纤维改善排水沥青混合料性能试验研究

焦江华

( 洛阳华杰公路工程有限公司，河南洛阳471000）

随着道路基础建设的迅猛发展，沥青路面代替传统水泥路面成为舒适性好、受力分布均匀的路面材料，但是，由于长期受到高温阳光和雨水的渗透和侵蚀，路面会产生裂缝、车辙、麻面和其他病害。现有沥青路面场采用AC-13 密实性级配，雨雪天气会降低路面的抗滑能力，危及路面的交通安全和服务质量。为满足不同地区及环境下道路服役需求，沥青马蹄脂碎石、开级配等新型道路结构被应用推广，排水沥青路面（OGFC）是一种孔隙率较大的骨架支撑沥青混合料，具有快速消散路面积水、保持路面抗滑特性等优点[1-3]。但长期的雨水浸润易会加剧路面结构损伤，会使得混合料产生开裂、松散等问题。相关研究表明纤维材料掺入沥青混合料中可提升材料的弹韧性，增强路用性能[4]。汤寄予[5]研究了不同纤维沥青混合料的高低温性能及自愈合性能，认为纤维能够有效抑制混合料内部的裂缝开展，延长道路服役寿命；赵丽华[6]认为纤维以三维空间网络分布在混合料中，可增强混合料的抗疲劳性能；熊锐等[7]研究了水镁石纤维沥青混合料的耐腐蚀性能，认为可延长混合料的耐久性能。王辉等[8]研究了聚丙烯、木质素和玄武岩3 种不同纤维对沥青混合料的性能影响，认为3 种不同纤维对混合料的增强效果各异，聚丙烯纤维对混合料的疲劳性能提升最明显；高桂海等[9]采用玄武岩纤维制备排水沥青混合料，认为可大幅提升混合料的低温抗裂性能及疲劳性能；雷鹏群[10]对重载交通条件下掺纤维的排水沥青混合料进行研究，认为纤维可增强混合料内部的稳定，抵抗水损伤的性能有所提升。玻璃纤维是一种无机纤维，产量多、应用广泛，但在排水沥青路面结构中应用较少，研究拟采用玻璃纤维制备纤维-沥青胶浆和沥青混合料，探究对排水沥青混合料的性能变化规律。

1 原材料

1.1 高粘沥青

研究采用高粘沥青制备沥青纤维胶浆和沥青混合料，高粘沥青是将15% 掺量的TPS 改性剂与基质沥青进行高温剪切制备，其技术指标见表1。

表1 高粘沥青技术指标Table 1 Technical indexes of high viscosity asphalt

1.2 矿料

粗细集料均为玄武岩，填料为普通石灰岩矿粉，材料质地均匀无杂质，相关技术指标见表2。

表2 粗集料技术指标Table 2 Technical indexes of coarse aggregate

1.3 纤维

研究采用玻璃纤维、玄武岩纤维及钢纤维分别制备沥青纤维胶浆，研究纤维与沥青间的粘结特性，三种纤维的长度均为12mm，技术指标见表3。

表3 纤维技术指标Table 3 Technical index of fiber

2 纤维- 沥青胶浆拉拔性能研究

研究采用三种不同类型的纤维制备纤维- 高粘沥青胶浆，采用拉拔试验来探究纤维与沥青胶浆间的粘结特性。其试验原理是将纤维束按不同的埋置深度浇筑沥青试件，试验温度为30℃，通过控制沥青胶浆试件位置不变，对纤维束进行拉拔，记录纤维断裂或拔出时对应的力的大小，试验结果如图1 所示。

图1 不同纤维拉拔试验结果Fig.1 Drawing test results of different fibers

从图1 可以看出，随着纤维埋置深度的增加，纤维-沥青胶浆拉拔对应的最大荷载逐渐增加。且三种纤维横向对比分析，玻璃纤维拉拔对应的最大荷载最大，玄武岩纤维其次，钢纤维最低。表明玻璃纤维与沥青胶浆的黏聚特性最佳，玻璃纤维的断裂拉伸率较大，弹塑性和延展性较好，在外力荷载作用下，玻璃纤维能够缓解沥青胶浆的弹塑性变形，共同增强沥青胶浆的服役性能。基于此，研究以玻璃纤维为试验对象，制备排水沥青混合料，研究其具体的路用性能表现。

3 沥青混合料路用性能

为进一步探究玻璃纤维掺量对排水沥青混合料的性能影响规律，研究将玻璃纤维分别以0%、0.2%、0.4%和0.6%质量掺量制备排水沥青混合料，研究选用的排水沥青路面结构级配为OGFC，其级配曲线如图2 所示。

图2 OGFC-13 级配曲线Fig.2 OGFC-13 grading curve

以普通沥青混合料为例，其析漏和飞散损失随油石比变化趋势如图3 所示。

图3 混合料析漏、飞散损失随油石比变化曲线Fig.3 Variation curve of mixture leakage and dispersion loss with oil stone ratio

从图3 可以看出，随着混合料油石比的增加，混合料的析漏损失变大，飞散损失减少。根据排水沥青路面混合料的设计规范，普通排水沥青混合料的最佳油石比为5.0%。

如表4 所示，随着玻璃纤维掺量的增加，混合料的油石比有所增加，而对应的毛体积密度、孔隙率、稳定度和流值均不断增大。其主要原因是玻璃纤维具有吸油属性，纤维的加入需要更多的沥青用量来维持混合料内部结构的凝聚力、稳定性。而纤维的加筋作用，增强了混合料内部骨架支撑结构，使得有效的连通孔隙率有所增加。

