纤维沥青混凝土在桥面应用中的路用性能研究

张海涛 何亚伯

1 概述

现阶段，在改善沥青混合料的路用性能上出现了以下几个研究方向:1)通过改善矿质混合料的级配来提高沥青混合料的高温抗变形能力;2)通过改善沥青性能品质来提高沥青混合料的团聚力，提高抵抗永久变形能力并减少感温性;3)重要研究方向是在沥青混合料中加入纤维加筋材料以改善其整体的物理力学性能。本文结合河南省小刘桥桥面的纤维沥青混凝土铺装项目，通过试验，研究掺加聚酯、聚丙烯腈纤维对沥青混凝土路用性能的改善。

2 试验方案

研究采用马歇尔稳定度试验、残留稳定度试验、冻融劈裂试验、车辙试验和低温极限弯曲试验，全面比较掺加纤维前后以及掺加不同纤维或同种纤维不同掺量时纤维沥青混合料各项路用性能指标的差异。对 AC-16及AC-25型沥青混凝土均按表1中所列的三种试验方案掺加纤维并与不掺加纤维的沥青混凝土进行对比研究。

3 试验结果及其分析

试验均按照文献［1］中的相关方法进行。

3.1 马歇尔稳定度试验

马歇尔稳定度试验及浸水马歇尔试验其试验结果见表2。

1)纤维加入后空隙率均有增大趋势，并且随纤维用量增大而增大。在AC-16沥青混凝土中添加纤维后空隙率的变化要大于AC-25沥青混凝土，这是由于在不掺加纤维时，AC-25沥青混凝土的空隙率大于AC-16沥青混凝土，能为纤维的填充提供一点空间。2)纤维加入后稳定度的变化主要应综合纤维桥接加筋的加强作用与“强度弱点”的削弱作用而定。纤维用量较小时，纤维分散较均匀，稳定度有所提高;但在较大的纤维用量下，纤维的分散性受到限制，反而使混合料的稳定度降低。方案三得到的稳定度为最大，这同样可以用纤维的分散性加以解释:方案三的纤维用量虽然与方案二相同，但由于加入的聚丙烯腈纤维直径(或长径比)远小于聚酯纤维，因此方案三的混合纤维分散性要优于方案二的单一聚酯纤维。并且，聚丙烯腈纤维的强度又远大于聚酯纤维，因此方案三的纤维加筋和桥接作用更为明显。3)一般认为，流值随沥青用量的增加而增大，并且随纤维剂量的增加其增大幅度放缓。但本项目试验结果并未完全体现上述规律，因此认为流值的变化应视沥青用量增加与抗变形能力的提高综合而定。4)纤维加入后，残留稳定度明显增加;但在较大纤维剂量时，残留稳定度增大的幅度减缓，甚至有略微下降的趋势。这是由于纤维加入后，最佳沥青用量增加，其有效沥青膜厚度增大，从而有效地阻碍了水体对沥青的剥离作用;但纤维剂量过大时，因纤维的分散性受到限制，最佳沥青用量不再增加或增幅较小，反而使混合料的空隙率增大，这对混合料水稳定性不利。所以，较大纤维剂量时，残留稳定度却不再增加，这表明纤维的加入虽有利于提高残留稳定度，但并不是越多越好。

表2 沥青混凝土马歇尔稳定度及浸水马歇尔稳定度试验结果表

3.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验结果如图1所示。

图1 试验方案与劈裂强度比的关系图

1)由于纤维沥青胶浆的粘结强度较普通沥青大，而且纤维的加筋作用也提高了混合料的劈裂强度，因此，混合料加入纤维后的劈裂强度比均高于未加纤维的情况。但随纤维剂量的进一步增加，劈裂强度比会出现下降的现象，这是因为当纤维剂量超过一定值时，混合料空隙率增大较多，使混合料在冻融循环作用下强度衰减速率加大，混合料的抗冻和耐水害性能下降，因此，要求在施工中对纤维沥青混合料必须加强碾压，以减小空隙率［2］。2)方案三劈裂强度比最高，其原因是聚丙烯腈纤维长径比及强度均大于聚酯纤维，因此其加筋作用也更为明显，对提高混合料的抗裂性能作用更好。一般认为混合料抗裂性能差而形成裂纹是早期水破坏的内在决定性因素，因此提高混合料的抗拉性能才能从根本上解决路面早期水破坏问题。3)AC-16沥青混凝土劈裂强度比均高于同等条件下的AC-25沥青混凝土，其原因是由于前者的空隙率小于后者，空隙率愈小，则水稳定性愈好。

