高原寒冷地区纤维增强沥青混凝土应用研究

孙洪伟 宫 伟

(西藏天路股份有限公司，西藏拉萨 850000)

0 引言

青藏高原寒冷地区年平均气温低，温差大，降温速率快，使沥青路面不仅承受行车荷载作用还受气温、太阳辐射、风雨等各种不利条件的影响，导致该地区沥青路面早期病害严重［1］。沥青路面病害与面层沥青混合料在特殊条件下的性能衰变密切相关。暴露在大气外的沥青路面面层，直接承受温度与行车荷载作用，气温下降时，沥青面层内部产生温度应力，当沥青面层的应力松弛特性低于应力增长速度，由应力造成的路面损伤将逐渐积累，超过沥青混合料极限抗拉强度时，沥青面层发生开裂［2］。在大气降水的过程中，水分进入沥青路面内部空隙，难以排出，在动水压力及冻融循环作用下路面将进一步被破坏，使该地区沥青路面的水损害也非常严重［3］。

为改善青藏高原寒冷地区沥青路面现状，提高沥青混合料的路用性能，特别是低温抗裂性能和抗水损害性能。本研究采用沥青混合料中掺入纤维，可以明显增强沥青混合料的柔性，有利于提高沥青混合料的低温抗裂性能［4-7］。

为此，本文采用小梁低温弯曲试验，研究低温条件下沥青混合料弯拉特性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验其水稳定性性能，采用弯拉疲劳试验评价其疲劳性能［8，9］，以期为提高沥青混合料的抗低温开裂能力、水稳定性能和抗疲劳性能提供参考。

1 试验原材料及混合料配合比

1)沥青。

试验沥青取样为西藏天驰公路材料科技发展有限公司供货的SBR改性沥青，试验结果见表1，满足JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范关于聚合物改性沥青(SBRⅡ-A)技术要求。

表1 沥青技术指标试验结果

2)集料和矿粉。

研究所用粗集料为花岗岩、石灰岩，细集料为天然砂和石屑，矿粉为磨细石灰石。

3)纤维。

表2 纤维物化指标

4)混合料配合比。

在矿料级配组成研究基础上，根据面层设计与碎石室内筛分结果，确定的矿料级配组成见表3。

表3 AC-13矿料试验级配组成

纤维掺量为推荐用量，占沥青混合料总质量的0.25%。通过掺加纤维与未掺纤维两种沥青混合料，根据马歇尔试验结果与现行规范技术指标要求和方法，得出未掺纤维增强沥青混凝土的最佳油石比为5.5%，纤维增强沥青混凝土的最佳油石比为6.3%，增大0.8%。

2 低温抗裂性

研究采用0℃弯曲蠕变和-10℃低温弯曲试验得出，掺入纤维后，沥青混合料的弯曲蠕变速率仍然是随着沥青用量的增加而增大，最佳沥青用量下的弯曲蠕变速率比未掺纤维混合料有所增大，蠕变速率对沥青用量的敏感性减小;沥青混合料的低温弯曲破坏应变随着沥青用量的增加而增大，比未掺纤维的沥青混合料明显增大，破坏弯拉强度并没有明显提高，破坏劲度模量减小，混合料的柔性得到了一定程度的增强。总体而言，纤维在沥青混合料中起到的加筋和桥接作用，有利于沥青混合料低温抗裂性能的提高。

研究对推荐纤维掺量的沥青混合料进行-10℃弯曲试验，验证混合料的低温抗裂性能，试验结果见表4。

表4 沥青混合料低温弯曲试验结果

由试验结果可见，纤维增强改性沥青混合料的低温弯曲破坏强度和应变均大于未掺纤维混合料，分别提高5.6%和30.1%，破坏弯拉应变得到大幅度提升;破坏劲度模量减小18.8%，混合料低温抗裂性能提高，且满足现行规范技术要求。

