聚丙烯纤维对多孔沥青混合料性能的影响

2023-06-11梁浩宇

交通科技与管理 2023年10期

梁浩宇

摘要为提高多孔沥青混合料的抗变形能力和耐久性能，文章研究了聚丙烯纤维对多孔沥青混合料的影响，测试了不同纤维掺量下多孔沥青混合料的性能指标。结果表明：多孔沥青混合料的路用性能随纤维掺量的提高先增大后减小，最佳掺量为0.4%；聚丙烯纤维可以增强骨料和黏结剂之间的黏附能力，与传统的多孔沥青混合料相比，聚丙烯纤维的加入提高了多孔沥青混合料永久变形的性能、抗裂性能和耐久性。

关键词聚丙烯纤维；多孔沥青混合料；力学强度；耐久性；高温稳定性

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0099-03

0 引言

多孔沥青路面因其高空隙率的特征可以有效改善地表径流，减少路面积水和城市热岛效应，同时可以降低噪音，减少水雾，提高雨天驾驶安全[1-2]。但多孔结构又导致路面强度降低，耐久性较差，极大地限制了多孔路面的推广应用[3]。为了提高多孔路面的耐久性能，研究人员展开了大量研究，其中在路面中使用纤维是有效的手段之一[4]。该研究评估了掺加聚丙烯纤维的多孔沥青混合料的路用性能。确定了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料性能的影响，通过室内试验测试了马歇尔稳定度、动稳定度、抗剪强度、低温弯曲应变、SCB强度和浸水马歇尔稳定度来评估其性能。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

该研究采用SBS改性沥青制备多孔沥青混合料。SBS改性沥青技术指标见表1。

该研究采用石灰石碎石作为粗骨料，石灰石机制砂作为细集料，技术指标见表2～3。

1.2 级配设计

该文研究多孔沥青混合料的级配各筛孔通过率见表5。

1.3 试验方案

该文研究了聚丙烯纤维对多孔沥青混合料力学性、高温抗车辙性能、低温抗裂性及水稳定性的影响，根据以往的研究经验，纤维掺量分别选用0.0%、0.5%、1.0%和1.5%。

1.4 试验方法

（1）马歇尔稳定度和流值。成型不同聚丙烯纤维掺量的多孔沥青混合料试件，根据沥青及沥青混合料试验规程，测试其马歇尔稳定度，每项指标至少三次平行试验。

（2）高温稳定性。该研究分别采用车辙试验和单轴贯入试验评价多孔沥青混合料的高温稳定性。成型不同聚丙烯纤维掺量的多孔沥青混合料车辙板试件，根据沥青及沥青混合料试验规程进行车辙试验，测试纤维掺量对动稳定度的影响。采用单轴贯入试验评价纤维多孔沥青混合料的抗剪强度。抗剪强度在一定程度上可以表征沥青混合料抵抗高温的能力，原因在于路面车辙多数属于剪切变形，与沥青混合料抗剪强度息息相关。

（3）低温抗裂性。该研究采用小梁弯曲试验和半圆弯曲试验来评价多孔沥青混合料的低温抗裂性能。成型不同聚丙烯纤维掺量的多孔沥青混合料车辙板试件，并切割为小梁试件，测试纤维掺量对劲度模量的影响。成型不同聚丙烯纤维掺量的多孔沥青混合料马歇尔试件，切割为40 mm厚的半圆弯曲试件，测试纤维掺量对混合料SCB强度的影响，试验温度为?10 ℃。

（4）水稳定性。该研究采用浸水马歇尔稳定度评价聚丙烯纤维对多孔沥青混合料水稳定性的影响，将成型的马歇尔试件分为两组，其中一组直接测试其马歇尔稳定度，另一组在60 ℃的恒温水浴箱中浸泡24 h后测试其马歇尔稳定度，计算两组马歇尔稳定度的比值。

