不同纤维沥青混合料耐久性评价

陶明路

摘要 文章选取木质纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、PVA（聚乙烯醇高强高模纤维）作为混合料稳定剂，通过模拟沥青混合料不同时长热老化，对四种纤维沥青混合料进行室内老化，运用马歇尔稳定度、浸水飞散、冻融劈裂、三点小梁弯曲等试验探究纤维对沥青混合料的高温耐久性、抗水损害耐久性、低温抗开裂耐久性的影响。

关键词 纤维;沥青混合料;耐久性;高速公路

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0107-03

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沥青混合料内部与外界直接接触面积较大，容易受陽光、水、空气等环境因素影响。安徽夏季气温较高，沥青混合料老化速度快，沥青路面的耐久性往往得不到保障。国内外研究表明纤维作为稳定剂分散在沥青混合料中，有吸附、增粘、加筋等作用，能够增强沥青混合料的耐久性能，延长道路使用寿命[1]。

1 纤维稳定剂

工程中应用的纤维，一般分为两类：天然纤维和聚合物纤维。天然纤维是通过天然高聚物化学处理后，机械加工制得，原材料来源广泛，包括棉、麻、木材等，常用的有木质纤维、玄武岩纤维等，其中木质纤维在SMA路面中得到了广泛应用[2];聚合物纤维是利用高分子物质作为原料，经过特殊化学处理与加工制造而成，常见的聚合物纤维有聚酯纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等。该文考虑到选择多样性，故分别选择两种天然纤维：木质纤维和玄武岩纤维，两种聚合物纤维：玻璃纤维和PVA纤维作为添加剂，以期提高沥青混合料的耐久性。

2 沥青混合料老化评价方法

沥青混合料的老化是指沥青路面受到气候、行车荷载等因素长期作用，沥青胶结料性质和结构逐步损失，性能劣化，不能满足路面技术要求，路面结构破坏。沥青混合料老化分为长期和短期两个阶段，短期老化在路面建成之前，包括拌合站拌和、储存、运输，摊铺压实等，在摊铺结束，路面降至自然温度后，老化结束;长期老化是指路面在运营期间，长时间受到外界环境因素作用，沥青胶结料性质逐渐缩减，路面性能不断衰减，老化至路面性能不能满足行车要求指标结束。

2.1 短期老化评估方法

借鉴SHRP取得研究成果，短期老化的试验方法能够模拟沥青混合料在拌和、运输、压实情况下，受热后沥青的轻质组分挥发，并发生一定程度氧化的过程，评价方法主要有延时拌和法、烘箱加热法、微波加热法三种，比较后发现烘箱加热法设备常规操作难度较小，有可行性，模拟施工条件的老化也较为真实可靠，而延时拌和法只能模拟拌和期间的老化，具有一定局限，微波加热法设备不够常规，使用经验也较少。因此，将烘箱加热法用作沥青混合料短期老化方法较好。

2.2 长期老化评估方法

沥青混合料长期老化方法能反映路面在长期受外界环境作用下，发生的一系列的化学、物理反应，其中最重要的是氧化反应。SHRP拟定的长期老化包括延时烘箱加热、加压氧化处理和红外/紫外加热处理。比较来看，加热养护氧化操作较为复杂，安全性也需要注意，延时烘箱能达到与加压氧化类似的氧化程度，温度较一般自然条件要高，红外线、紫外线难以模拟野外条件，并且设备不够常规，操作难度较大。因此，将烘箱加热法作为沥青混合料长期老化方法较为可行。借鉴SHRP的老化评估方法，试验采用烘箱加热法模拟沥青混合料不同时长老化，加热时间分别设定为0 h、2 h、4 h、6 h、8 h。

3 老化后抗高温性能

采用马歇尔试验对不同老化程度下的四种纤维混合料高温性能进行比较，试验级配采取贝雷法设计得到的合成级配，考虑到木质纤维体积较大，吸油能力较强，其掺量选用0.2%，其他纤维掺量选择惯用的0.3%，由析漏和飞散试验得到木质纤维混合料的最佳油石比为4.9%，其余纤维沥青混合料最佳油石比均在4.8%左右，空隙率均能维持在21%左右。试验结果如表1所示。

