纤维改性沥青与沥青混合料性能研究*

贾平虎

(广东翔飞公路工程监理有限公司 广州 510507)

0 引 言

由于沥青路面具有行车舒适性好，施工周期短和养护维修简便等特点，其在高速公路路面结构中得到广泛应用.我国沥青路面设计寿命为15年，但实际应用中其往往在通车8～10年后就会产生严重车辙及水损坏等影响行车安全的病害现象而不得不进行大修作业，因此，如何采取技术措施以提高沥青路面使用寿命一直是学者们关注的热点，其中使用改性沥青是最为有效的方法之一.纤维改性沥青因其优越的路用性能引起了巨大的关注，如研究已发现纤维改性沥青混合料具有良好的高温和抗疲劳等性能，且能较好的防治反射裂缝[1-6]，但纤维种类繁多，主要包括矿物纤维、聚合物纤维和植物纤维等[7]，关于各类纤维对沥青及沥青混合料性能的影响研究仍有待深入，特别是关于纤维改性沥青性能指标和其混合料性能指标匹配性的研究较为少见.本文分别使用玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维制备改性沥青及沥青混合料，就其对高温、低温和水稳性能进行试验研究，并对各类沥青性能指标和其对应混合料指标的相关性进行分析.

1 原材料

1) 沥青 试验采用SBS(I-B)型改性沥青，其主要技术指标符合文献[8]要求，见表1.

表1 SBS(I-B)改性沥青主要技术指标

2) 集料和级配 集料采用广东产玄武岩，矿粉由石灰岩磨细而得，级配为SMA-13，见表2.

表2 SMA-13级配

3) 纤维 采用玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维.其中玄武岩纤维通过将玄武岩加热至高温熔融状态，经铂铑合金拉丝漏板拉伸而成；聚酯纤维为googroad II，由石油沥青提炼而得；木质素纤维为絮状植物纤维.

2 纤维改性沥青性能

为研究纤维类型及掺量对沥青性能影响，在加热至160 ℃的SBS改性沥青中分别加入三种类型纤维以3 000 r/min速率剪切30 min制得对应纤维改性沥青，其中掺量分别为沥青质量分数的0.15%，0.3%和0.45%.试验中每个样品三个试件，取平均值作为代表值.

2.1 高温性能

为研究纤维改性沥青高温性能，分别对其进行针入度(25 ℃)、软化点和DSR试验(温度64 ℃，频率1.59 Hz)，结果见图1.

图1 三种类型纤维掺量对不同因素的影响

由图1可知：

1) 纤维性能改善SBS改性沥青高温性能，且效果随着纤维掺量的增加而变好，但掺量超过一定程度后改善作用减缓.添加三种类型纤维后沥青针入度均逐渐下降，而软化点和车辙因子均逐渐上升，表明此时沥青稠度增大，高温抗车辙性能更好，分析原因为掺入纤维后其分布于沥青中增强了内摩阻力，进而提高沥青粘度.

2) 各个纤维掺量下，三种纤维改性沥青的针入度排序为玄武岩纤维<聚酯纤维<木质素纤维，而软化点和车辙因子排序正好相反，表明三种类型纤维对SBS改性沥青高温性能的改善效果依次变差.

3) 使用上述三个指标进行改性沥青高温性能评价时有效性存在差异.添加三种不同类型纤维后，针入度和软化点随掺量变化曲线中拐点基本出现在掺量为0.3%，而车辙因子则出现在0.15%.

2.2 低温性能

为研究纤维改性沥青低温性能，分别对其进行延度(5 ℃)和BBR试验(温度-18 ℃)，计算BBR试验中时间为300 s时的蠕变劲度和蠕变斜率，结果见图2.

图2 三种类型纤维掺量对不同因素的影响

由图2可知：

1) 在SBS改性沥青中掺加纤维对其低温性能不利，且掺量越高影响越大.添加三种类型纤维后沥青延度均逐渐下降，表明此时沥青在低温下延展性变差，而蠕变劲度逐渐增大，此时沥青低温下脆性特征更为明显，低温性能变差，蠕变速率则逐渐降低，表明沥青低温下应力松弛能力较差，容易产生开裂现象[9]，分析原因为纤维能吸收沥青中轻质组分，导致沥青塑性变差所致.

2) 各个纤维掺量下，三种纤维改性沥青的延度和蠕变速率排序为玄武岩纤维<聚酯纤维<木质素纤维，而蠕变劲度排序正好相反，表明三种类型纤维对SBS改性沥青低温性能的不利影响依次减小.