2 试验结果与讨论

2.1 马歇尔稳定度

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料马歇尔稳定度的影响，试验结果如图1所示。

如图1所示，随着聚丙烯纤维掺量的增加，多孔沥青混合料马歇尔稳定度先增大后减小，呈凸形抛物线趋势，当纤维掺量为1.0%时，马歇尔稳定度达到顶峰，此时马歇尔稳定度提升约39.7%。由于多孔沥青的结构中细料较少，因此，粗集料之间的接触面较小，使用聚丙烯纤维可以增加混合物的结构沥青量，增大粗集料间的黏聚力。聚丙烯纤维一方面可以保留沥青黏结剂，另一方面可以帮助沥青均匀包覆骨料，形成一个厚度恒定的沥青层。

2.2 高温稳定性

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料动稳定度的影响，试验结果如图2所示。

如图2所示，随着聚丙烯纤维掺量的增加，多孔沥青混合料动稳定度先增大后减小，呈凸形抛物线趋势，当纤维掺量为1.0%时，马歇尔稳定度达到顶峰，此时马歇尔稳定度提升约14.7%。主要原因在于多孔沥青混合料抵抗永久变形的能力主要包括集料嵌挤力和集料－沥青胶浆黏聚力，摻加纤维后，纤维错乱分布形成的空间网络结构增大了沥青的硬度，降低了高温下沥青胶浆的流动性，使得集料－沥青胶浆黏聚力极大地提升，因此动稳定度明显增大。

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料抗剪强度的影响，试验结果如图3所示。

如图3所示，纤维掺量对抗剪强度的影响规律与动稳定度相似，在纤维掺量1.0%时抗剪强度达到最大，此时抗剪强度提升61.9%。

2.3 低温抗裂性

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料低温弯曲应变的影响，试验结果如图4所示。

如图4所示，随着聚丙烯纤维掺量的增加，多孔沥青混合料的低温弯曲应变持续增大，但增大速率有所降低。究其原因在于纤维沥青对混合料低温性能的改善不仅仅在于黏聚力的提升，同时空间网状结构可以吸收并扩散弯曲应力，减缓裂缝的发生和发展，尽管过量纤维对结构强度有负面影响，但总的来说纤维对低温抗裂性的收益仍然较大。

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料SCB强度的影响，试验结果如图5所示。

如图5所示，与低温弯曲应变变化规律相似，随着聚丙烯纤维掺量的增加，多孔沥青混合料的SCB强度持续增大，但增大速率有所降低。

2.4 水稳定性

该文研究了聚丙烯纤维掺量对多孔沥青混合料浸水马歇尔稳定度的影响，试验结果如图6所示。

如图6所示，随着纤维掺量的增大，浸水马歇尔稳定度先增大后减小，最佳掺量（1.0%）浸水马歇尔稳定度可提升6.5%。多孔沥青混合料结构中细料较少，因此，粗集料之间的接触面较小，使用聚丙烯纤维可以增加混合物的结构沥青量，并进一步黏聚细集料，减小水分浸入集料－沥青胶浆界面，因此对水稳定性大有提升。

3 结论

该文研究了不同掺量下多孔沥青混合料的力学强度、高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，形成如下结论：

（1）聚丙烯纤维可以极大地增强骨料和黏结剂之间的黏附能力，与传统的多孔沥青混合料相比，聚丙烯纤维的加入提高了多孔沥青混合料永久变形的性能、抗裂性能和耐久性。

（2）多孔沥青混合料高温稳定性和水稳定性能均随纤维掺量的提高先增大后减小，最佳掺量为1.0%；纤维掺量为1.0%时，高温稳定性至少提高14.7%，水稳定性提高6.5%。

（3）纤维形成的空间网状结构可以吸收并扩散弯曲应力，减缓裂缝的发生和发展，随着聚丙烯纤维掺量的增加，多孔沥青混合料的低温性能持续增大，但增大速率有所降低。

参考文献

[1]和燕超. 玻璃纤维增强多孔沥青混合料路用性能分析[D]. 邯郸：河北工程大学， 2020.