3.3 低温弯曲试验

试验结果如图2，图3所示。

图2 试验方案与破坏时抗弯拉强度的关系图

图3 试验方案与破坏时最大弯拉应变的关系图

1)掺入纤维的沥青混凝土其弯曲破坏强度并未提高，实际上还产生了下降的现象，如对AC-25沥青混凝土，这与文献［3］中的试验结果基本相符。2)沥青混合料在低温下的极限变形能力，反映了混合料低温时的粘性、塑性性质以及材料抵抗变形的能力。显然，沥青混合料的极限破坏应变越大，其低温抗裂性能越好。从图3可以看出，掺加纤维增强材料后，沥青混合料低温变形能力均有提高。其中，对AC-16及AC-25沥青混凝土而言，与不加纤维的沥青混凝土相比，加入纤维后方案一、二、三的极限弯曲应变分别提高了 5.5%，5.0%，18.8% 及 15.0%，28.3%，11.8%。3)纤维沥青混合料变形能力的提高主要是由于纤维的桥接作用，在混凝土开裂后仍能使纤维沥青混合料维持一定的承载能力，表现出韧性破坏形式，即在最大荷载处出现较明显的水平阶段，极限变形幅度还可进一步增加，出现应变软化现象，从而使混合料的抗变形能力增大。从试件的破坏形式上也可以看出，未加纤维的混合料呈脆性破坏，而掺入纤维后，试件可保持裂而不断。

3.4 车辙试验

车辙试验结果如图4所示。

聚酯纤维加入后，随纤维剂量的增加，动稳定度增加且出现一个峰值，而后动稳定度随纤维剂量出现缓慢下降的现象，这表明以下两点:1)纤维对混合料高温性能改善作用有一最佳掺量，此时纤维对沥青的稳定作用和对混合料的“加筋”作用达到最佳。2)当纤维掺量超过最佳剂量时，由于只有分散开的纤维才对沥青混合料起稳定和“加筋”作用，而多余的纤维结团成束，在混合料中成为“强度弱点”，使得较大的矿料颗粒被挤开，矿料的骨架性下降，因此混合料的动稳定度出现缓慢下降。聚酯纤维和聚丙烯腈纤维对沥青混合料的高温性能均有一定的改善作用，但提高的幅度相差较大。一般而言，纤维的力学性能越好，则通过界面传递给纤维的作用力愈大，增强效果越好，这解释了方案三的动稳定度值为何为各种方案的最大值。因此在选择纤维时，除了考虑纤维的分散性外，还要考虑纤维与沥青的界面粘结强度。

图4 试验方案与动稳定度的关系图

4 结语

掺加纤维的沥青混合料其各项路用性能指标均有一定程度的提高。由于纤维的存在，在实际施工过程中应适当增加沥青混合料的碾压遍数，以确保沥青混合料的密实度。综合纤维混合料的各方面性能，认为掺加混合纤维的方案的路用性能最佳，在工程实践中可结合经济性分析对比选择适宜的纤维种类。

［1］ JTJ 052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［2］ 陈栓发.沥青混合料设计与施工［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［3］ 朱朝辉.外掺纤维沥青混合料的路用性能研究［D］.西安:长安大学硕士论文，2004.

［4］ 陈华鑫.纤维沥青混凝土路面研究［D］.西安:长安大学硕士论文，2002.

［5］ 高福权.聚酯纤维沥青混凝土路用性能研究［D］.沈阳:东北林业大学硕士论文，2006.

［6］ 孙立兵.纤维沥青混凝土路用性能研究［D］.西安:长安大学硕士论文，2002.

［7］ 封基良.纤维沥青混合料增强机理及其性能研究［D］.南京:东南大学博士论文，2006.

［8］ 马 翔.聚酯纤维沥青混合料路用性能研究分析［J］.公路交通科技，2006，23(1):24-27.