聚丙烯腈纤维改性沥青混合料的路用性能研究

龙慧

（广东启扬工程检测咨询有限公司，广东湛江 524000）

减少沥青路面病害一直是公路工程领域的关键问题，建筑材料是路面疾病的主要因素之一。如今，纤维添加剂已被视为增强沥青路面抗裂性和韧性的材料[1]。在当今使用的许多类型的纤维中，PAN纤维作为一种100%由石油制成的有机合成纤维，是沥青混合料的理想增强材料。相比普通纤维，它在特殊表面改性过程中具有独特的表面性能，与沥青具有更好的相容性，并且在混合物中具有出色的传递载荷和协同变形的特性，从而显著改善了沥青混合物的铺装性能[2]。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

沥青采用广东茂名的A-70#基体沥青制成，沥青的技术性能如表1所示。本研究中使用的纤维为6mm切成束状的PAN纤维，如表2所示，所选的粗骨料为碎玄武岩石，矿物粉为石灰石。细骨料采用天然沙子制成，材料的所有技术指标均符合规格要求。

1.2 试验方案

为了提高面层的铺装性能，采用马歇尔法设计了AC-13制成的PAN纤维沥青，其骨料级配列于表3。根据铺装施工经验和先前的研究，PAN纤维含量的范围以0.1%的间隔从0%～0.4%选择，其中每个值表示沥青混合料总量的质量百分比。特别地，当纤维含量为0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%时，最佳沥青比例分别测试为4.9%，5.1%，5.2%，5.2%，5.3%。由于PAN纤维对沥青的吸附作用，纤维含量越高意味着沥青比例越高。在测试过程中，每个实验进行了三个平行样本，三个平行样本的平均值不得超过每个样本的测量值的15%，否则应重复进行实验。结果，可以确认平行试样的平均值是相对准确的，其真实地表征了混合物的路面性能。

表3 AC-13沥青混合料的集料级配

2 结果及讨论

2.1 高温稳定性测试结果及分析

在车辙试验中，将动态稳定性（DS）作为60℃温度下的评价指标。PAN纤维含量对沥青混合料高温性能的影响如图1所示。

从图1中可以看出，添加PAN纤维的沥青混合料的高温性能优于不使用PAN纤维的沥青混合料。随着PAN纤维含量从0%增加到0.2%和0.3%，DS分别增加了44.72%和51.89%。但是，随着混合物中加入更多的PAN纤维，DS呈下降的趋势，这表明过量的PAN纤维可能会导致自身分布不均和结块，为此，在沥青砂浆之间会形成滑动表面，因此DS会下降。

在高温条件下，游离沥青在沥青混合料中的润滑作用增强，骨料之间的内摩擦减小，导致剪切强度降低，高温下混合物的稳定性降低。但PAN纤维具有以下两个方面的优点，可以克服上述障碍：一方面，PAN纤维的吸油性可以增加沥青膜的厚度，减少游离沥青的含量，从而增强混合物的剪切强度。另一方面，PAN纤维提高了沥青的粘度并在混合物中形成空间网络结构。因此，增强了沥青砂浆的内聚力，从而抑制了骨料之间的相对滑动，确保了混合物的高温稳定性。

表1 沥青的基本技术性能

表2 聚丙烯腈纤维的技术指标

表4 小梁弯曲试验结果

图1 车辙试验结果

2.2 低温抗裂性测试结果与分析

小梁弯曲试验在-10℃低温下的抗裂性试验结果如表4所示。

从表4中可以看出，PAN纤维改善了沥青混合料的低温抗裂性。当纤维含量从0%增加到0.2%和0.3%时，抗张强度分别增加11.6%和9.8%，破坏应变也分别增加30.8%和32.8%。从统计数据可以看出，PAN纤维稍微改善了混合物的低温拉伸强度，但是显著提高了低温韧性，因此增加了变形能力并推迟了混合物在低温下的破裂。

PAN纤维的粗糙表面上有微细的凹槽和孔，只要PAN纤维被沥青渗透，它们两者之间就会相互嵌入并在混合物中产生协同力学变形。另外，短切PAN纤维均匀地分布在混合物中，起到桥接、增强和传递应力的作用，从而阻碍了混合物的裂纹扩展。当沥青混合料在低温下产生孔洞和裂缝时，共变形的PAN纤维可以分散应力，使混合料受力更均匀。同时，当纤维延伸穿过孔和裂缝形成桥纤维时，它可以保护薄弱的界面，从而吸收释放的裂纹扩展能量，即裂纹扩展受到短纤维的限制。因此，当路面载荷和温度应力耗散后，PAN纤维增强了混合料的自愈能力和韧性，减轻了混合料的损伤，从宏观上提升了混合料的抗裂性。

2.3 水稳定性测试结果与分析

采用残余马歇尔稳定度和冻融劈裂比来评价不同PAN纤维含量下的水分稳定性，其试验结果如图2所示。

从图2中可以看出，随着PAN纤维含量的增加，剩余的马歇尔稳定性和冻融分裂比都先上升然后下降。特别地，在最佳纤维含量下，MS分别增加6.8%和TRS分别增加11.8%。由于PAN纤维对沥青的吸收，更多的PAN纤维会形成更理想的沥青含量。当沥青的最佳含量增加时，结构性沥青的量随之增加，即沥青膜变厚，并且沥青—骨料的界面粘合力变强。此外，由于水分吸收率低，PAN纤维在被水分渗透后其性能没有显著变化，这进一步防止水分进入内部结构。因此，水分需要更多的渗透能来破坏界面粘合，这证明PAN纤维对混合物的水分稳定性有很大的影响。

图2 水稳定性试验结果

3 结论

本文介绍了在不同环境条件下聚丙烯腈纤维增强沥青混合料的高温稳定性，低温抗裂性以及水稳定性，并揭示了路丙烯氰纤维的抗裂增强原理。根据结果和分析，得出以下结论：

（1）随着PAN纤维含量从0%增加到0.2%和0.3%，DS分别增加了44.72%和51.89%。但是随着混合物中加入更多的PAN纤维，DS呈下降趋势。过量的PAN纤维导致自身分布不均和结块，为此，在沥青砂浆之间会形成滑动表面，因此DS会降低。

（2）PAN纤维稍微改善了混合物的低温拉伸强度，但是显著提高了低温韧性，因此增加了变形能力并推迟了混合物在低温下的破裂。当路面载荷和温度应力耗散后，PAN纤维增强了混合料的自愈能力和韧性，减轻了混合料的损伤，从宏观上提升了混合料的抗裂性。

（3）随着PAN纤维含量的增加，剩余的马歇尔稳定性和冻融分裂比都先上升然后下降。在最佳纤维含量下，MS分别增加6.8%和TRS分别增加11.8%。当沥青的最佳含量增加时，结构性沥青的量随之增加，即沥青膜变厚，并且沥青—骨料的界面粘合力变强。由于自身水分吸收率低，PAN纤维在被水分渗透后其性能没有显著变化，这进一步防止了水分进入内部结构。