表4 最佳油石比及马歇尔技术指标Table 4 Best oil stone ratio and Marshall technical index

3.1 高温稳定性

排水沥青路面的有效连通孔隙率较大，在重载环境下易导致孔隙率压缩，进而造成路面的车辙变形乃至坑洼等病害，本文研究了不同玻璃纤维掺量混合料的高温性能，并通过60℃车辙试验测试了混合料的动稳定度，结果如图4 所示。

图4 混合料动稳定度试验结果Fig.4 Dynamic stability test results of mixture

随着纤维掺量的掺入，混合料的动稳定度有所增长，但增长速率减缓。纤维掺量为0.2%、0.4% 及0.6% 时，其动稳定度分别达到3912 次/mm、3986 次/mm 和4012次/mm，相较于普通排水沥青混合料分别提升了7.12%、9.15% 和9.86%。纤维掺加后期动稳定度提升不明显是因为纤维与沥青胶结料有效融合，已最大限度提升混合料的裹附性和稳定性，纤维的继续添加无法从力学角度再增强其强度等级。因此，并非玻璃纤维掺量越多对混合料的性能越好。

3.2 水稳定性

排水沥青路面长期处于雨水浸润环境下，水分子会沿混凝土内部裂缝侵入到结构内部，诱发内部材料松散、开裂等病害问题。研究采用残留稳定度和冻融疲劳强度比两个指标来评价混合料的水稳定性，试验结果如图5所示。

图5 混合料水稳定性试验结果Fig.5 Water stability test results of mixture

从图5 可以看出，随着玻璃纤维含量的增加，混合料的残留稳定性和冻融劈裂强度比先增大后减小，但均高于普通沥青混合料的初始值，0.4% 纤维含量混合料的残留稳定性为89.5% ，0.2% 掺量纤维混合料的冻融劈裂强度比为88.6%。其主要原因是，纤维的加入能够增强与沥青胶结料的黏聚性，进一步稳定混合料内部的集料分布和骨架结构。但是纤维掺量的增加也会导致连通孔隙率增大，会增加水分子与孔隙内壁接触面积，加剧水损伤侵蚀的程度。冻融劈裂试验过程中，饱和水分子将孔隙填充并冻结，材料间的模量不同，界面接触存在差异，会在水浴环境下产生内部温度应力变化，进一步削弱混合料的水稳定性。

3.3 低温抗裂性能

作为沥青面层上部结构，排水沥青路面会在雨雪天气下降至零下摄氏度，在车辆荷载的往复作用下会使得混合料内部产生低温开裂现象。本文研究了不同玻璃纤维掺量沥青混合料的低温抗裂性能，采用低温小梁进行破坏荷载测试，记录相应的应变变化，试验结果如图6所示。

图6 混合料破坏应变Fig.6 Failure strain of mixture

混合料的低温抗裂性能有所提升，但增长速率有所减缓。纤维掺量在0.2%、0.4% 和0.6% 时，其对应排水沥青混合料的破坏应变分别为3952μm、4072μm和4123μm，较普通排水沥青混合料分别提升7.19%、10.44% 和11.83%，增长幅度与混合料高温稳定性较为一致。玻璃纤维以三维网状结构分散在沥青混合料中，有效地将粗细集料、高粘沥青等进行有效的粘结，增强内部材料的黏聚性和稳定性。纤维良好的延性可以缓解沥青混合料的应力集中，延缓沥青混合料的裂缝发展。

3.4 排水特性

作为排水沥青路面，雨水的渗透稀释能力应重点考量，混合料的排水特性理论上与孔隙率直接相关，研究对不同纤维掺量下混合料的渗水系数进行测定，试验结果如图7 和图8 所示。

图7 混合料渗水系数试验结果Fig.7 Test results of water permeability coefficient of mixture

图8 孔隙率-渗水系数曲线Fig.8 Porosity permeability coefficient fitting curve

从图7 和图8 可以看出，随着玻璃纤维掺量的增加，混合料的渗水系数不断提升，当纤维掺量为0.2%、0.4%和0.6% 时，其对应排水沥青混合料的渗水系数分别为4452mL/min、4527mL/min 和4632mL/min，较 普 通 排水沥青混合料分别提升了5.50%、7.27% 和9.76%。将孔隙率和渗水系数进行拟合，二者呈较好的对数函数关系，随着孔隙率的增加，混合料的渗水系数增长速率逐渐减缓，表明混合料中玻璃纤维的掺量并非越多越好，应根据混合料的各项路用性能进行综合比选。

为进一步确定混合料中玻璃纤维的适宜掺配比例，研究将不同性能试验数据进行汇总分析，如图9 所示。

图9 不同纤维掺量下混合料性能Fig.9 Performance of mixture with different fiber content

从图9 可以看出，不同纤维掺量下混合料的性能汇总比选，其中，动稳定度、破坏应变及渗水系数随纤维掺量的增加呈增长趋势，但增长速率逐渐减缓；而残留稳定度和冻融劈裂强度比性能呈先上升后下降的趋势，研究建议玻璃纤维的适宜掺量应控制在0.4%左右。

4 结语

研究对玻璃纤维、玄武岩纤维及钢纤维与沥青胶浆的拉拔特性进行分析，认为玻璃纤维的断裂拉伸率较好，与沥青胶浆的粘结特性较强。基于此，分别制备了不同玻璃纤维掺量下排水沥青混合料并进行路用性能分析，研究表明，混合料的动稳定度、破坏应变及渗水系数随纤维掺量的增加逐渐提升，但提升速率有所减缓，而残留稳定度和冻融劈裂强度比呈先上升后下降趋势。综合各性能比较分析，推荐玻璃纤维的适宜掺量在0.4%左右，将玻璃纤维应用到排水沥青路面中，能够增强内部沥青混合料的黏聚力和稳定性，有利于延长其服役寿命。