由表1可知，四种纤维混合料稳定度均随着老化时间的延长逐渐增大，这说明随着老化的加深，沥青混合料的强度不断增大，高温稳定性得到提升。分析其原因主要在于加热老化使沥青内部饱和分、芳香分等轻质组分逐渐挥发，沥青中的活性组分吸收氧气形成极性含氧基团，并且不断搭接，形成高分子胶团，破坏了沥青原有的组分和结构，沥青质增多，沥青逐渐变硬，宏观表现为沥青混合料有更高的强度。

从表1来看，老化时长内，四种纤维混合料的稳定度大小顺序没有发生更迭，均为玄武岩纤维>玻璃纤维>木质纤维>PVA纤维。从数值来看，老化0 h时PVA纤维混合料的略小于5 kN，从试验来看可能是由于其空隙率稍大于21%所造成，其余纤维沥青混合料均满足规范对于稳定度大于5 kN的要求，说明纤维对于混合料强度起到了一定积极作用。

玄武岩混合料的马歇尔稳定度从开始就远大于其他三种纤维混合料，在没有老化时为6.28 kN，老化8 h后为7.83 kN，高温性能表现优异，这也与玄武岩纤维具有最高的抗拉强度形成对应关系。玻璃纤维的破坏强度随老化时间的延长速度加快，没有老化时稳定度为5.26 kN，老化8 h后提升至7.56 kN，但仍小于玄武岩沥青混合料。

4 老化后抗水损坏性能

沥青混合料由于大空隙的特征，当降雨时，雨水可以借助内部连通空隙排出到路两边的排水渠道，对防止水损坏起到了积极作用，但沥青内部也存在较多的半开口空隙，在潮湿多雨的地区，空气中的气态水和地下水长期存在半开口空隙中，在行车荷载的作用下，沥青粘度降低，在冲刷作用下，形成动水压力，破坏路面结构。沥青有排水的功能特性，是易受水损坏的路面类型之一，对其水损坏性能研究很有必要。

当前测试沥青混合料的水稳定性试验包括浸水马歇尔、浸水飞散，冻融劈裂试验等，根据实际经验，浸水飞散、冻融劈裂试验无论是便利性还是准确性都较为突出，采用浸水飞散试验和冻融劈裂试验，模拟老化和水损坏共同作用下纤维混合料的性能表现。

4.1 浸水飞散试验

浸水飞散试验的试验结果如表2。

由表2可知，随着老化时间的延长，四种纤维沥青混合料的浸水飞散损失率均呈现不同幅度增长，这说明沥青与集料之间的粘附作用下滑，老化降低了纤维沥青混合料的抗水损害能力。当老化时间从0 h提高至8 h，玄武岩纤维和PVA沥青混合料的浸水飞散损失率增长幅度相对较小，两者表现出相对优异的抵抗水损坏能力，其中玄武岩纤维沥青混合料的浸水飞散损失率从3.68%增大到7.43%，共增长3.75%，PVA从4.53%增大到8.01%，共增长3.48%。木质纤维和玻璃纤维沥青混合料的飞散损失率增大速度较快，其中木质纤维沥青混合料的浸水飞散损失率从6.15%增大到12.21%，共增长6.06%，PVA纤维沥青混合料从3.96%增大到11.58%，共增长7.62%，两者在老化时长为8 h的浸水飞散损失均超过了10%，抗水损坏耐久性能下降明显，这两种纤维沥青混合料受长期水热损坏的影响较大。

从飞散损失率大小来看，当老化时间为0 h时，四种纤维沥青混合料的浸水飞散损失率为均小于7%，纤维的添加对沥青混合料内部材料具有较好的约束作用，分散在沥青混合料中的纤维形成的网状结构提高了沥青混合料的整体性。综合老化时长，四种纤维沥青混合料的抗水损害能力由高到低分别为玄武岩纤维>PVA纤维>玻璃纤维>木质纤维。

4.2 冻融劈裂试验

不同纤维、不同老化时长的沥青混合料冻融劈裂试验结果如表3所示。

由表3可知，沥青混合料随老化时长增加，其劈裂强度比提高，但提高幅度不明显，老化一定程度上缩小了冻融循环前后的强度差距。根据劈裂强度的试验结果也可发现，老化提高了沥青混合料的整体强度原因是沥青老化破坏了原有的沥青组分和结构，沥青质增多，沥青变硬，粘度增大，表现出了更高的劈裂强度。从纤维沥青混合料种类来看，四种纤维沥青混合料的强TSR由高到低分别为玄武岩纤维>PVA纤维>玻璃纤维>木质纤维，这与浸水飞散试验的试验结果形成对应。

