纤维对排水沥青混合料路用性能的影响研究

张志斌

(广东盛翔交通工程检测有限公司，广东 广州510000)

近年来我国公路建设的核心开始从“运输需求”向“服务质量”转变。目前大部分道路采用的是传统级配沥青路面，存在不少服务质量上的问题，如雨天路表积水，影响汽车驾驶的舒适性与安全性等。此外，城市内涝问题对人民生产生活造成极大影响，如2021年夏季河南等区域特大暴雨，造成了数十亿元的财产损失。考虑上述两方面问题，使排水路面具有较好的透水、优良的降噪、优越的抗滑性能，必将成为未来道路路面发展的主要趋势。

排水沥青路面在美国、欧洲及日本已广泛应用，也有不少中国学者致力于排水路面的各项攻关研究。如陈华鑫等[1]对各国排水沥青路面设计方法进行综述，并认为日本排水沥青路面设计方法更为合理。蒋玮[2]研究了不同材料组成排水沥青混合料的疲劳性能，并分析排水沥青混合料疲劳特性的关键影响因素。陈剑等[3]研究排水沥青混合料PAC-13的材料组成设计，发现沥青胶浆对排水混合料性能有重要影响。张卫兵等[4]研究老化条件对PAC-13排水沥青混合料疲劳性能的影响，得出老化后排水沥青混合料的抗疲劳性能变差的结论。杨鹰等[5]研究纤维类排水降噪超薄磨耗层混合料，发现纤维类排水混合料可提高混合料的稳定性。

另外，纤维已在道路工程中应用，并且大量学者也在致力于研究纤维沥青混合料的性能，如张杰等[6]研究玄武岩纤维对混合料的路用性能影响，发现玄武岩纤维可有效改善沥青混合料的各项路用性能。Zheng等[7]研究复杂环境下玄武岩纤维改性沥青混合料的疲劳性能。发现氯离子侵蚀和冻融循环的耦合效应影响沥青混合料的抗拉强度、最大弯曲拉应力、弯曲刚度模量和疲劳性能；添加适量的玄武岩纤维，可大大改善沥青混合料在复杂环境下的低温弯曲性能和疲劳性能。Ye等[8]研究了纤维改性沥青混合料的动态和疲劳性能，发现纤维沥青混合料的疲劳参数降低，表明纤维改性剂可改善沥青混合料的疲劳性能。彭广银等[9]对比了玄武岩纤维与聚酯纤维对改善沥青混合料路用性能的影响。何东坡等[10]研究了玄武岩纤维长度对排水沥青路面性能的影响，发现6 mm左右纤维长度较好。

综上，纤维对沥青混合料性能具有一定的增强作用，但目前关于不同纤维对新型沥青混合料性能影响的研究较少，如排水沥青混合料。因此，本文以PAC-13排水沥青混合料为基础，分别进行玄武岩纤维和聚酯纤维排水沥青混合料的配合比设计及路用性能研究。制备了不同掺配方案的PAC-13排水沥青混合料，分别利用车辙试验、低温抗裂试验、冻融劈裂试验及小梁弯曲试验评价PAC-13排水沥青混合料的高温稳定性、低温开裂性能、水稳定性及疲劳性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文中，矿粉用石灰岩，集料用玄武岩。根据《公路工程集料试验规程》[11]，测定了集料的基本性能，结果均满足《排水沥青路面设计与施工技术规范》[12]的要求。本文所用沥青为SBS改性沥青与9%HVA制备的高粘沥青。根据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]进行基本性能测试，结果如表1所示。本文选用两种纤维，分别为玄武岩纤维和聚酯纤维，其基本性能如表2所示。

表1 SBS高粘沥青的基本性能

表2 所用纤维的主要性能

1.2 混合料制备

本文采用混合料矿料级配，如表3所示。为分析纤维带来的影响，制定三种沥青混合料掺配方案：一种不加纤维(PAC-0)，一种加占混合料总质量0.35%的玄武岩纤维(PAC-X)，一种加占混合料总质量0.15%的聚酯纤维(PAC-J)。两种纤维含量不同的原因主要是考虑到聚酯纤维具有直径更小、更吸油的特性。为确定不同沥青混合料的油石比，进行了马歇尔、析漏与飞散试验，最终得到三种沥青混合料的最佳油石比分别为：PAC-0为4.8%，PAC-X为4.9%，PAC-J为4.9%。

表3 PAC-13的设计级配

2 排水沥青混合料的路用性能分析

2.1 高温稳定性分析

为了评价高温稳定性，本文按以下步骤进行车辙试验：①根据确定的油石比、矿料级配及掺配方案，制备车辙板试件；②将试件放入60 ℃的恒温箱，保温6 h；③以42次/min的速度，开始试验。三种不同排水混合料的高温车辙试验结果如图1所示。

