.15%时质量飞散损失非常接近，但掺量相差0.05%，出于经济考虑0.1%木质素纤维掺量更符合实际使用。

表7 不同木质素纤维掺量下试验结果Table 7 Test results of different lignin fiber content

表8 0.1%木质素纤维掺量下排水沥青混合料路用性能Table 8 Performance index of PAC at 0.1% lignin fiber content

由表8可知，0.1%木质素纤维C掺量下的排水沥青混合料四个指标符合规范要求，残留稳定度相比于规范最低要求提高16.8%，冻融强度比大于规范最低要求，证明加入0.1%木质素纤维C的排水沥青混合料抗水损害能力达到规范要求并有较大提高。排水沥青混合料动稳定度为9 600，比规范最低要求高近两倍，证明加入0.1%木质素纤维C的排水沥青混合料高温稳定性能够满足高温地区耐高温能力的实际需要；渗水系数相对于规范最低要求提高9.9%，证明排水沥青路面能够满足多雨地区的高排水要求。综上所述，加入0.1%的木质素纤维C能够有效提高排水沥青混合料抗水损害能力、耐高温能力和排水能力。

2.2.3 玄武岩纤维掺量对排水沥青混合料性能影响

不同玄武岩纤维掺量试验结果如表9、10所示。

表9 不同玄武岩纤维掺量下指标测定表Table 9 Test results of different basalt fiber content

表10 0.1%玄武岩纤维掺量下排水沥青混合料路用性能Table 10 Performance index of PAC at 0.1% basalt fiber content

由表9可知，加入玄武岩纤维后，马歇尔试件的密度增大，最大幅度达到1.8%，但当纤维掺量为0.05%和0.1%时，密度最大幅度为1.4%，相对于玄武岩纤维掺量0.15%密度降低22%；纤维加入后马歇尔试件的空隙率受到影响，空隙率不高于21%，证明玄武岩纤维会较大影响马歇尔试件的体积指标。当玄武岩纤维掺量为0.1%时，空隙率为21%，但连通空隙率为18.4%达到设计要求；在排水沥青混合料中加入玄武岩纤维时，不论纤维掺量大小，马歇尔稳定度都提高3.5%～12%，浸水48 h后马歇尔稳定度提高3.1%～4.7%，但是当玄武岩纤维掺量为0.05%时，稳定度比数据超标，分析由于马歇尔试件在60 ℃水中保温48 h，高温水浴和时间增加了沥青与集料之间的粘结力，数据应不做参考。除此之外，加入玄武岩纤维后飞散质量损失大大降低，抗飞散能力提高，提高范围为26.7%～40.2%。而玄武岩纤维掺量为0.1%和0.15%时质量飞散损失非常接近，抗飞散能力提高幅度只相差4.9%，但是纤维掺量增加50%，出于经济考虑，0.1%玄武岩纤维掺量更符合实际需要。综上所述，加入四种掺量的玄武岩纤维B后，排水沥青混合料的性能有了较大提升，尤其是抗飞散能力，其中0.1%的玄武岩纤维掺量下更加符合质量和经济要求。因此，玄武岩纤维B的四种掺量应该优选0.1%为最佳掺量，以便于下一步研究。

由表10可知，0.1%玄武岩纤维B掺量下排水沥青混合料的四个指标符合规范要求，残留稳定度相比于规范最低要求提高14.1%，冻融强度比大于规范最低要求24.6%，加入0.1%玄武岩纤维B的排水沥青混合料抗水损害能力表现出极大提高。排水沥青混合料动稳定度为13 216，高于规范最低要求两倍以上，证明加入0.1%玄武岩纤维B的排水沥青混合料高温稳定性和高温抗变形能力充分满足高温地区的耐高温需要；渗水系数相对于规范最低要求提高24.4%，排水能力强，证明排水沥青路面的排水能力高于多雨地区的排水要求。综上所述，加入0.1%的玄武岩纤维B能够有效提高排水沥青混合料抗水损害能力、耐高温能力和排水能力。

3 纤维种类对排水沥青混合料性能的影响

图5 三种纤维排水沥青混合料空隙指标对比图Fig.5 Void indexes comparison of PAC with three fibers

以0.1%纤维掺量为三种纤维的最佳纤维掺量。在保证相同纤维掺量下对混合料的各项指标进行对比分析，试验结果如图5～图8所示。

由图5、图6可知，加入不同纤维后稳定度、抗飞散能力都得到提升，但是体积指标有比较小的降低。纤维增加了沥青与矿料的粘附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，减少析漏，使得稳定度、抗飞散能力都得到提升。三种加入纤维的混合料相比之下，加入聚合物纤维和玄武岩纤维的沥青混合料密度增大0.036，空隙率下降1.2%，但加入玄武岩纤维的沥青混合料连通空隙率较大，因此不同纤维对体积指标的负面影响程度排序为：木质素纤维>聚合物纤维>玄武岩纤维。从加入不同纤维的标准马歇尔稳定来看，聚合物纤维最好，玄武岩纤维次之，木质素纤维最差，但是加入玄武岩纤维沥青混合料48 h后马歇尔稳定度最大，而木质素纤维48 h后稳定度剧增，数据表现异常，参考价值低。因此不同纤维对沥青混合料稳定度提高程度排序为：玄武岩纤维>聚合物纤维>木质素纤维。而不同纤维对沥青混合料抗飞散能力提高程度排序为：玄武岩纤维>聚合物纤维>木质素纤维，其中玄武岩纤维和聚合物纤维差距并不大。这是由于玄武岩纤维单丝直径小,同掺量下纤维数更多,形成了更密集的整体网络,稳定性更好。

图6 三种纤维排水沥青混合料稳定度指标和飞散质量损失对比图Fig.6 Stability and flying mass loss rate comparison of PAC with three fibers

图7 不同纤维排水沥青混合料路用性能对比图Fig.7 Road performance comparison of PAC with three fibers

图8 不同纤维排水沥青混合料路用性能对比图Fig.8 Road performance comparison of PAC with three fibers

由图7、图8可知，加入不同纤维后高温稳定性以及抗水损害能力都得到提升，对渗水性能也影响微小。一方面，纤维在混合料中以一种三维的分散相存在，起到加筋作用，同时可以吸附以及吸收沥青从而使沥青用量增加，沥青油膜变厚，提高了排水沥青混合料的高温稳定性。另一方面，纤维使沥青膜处于比较稳定的状态，尤其是夏天的高温天气，沥青受热膨胀，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的介质，避免成为自由沥青而泛油，从而使得排水沥青混合料抗水损害能力提升。

三种加入纤维后的沥青混合料残留稳定度相比差距较小，加入木质素纤维沥青混合料的残留稳定度最好，加入聚合物纤维和玄武岩纤维的沥青混合料残留稳定度次之，但加入玄武岩纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比较大，因此不同纤维对沥青混合料抗水损害能力的提高程度排序为：玄武岩纤维>聚合物纤维>木质素纤维。加入不同纤维对沥青混合料动稳定度提高程度排序为：玄武岩纤维>聚合物纤维>木质素纤维，其中聚合物纤维和木质素纤维相差较小。而不同纤维对沥青混合料渗水能力影响程度排序为：玄武岩纤维>聚合物纤维>木质素纤维，其中三种纤维差距并不大，数据随机性较强。综上所述，玄武岩纤维对排水沥青混合料各方面性能提高最为显著。