5 低温抗开裂性能

裂缝是沥青路面的常见病害之一，初期裂缝对路面的使用无明显影响，但在交通荷载、环境等多种因素影响下，裂缝逐步扩展、稠密、复杂，最终使路面结构发生破坏。

安徽多数区县昼夜温差大，秋冬季节夜间气温较低，沥青路面容易因交通荷载和温度变化等因素导致开裂，故对沥青混合料低温的抗变形能力也有所要求，利用小梁弯曲试验对四种纤维混合料进行低温性能测试。

试验采用SANS萬能试验机，试件为250 mm×30 mm×35 mm小梁，跨径为（200±0.5）mm，试验温度采用（−10±0.5）℃，加载速率为50 mm/min。四种纤维混合料的弯曲试验结果见表4。

沥青混合料抗弯拉强度越大，气温降低时，沥青路面因收缩产生的拉应力允许值就越大，路面抵抗低温开裂能力就越高。由表4可知，四种纤维沥青混合料的抗拉应力均能够达到6 MPa以上，纤维的加入使透水沥青路面表现出较好的抗弯拉强度，原因在于纤维以三维分散相分布在沥青混合料中，起到了加筋作用，提高了对集料的约束力，并且纤维也吸收了部分拉伸应力，增强了混合料强度和韧性。四种纤维混合料抗弯拉强度中，玄武岩纤维表现最好，达到8.58 MPa，相比其他三种纤维沥青混合料，差距不大。对于安徽较为寒冷的高速公路罩面养护，添加纤维是沥青混合料是避免低温下韧性，强度不足的有效手段。

由表4看出，四种纤维沥青混合料在−10℃下的抗弯拉变形能力均较为出色，能够达到4 000 με左右，表现出优异的低温拉伸能力，能够承受路面因温缩产生的较大变形。从抗弯拉应变能力大小来看，PVA纤维混合料在试件受力破坏时的最大拉应变远大于其他三种，达到5 226 με，超过木质纤维、玄武岩纤维及玻璃纤维沥青混合料的抗弯拉应变1 000 με以上，分析其原因在于PVA纤维的原材料聚乙烯醇平均分子量较高，可以达到60 000～150 000，但其热分解温度和熔点较低，仅在190～210 ℃左右，这使得PVA纤维宏观表现为质地柔软，耐热、耐水能力相对较低，而排水沥青混合料使用的高粘改性沥青对沥青混合料拌和和压实温度要求都较高，其中矿料温度需要达到185～210 ℃，故推测沥青混合料在拌和以及水热老化过程中，部分PVA纤维损失，使得PVA纤维沥青混合料表现出相对玄武岩纤维较低的高温稳定性、抗水损害能力和低温抗拉强度，但在拉伸应变方面有优势。

由表4得出，四种纤维混合料在−10 ℃低温下劲度模量均不超过2 500 MPa，这说明即使在温度较低的情况下，纤维沥青混合料依然能够保持较好的应力松弛性能力，表现出优异的低温抗裂性能。

6 结论

通过试验，四种纤维混合料的高温性能排序为：玄武岩纤维>玻璃纤维>木质纤维>PVA纤维;四种纤维沥青混合料抵抗水损坏能力排序为：玄武岩纤维>木质纤维>玻璃纤维>PVA纤维;四种纤维混合料的低温抗裂性能各有特点，综合看来，玄武岩纤维沥青混合料的抗弯拉强度和低温变形能力均最为突出。可见，玄武岩纤维用作稳定剂加入排水沥青混合料中，无论是从高温稳定性、抗水损害性能，还是低温抗裂均有更为优异的表现，木质纤维次之。经济条件允许的情况下，推荐玄武岩作为纤维稳定增强剂，能够较好地提高排水路面的耐久性能，延长路面的使用寿命。

参考文献

[1]宋建军， 蔡乾东， 李延盛， 等. 高模量组合纤维沥青混合料路用性能研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2019（9）： 43-45.

[2]蔡毅. 不同纤维沥青混合料性能研究[D]. 西安：长安大学， 2019.