图1 不同PAC-13沥青混合料的高温试验结果

由动稳定度定义可知，动稳定度越大，则混合料的高温稳定性越好。由图1可知，三种混合料的动稳定度均符合规范要求。PAC-J与PAC-X的动稳定度大于PAC-0，即纤维的掺入提高了排水沥青混合料的抗车辙能力，这表明不管是玄武岩纤维还是聚酯纤维，均可以改善排水沥青混合料的高温性能。另外，PAC-X的动稳定度略大于PAC-J，因此可以预测，如果两种纤维的掺量相同，则聚酯纤维可能更好地改善PAC-13沥青混合料的高温稳定性。造成这一结果的原因可能是聚酯纤维与沥青之间具有更好的吸附性，但具体机理需后续进行微观试验研究。

2.2 低温抗裂性能分析

评价沥青混合料低温抗裂性能的常用试验之一是低温弯曲试验[14]。为了评价PAC-13沥青混合料的低温抗裂性能，按以下步骤进行低温弯曲试验：①根据确定的油石比、矿料级配及掺配方案，制备车辙板试件；②切割车辙板，制备250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件,将试件放入-10 ℃的恒温箱，保温5 h；③以50 mm/min的速度，开始试验。试验结果如图2所示。

(a)最大弯拉应变

由图2a可知，三种排水混合料的最大弯拉应变均满足要求。由图2a和图2b可知，PAC-X和PAC-J的最大弯拉应变大于PAC-0，PAC-X和PAC-J的弯曲劲度模量小于PAC-0，这表明玄武岩纤维和聚酯纤维改善了PAC-13沥青混合料的低温抗裂能力。主要原因包括：两种纤维可以吸附混合料中的自由沥青，增加结构沥青含量，从而增加集料间粘结性；另外，纤维可能自身构成了网状结构，形成一种加筋效果，从而提高了排水沥青混合料的低温抗裂性能。

2.3 水稳定性分析

沥青混合料的水稳定性通常利用冻融劈裂试验来评价[15]。为了评价PAC-13沥青混合料的水稳定性，按以下步骤进行冻融劈裂试验：①根据确定的油石比、矿料级配及掺配方案，成型两组马歇尔试件；②将一组试件与压头放入-18 ℃±2 ℃的恒温冷冻箱，保温16 h；③取出试件，将其放在60 ℃的恒温水槽中，保温24小时；④将两组试件一同放入25 ℃的恒温水槽中，保温2 h；⑤以50 mm/min的速度进行冻融劈裂试验。试验结果如图3所示。

图3 不同PAC-13沥青混合料的冻融劈裂试验结果

图3表明所有PAC-13排水沥青混合料的冻融劈裂试验结果均满足规范要求。另外，PAC-X和PAC-J的冻融劈裂强度均大于PAC-0，表明玄武岩和聚酯纤维改善了PAC-13排水沥青混合料的水稳定性。这可能是由于纤维与沥青具有很好的吸附性，可以吸附沥青混合料中的自由沥青，增加了沥青膜的量，提高了抗剥落能力。

2.4 疲劳性能分析

疲劳性能作为沥青混合料的关键性能指标之一，在沥青混合料的适用性研究中必不可少[16]。为分析PAC-13排水沥青混合料的抗疲劳性能，进行四点弯曲疲劳试验。首先，根据确定的油石比、矿料级配及掺配方案，成型车辙板。然后切割车辙板，制备250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件。采用应变控制模式，试验温度为15 ℃±0.5 ℃，加载频率为10Hz。当试件的劲度模量降为初始模量的50%，试验终止。试验结果如图4所示。

图4 不同PAC-13沥青混合料的疲劳试验结果

由图4可知，所有PAC-13排水沥青混合料的疲劳寿命随应变水平的增大而减小。另外，同一应变水平下，PAC-X和PAC-J的疲劳寿命大于PAC-0的疲劳寿命，这表明玄武岩纤维和聚酯纤维均可提高排水沥青混合料的疲劳性能。疲劳性能改善的原因可能是纤维在沥青胶浆中形成了三维空间网络，增加了胶浆的韧性，可限制疲劳裂纹的发展，从而提高了混合料的疲劳寿命。

3 结论

(1)两种纤维均改善了PAC-13排水沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及疲劳性能。

(2)在目前的掺配方案下，玄武岩纤维比聚酯纤维对PAC-13排水沥青混合料路用性能具有更好的改善作用。本研究为了控制油石比，两种纤维选取的含量不同，后续研究应开展等掺量的研究，以更明确两种纤维的影响。

(3)纤维主要是与沥青相互作用来改善沥青混合料的性能，因此后续应加强纤维沥青胶浆的研究，建议尝试采用微观方法揭示纤维的增强机理。