3 水稳定性

研究纤维增强沥青混凝土-18℃冻融劈裂试验得出，在相同沥青用量下，纤维增强沥青混凝土的冻融劈裂强度比有所减小，关键在于不改变沥青用量的情况下掺入纤维，将导致混合料空隙率增大，混合料抗冻性能降低。在纤维增强沥青混凝土的最佳沥青用量下，其空隙率与未掺纤维增强沥青混凝土接近，冻融劈裂强度比有所提高，主要在于纤维的掺入和沥青用量的增加，使混合料的沥青膜厚度增大，纤维填充部分内部空隙，且使沥青粘滞度增大。

研究对纤维增强沥青混凝土在其最佳沥青用量下进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果见表5，表6。

表5 浸水马歇尔试验结果

表6 冻融劈裂试验结果

由试验结果可见，纤维增强沥青混凝土的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足规范要求，水稳定性良好。

4 抗疲劳性能

沥青路面使用期间经受车轮荷载和环境条件的重复作用，长期处于应力应变交替变化状态，导致沥青混合料强度不断衰减;当重复作用超过一定次数后，在应力或应变超过混合料极限强度与变形时，沥青路面出现裂缝，产生疲劳断裂破坏。对于青藏公路而言，在长期低温、大温差条件下，行车荷载与温度荷载综合重复作用的沥青路面疲劳破坏更为显著。

研究对未掺沥青混合料与掺0.25%纤维增强沥青混凝土在20℃和-10℃下进行控制应力模式的弯拉疲劳试验。试验采用5 cm×5 cm×24 cm棱柱体梁式试件，加载半正弦波形荷载，加载频率10 Hz，中点加载。根据试验结果，按应力控制方式回归疲劳方程，利用应力水平和疲劳寿命的双对数回归直线的斜率和截距可以得到参数k和n。

其中，Nf为达到破坏时的重复荷载作用次数，次;σ0为初始的弯拉应力(应力水平)，MPa;k，n均为试验回归参数。

由试验结果可得，在相同温度条件下，不论是20℃还是-10℃，纤维增强沥青混凝土的疲劳试验回归参数k和n均大于未掺纤维增强沥青混凝土，说明掺入纤维可以提高沥青混合料的抗疲劳性能，但疲劳寿命对应力水平变化更为敏感。试验温度为-10℃时，未掺纤维增强沥青混凝土和纤维增强沥青混凝土的疲劳寿命明显增大，回归参数k和n均大于20℃试验结果，这可能与温度影响沥青混合料劲度模量有关。

5 结语

1)采用纤维增强混凝土可以提高沥青混合料的低温抗裂性能，破坏强度和破坏弯拉应变分别提高了5.6%和30.1%，破坏劲度模量减小18.8%;纤维增强混凝土的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均能满足要求，说明水稳定性较好。

2)纤维增强沥青混凝土在-10℃和20℃的温度下进行控制应力模式的弯拉疲劳试验，试验回归参数k和n均大于未掺纤维增强的沥青混凝土，说明掺入纤维可以提高沥青混合料的抗疲劳性能。

［1］ 马 骉，韦佑坡，王 磊，等.高原寒冷地区沥青混合料弯拉特性分析［J］.公路交通科技，2010，27(3)：44-48.

［2］ 张英富，廖碧海，杨 涛.纤维加强沥青混凝土低温抗裂性能试验研究及数值模拟［J］.华中科技大学学报(城市科学版)，2010(9)：93-94.

［3］ 苗英豪，王秉纲，李 超，等.中国公路沥青路面水损害气候影响分区方案［J］.长安大学学报(自然科学版)，2008(1)：26-30.

［4］ 杨子江.纤维在沥青混凝土中的试验性能分析［J］.交通标准化，2010(24)：7-10.

［5］ 李 星，杨志铭，字学强.聚酯纤维沥青混凝土性能研究［J］.广东建材，2010(11)：81-82.

［6］ 朱朝辉.外掺纤维沥青混合料的路用性能研究［M］.北京：科教出版社，2004.

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