玻璃纤维透水沥青混合料路用性能试验研究

王春阳

（郑州市公路工程公司，河南郑州450009）

沥青混合料是将沥青、矿料等主要材料拌和，用于道路沥青面层铺筑的功能材料，在长期的道路服役过程中，受复杂交通工况和日照、雨水侵蚀，沥青路面往往会产生各类病害问题。传统的沥青路面结构主要采用密级配沥青混凝土，在雨雪天气下易造成路面湿滑现场，直接危及交通安全[1-3]。与此同时，沥青马蹄脂碎石、开级配等新型路面结构被广泛应用，可缓解路面积水、湿滑等问题，其基本原理是采用较大孔隙的沥青混合料，能使路面技术快速排出，提升路面的抗滑性能[4-5]。但在长期的雨水侵蚀和路面持续荷载作用下，沥青混合料内部结构仍旧会产生松散、剥落等问题，缩短沥青混合料的使用寿命[6]。为提升该种路面材料的耐久性，国内外学者也进行了一定研究，随着产生了聚合物改性沥青混合料，能在一定程度上提升混合料内部材料的裹附性，材料的失稳和松散现象有效降低。但仅采用改性沥青来提升混合料的综合性能，并非完全适用于每个地区公路，针对特殊地区路面建造技术水平，高模量剂、纤维材料等新材料又被进行沥青混合料的复掺应用，旨在全面提升沥青混合料材料的路用性能[7-8]。玻璃纤维作为工程建设常用材料，本研究将其应用于沥青混合料的生产过程，旨在探究沥青混合料性能的优化。

1 原材料与试验方案设计

1.1 沥青

研究使用的沥青材料为普通AH-70# 基质沥青，对其进行各项指标测定，结果见表1。

1.2 高粘剂

高粘剂是一种沥青材料外掺剂，可以大幅提升沥青的黏度。研究采用TPS 型高粘剂，呈黄色颗粒状，高粘沥青的制备过程如下：

（1）称取适量基质沥青及TPS 高粘剂，在180℃烘箱中加热一个小时。

（2）将基质沥青倒入高速剪切机中，并分次加入TPS 高粘剂，剪切半个小时。

（3）将剪切好的高粘沥青倒入器皿中，放置180℃烘箱中发育备用。

制备好的高粘沥青指标检测结果见表2。

表2 改性沥青指标检测结果Table 2 Test results of modified asphalt index

1.3 纤维

纤维材料选用12mm 长的普通玻璃纤维，材料出丝均匀，伸缩性较好，其技术指标见表3。

表3 玻璃纤维性能技术指标Table 3 Performance and technical indexes of glass fiber

1.4 矿料

矿料是沥青混合料拌和的关键组成材料，根据粒径范围不同，又可以详细分为粗集料、细集料和填料。研究采用的粗细集料均为石灰岩，其质地坚硬，针片状含量少，表观洁净无明显杂质，对其进行主要技术指标测定，结果见表4。

表4 粗细集料物理技术指标Table 4 Physical and technical indexes of coarse and fine aggregate

1.5 沥青混合料配合比设计

沥青混合料的配合比设计是混合料成型及组织构架实现的关键过程，尤其是特殊地区公路建设或新材料的应用应更加重要。针对开级配的透水沥青混合料而言，其配合比设计可考虑马歇尔试验法则，重点关注粗细集料合成级配的粒径曲线及马歇尔试件的孔隙率、流值、稳定度等指标，其级配选用OGFC-13，设计级配曲线如图1 所示。

图1 OGFC-13 目标设计级配Fig.1 OGFC-13 target design gradation

为深入研究玻璃纤维对OGFC 透水沥青混合料的性能影响，采用不同掺量的玻璃纤维对其进行针对性试验，纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4% 和0.6%。通过马歇尔试验分别确定了不同纤维掺量对应的混合料最佳油石比，相关测试结果见表5。

表5 沥青混合料最佳油石比及相关技术指标Table 5 Optimum asphalt aggregate ratio and relevant technical indexes of asphalt mixture

2 透水沥青混合料路用性能

2.1 高温性能

沥青混合料的高温性能通常是指混合料在高温环境下抵抗变形的能力，研究通常采用高温车辙试验、马歇尔试验、单轴压缩试验等用以测试和表征，考虑到本研究采用的混合料类型为透水性材料，因此，试验采用马歇尔试验中的流值和稳定度来表征材料的高温性能，探究其与纤维掺量的规律关系，相关测试结果如图2～图3所示。

