不同纤维掺量对沥青混合料性能的影响研究

2022-09-02曹检云高凯凯

现代交通技术 2022年4期

曹检云，高凯凯

(1. 长沙市规划设计院有限责任公司，长沙 410125； 2. 交通运输部科学研究院，北京 100029；3. 交科院公路工程科技(北京)有限公司，北京 100088)

新疆地区夏季炎热、冬季寒冷，因此该地区沥青路面对沥青混合料的综合性能要求较高。为避免新疆地区沥青路面过早出现车辙、开裂等病害，提升道路的服务水平，延长路面使用年限，需要综合考虑沥青混合料的高低温路用性能[1-2]。为提升沥青混合料高温性能，工程中多采用较粗级配的沥青混合料，但粗级配的混合料在低温条件下易出现开裂破坏[3-4]；如采用较细级配的沥青混合料、提高混合料中的沥青含量，可以提高沥青混合料的低温抗变形能力，但此时沥青混合料在高温条件下容易出现车辙、泛油等病害[5]。也有研究试图通过提升沥青性能以达到改善沥青混合料综合性能的目的，但改性沥青质量稳定性难以控制[6-7]，故此方法难以应用于实际工程中。在沥青混合料中掺入纤维，可提升沥青混合料的综合性能[8-9]，同时，AC-20沥青混合料一般应用于沥青路面的中下面层，混合料的低温性能有待提高[10]。本文基于室内试验研究不同纤维种类及掺量下AC-20沥青混合料性能的变化规律，总结纤维种类及掺量对沥青混合料性能的影响，为实际应用提供数据参考。

1 原材料性能

1.1 沥青

本文选用克拉玛依70#沥青，经检测，克拉玛依70#沥青各项指标如表1所示。

表1 克拉玛依70#沥青各项指标

1.2 纤维

本文选用玄武岩纤维(矿物纤维)、木质素纤维及聚酯纤维(聚合物纤维)，3种纤维的技术指标如表2所示。

表2 3种纤维的技术指标

1.3 矿料

本文选用石灰岩集料，AC-20沥青混合料矿料级配如表3所示。

表3 AC-20沥青混合料矿料级配

1.4 试验方案

为研究纤维种类和掺量对AC-20沥青混合料路用性能的影响，本文选用玄武岩纤维、木质素纤维及聚酯纤维，每种纤维在沥青混合料中的掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。采用马歇尔法，确定不同纤维掺量下AC-20沥青混合料的最佳油石比如表4所示，并在最佳油石比下制备AC-20 沥青混合料试样，测试其高温稳定性[马歇尔稳定度(MS)和动稳定度(DS)]、低温抗裂性(抗弯拉强度和破坏应变)以及水稳定性(冻融劈裂强度比)。

表4 不同纤维掺量下AC-20沥青混合料的最佳油石比

由表4可知，随着AC-20沥青混合料中纤维掺量的增加，各沥青混合料的最佳油石比呈现增大趋势，且掺加木质素纤维的沥青混合料的最佳油石比明显大于掺加其他两种纤维的。这是因为纤维能较好地吸附沥青，使得掺加纤维的沥青混合料达到最佳状态所需的沥青用量相比未掺加时增加，且木质素纤维呈絮状结构，相对于其他两种纤维比表面积更大，吸附的沥青更多，所以在相同的纤维掺量下，掺加木质素纤维的沥青混合料最佳油石比较大[11-13]。

2 纤维种类及掺量对AC-20沥青混合料路用性能的影响

2.1 3种纤维掺量对AC-20沥青混合料高温性能的影响

为评价纤维种类及掺量对AC-20沥青混合料高温性能的影响，本文按照马歇尔法确定的最佳油石比，成型不同纤维种类和掺量的AC-20沥青混合料标准马歇尔试件及车辙板，测试AC-20沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度，AC-20沥青混合料高温性能随纤维掺量变化曲线如图1所示。

由图1可知，随着AC-20沥青混合料中纤维掺量的增加，混合料的马歇尔稳定度和动稳定度呈现出先提升后降低的趋势；当玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.4%和0.2%时，对应的沥青混合料的高温性能达到最高点；与普通沥青混合料相比，最佳掺量下的玄武岩纤维沥青混合料、聚酯纤维沥青混合料和木质素纤维沥青混合料马歇尔稳定度分别提升了16.8%、15.4%和13.9%；动稳定度分别提升了30.5%、22.9%和18.2%。可以看出，在最佳纤维掺量下，玄武岩纤维对沥青混合料高温性能的提升效果最好，聚酯纤维次之，木质素纤维的提升效果较弱。

2.2 3种纤维掺量对AC-20沥青混合料低温性能的影响

为评价纤维种类及掺量对AC-20沥青混合料低温性能的影响，选用不同纤维种类和掺量的沥青混合料的小梁试件，在-10 ℃环境下测试其低温破坏极限荷载及破坏时跨中挠度，并计算其抗弯拉强度和破坏时梁底的弯拉应变，沥青混合料低温性能随纤维掺量变化曲线如图2所示。

由图2可知，随着沥青混合料中纤维掺量的增加，掺加3种不同纤维的沥青混合料的弯拉强度和破坏应变均呈现先提升后降低的趋势；当玄武岩纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.4%和0.2%时，对应的沥青混合料的弯拉强度最高、破坏应变最大，混合料低温性能最优；与未掺加纤维的沥青混合料相比，最佳掺量下的玄武岩纤维沥青混合料、木质素纤维沥青混合料和聚酯纤维沥青混合料弯拉强度分别提升了19.7%、11.3%和16.9%，破坏应变分别提升了26.1%、22.7%和17.7%，由此可见玄武岩纤维对沥青混合料低温性能的提升效果最好，木质素纤维次之，聚酯纤维提升效果较弱。

2.3 3种纤维掺量对AC-20沥青混合料水稳定性的影响

为评价3种纤维掺量对AC-20沥青混合料水稳定性的影响，采用马歇尔击实法成型不同纤维种类和掺量的沥青混合料试件，分别测定其冻融劈裂强度比，沥青混合料冻融劈裂强度比随纤维掺量变化曲线如图3所示，其中，TSR表示冻融劈裂强度比。

由图3可知，随着纤维掺量的不断增加，掺加3种不同纤维的沥青混合料对应的冻融劈裂强度比呈现出先上升后下降的趋势；玄武岩纤维掺量为0.3%、木质素纤维掺量为0.4%、聚酯纤维掺量为0.2%时，对应沥青混合料的冻融劈裂强度比最大，混合料水稳性能最优；与普通沥青混合料相比，最佳掺量下的玄武岩纤维沥青混合料、木质素纤维沥青混合料和聚酯纤维沥青混合料冻融劈裂强度比分别提升5.6%、4.7%和4.6%，由此可见玄武岩纤维提升沥青混合料水稳性能的效果最好，木质素纤维和聚酯纤维的提升效果基本相当。

当沥青混合料中的纤维掺量较少时，纤维可以较均匀地分散在沥青混合料中，吸收混合料中的自由沥青，提高结构沥青的比例，增加沥青胶结料的黏度，并起到加筋的作用，因此混合料的路用性能随着纤维掺量的增加而逐渐增强，在最佳掺量时吸附作用和加筋作用强度达到最大值，混合料各项性能达到最优；当纤维掺量继续增加，因纤维拌和均匀性较差，混合料会出现结团现象，混合料内部性能离散性变大，出现应力集中效应，导致沥青混合料的性能降低。