图2 沥青混合料流值结果Fig.2 Flow value results of asphalt mixture

图3 沥青混合料稳定度结果Fig.3 Asphalt mixture stability results

由图2 和图3 分析可知，随着纤维掺量的增加，其流值呈先下降后上升的趋势，而稳定度指标呈相反的趋势。流值越小表征在同等压缩变形条件下产生的变形更小，当纤维掺量为0.2% 时，其流值达到1.70mm，稳定度为6.41kN，较不掺纤维分别降低39% 和提升15%，达到最佳状态。说明纤维掺量的增加并非越多越好，可以通过纤维掺量的具体化研究，实现纤维用量最优与性能最佳的匹配。

2.2 水稳定性

水稳定性是剖析沥青混合料在水损伤环境下性能劣化的性能，研究通常常用浸水马歇尔试件的残留稳定度和冻融劈裂强度比来表征性能指标。研究对不同玻璃纤维掺量下的混合料水稳定性能进行测定，结果如图4～图5 所示。

图4 沥青混合料残留稳定度Fig.4 Residual stability of asphalt mixture

图5 沥青混合料冻融劈裂强度比Fig.5 Strength ratio of freezethaw splitting of asphalt mixture

如图4 和图5 可知，随着纤维掺量的逐渐增大，沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈现一定幅度的波动变化，当纤维掺量为0.2%时，其残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为87.2% 和88.2%。但随着纤维的逐步增加，其指标有所下降。其主要原有是纤维材料的增加，初期会提升混合料内部结构的搭接和稳定，促进整体的强度增加，在水损伤环境下能抵抗甚至提升其水稳定性，但是当纤维掺量达到一定数量时，内部结构会存在失稳现象，易造成局部材料的薄弱，易产生水损伤，因此，纤维掺量的加入对于沥青混合料的性能需反复试验确认研究。

2.3 低温抗裂性

低温抗裂性是表征沥青混合料在寒冷环境下产生开裂的性能，研究经常会对成型的沥青混合料进行小梁试验的切割并进行力学试验，研究小梁在低温环境下开裂时的应变大小，其测试结果见表6。

表6 沥青混合料低温抗裂性能Table 6 Low temperature crack resistance of asphalt mixture

由表6 可知，纤维的掺入在一定程度上提升了沥青混合料的低温抗裂性能，其中破坏应变分别提升3.43%、8.12% 和2.36%， 劈裂抗拉强度分别提升6.96%、17.39% 和0.87%，说明0.4% 掺量的玻璃纤维对于沥青混合料低温抗裂性能的提升效果是最佳的。玻璃纤维的掺入，会将混合料内部的矿料进行裹附，在高粘沥青的嵌挤作用下，纤维-沥青-矿料形成合理稳定的空间结构，在寒冷稳定下，材料变得更加坚硬和易脆，纤维具有一定的弹塑性，能够缓解低温对混合料内部的开裂影响。

2.4 透水性能

作为开级配的透水沥青混合料，需要满足雨水天气下大孔隙排水性能，研究对成型的车辙板试件进行透水性能的检验，采用渗水系数进行综合判定，其基本原理是记录单位时间内透过混合料试件渗出的水量，测试结果见表7。

表7 沥青混合料渗水系数Table 7 Permeability coefficient of asphalt mixture

由表7 可知，纤维的掺入对沥青混合料的透水性能影响较小，渗水系数随纤维掺量的增加而上下波动无固定规律，说明玻璃纤维的增加对透水性能影响可忽略不计。其主要原因是，在透水沥青混合料配合比设计过程中，重点关注了材料的孔隙率，在高粘剂和纤维材料的共同作用下，材料内部的结构孔隙变化较小，如果要增强沥青混合料的渗水系数，应对在配合比设计阶段以控制材料的孔隙率大小进行优化设计。

3 结语

本文针对玻璃纤维透水沥青混合料进行性能试验，分别考察了纤维掺量对混合料高温性能、水稳定性、低温开裂性及透水性的影响，认为纤维的增加并不意味着对混合料性能的永久提升，对于高温性能和水稳定性而言，呈现先上升后下降的趋势，最佳掺量为0.2%；而低温抗裂性随纤维掺量的增加而波动，最佳掺量为0.4%；而对比掺纤维和不掺纤维混合料的渗水系数，其数值差别不大，说明纤维的掺加对渗水效果影响较小。综上研究，建议在透水沥青混合料中掺加玻璃纤维的掺量为0.2%～0.4%，可提升其综合性能，延长使用寿命。