3 纤维改性沥青混合料性能

纤维改性沥青性能研究中发现其高温性能和低温性能随掺量的变化曲线上基本在掺量为0.15%时出现拐点，因此，为研究纤维改性沥青混合料性能，以纤维掺量为0.15%为例，分别按表2中级配成型相应SMA-13沥青混合料试件进行试验，其中玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维改性沥青的最佳沥青用量分别为5.5%，5.4%和5.6%，单独SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量则为5.3%.试验中每个样品三个试件，取平均值作为代表值.

2.1 高温稳定性

按规范使用轮碾法成型300 mm×300 mm×50 mm沥青混合料试件，然后进行60 ℃条件下车辙试验，轮压0.7 MPa，以动稳定度作为高温稳定性评价指标，结果见图3.

图3 四种类型沥青混合料动稳定度试验结果

由图3可知，使用纤维对SBS改性沥青进行改性后其高温稳定性明显增强，其中采用玄武岩纤维进行改性时效果最好，动稳定度较未改性时提高18.4%，而采用聚酯纤维和木质素纤维时则分别提高10.1%和9.1%.显然上述结果定性分析上与前述沥青试验结果一致，为分析针入度、软化点和车辙因子用于改性沥青高温性能评价的有效性，将其对应值分别与上述动稳定度试验结果进行线性相关分析，结果见表3.

表3 沥青高温性能评价指标与动稳定度相关分析结果

注：a-直线斜率；b-直线截距.

由表3可知，沥青车辙因子与对应的沥青混合料动稳定度相关性最高，其次是软化点，针入度则最差，其中车辙因子的R2值分别较软化点和针入度分别高出6.4%和16.2%，因此，推荐采用DSR试验得出的车辙因子作为纤维改性沥青高温性能评价指标.

3.2 低温抗裂性

按规范使用轮碾法成型沥青混合料试件，并切割为尺寸250 mm×30 mm×35 mm的小梁，然后进行-10 ℃条件下的低温小梁弯曲蠕变试验，以最大破坏应变作为低温性能评价指标，结果见图4.

图4 四种类型沥青混合料最大破坏应变试验结果

由图4可知，使用纤维对SBS改性沥青进行改性后其低温抗裂性变差，其中采用玄武岩纤维时下降最为明显，最大破坏应变较未改性时下降13.6%，而采用聚酯纤维和木质素纤维时则分别下降7.4%和3.1%，但其仍较文献[8]中对气候分区1-1或2-1中SMA沥青混合料最大破坏应变不小于3 000×10-6的要求仍有较大富余.显然上述结果定性分析上与前述沥青试验结果一致，为分析延度、蠕变劲度和蠕变速率用于改性沥青低温性能评价的有效性，将其对应值分别与上述低温最大破坏应变试验结果进行线性相关分析，结果见表4.

表4 沥青低温性能评价指标与最大破坏应变相关分析结果

由表4可知，三个沥青低温性能评价指标与对应的沥青混合料最大破坏应变相关性均较为显著，但蠕变劲度和蠕变速率的R2略高于延度，因此推荐采用BBR试验得出的蠕变劲度和蠕变速率作为纤维改性沥青高温性能评价指标.

3.3 水稳定性

按规范成型马歇尔试件进行冻融劈裂试验，以冻融劈裂强度比作为水稳定性评价指标，结果见图5.

图5 四种类型沥青混合料冻融劈裂强度比试验结果

由图5可知，使用纤维改性SBS改性沥青能有效提高其混合料的水稳定性，其中玄武岩纤维改善作用最好，其冻融劈裂强度比较未改性时提高4.9%，其次是聚酯纤维和木质素纤维，两者分别提高3.2%和2.0%，这是由于纤维具有较大的比表面积，加入沥青后与其相互融合裹覆于集料表面，此时结构沥青含量及沥青膜厚度均增加[10]，因而能较好的抵抗水分的侵蚀作用.

5 结 论

1) 纤维能显著提高SBS改性沥青及沥青混合料的高温性能和水稳定性，低温性能则有所下降，其中高温性能随纤维掺量的增加而变好，低温性能则正好相反，其两者性能指标随掺量的变化曲线中基本在掺量为0.15%时出现拐点.

2) 玄武岩纤维、聚酯纤维和木质素纤维对SBS改性沥青及沥青混合料高温性能和水稳性能的改善作用依次降低，对低温性能的不利影响则依次增大，但在本文所用掺量时三种纤维改性沥青混合料的高温稳定性和水稳定性均明显增强，低温抗裂性则仍较规范要求有较大富余.

3) 基于DSR试验得出的车辙因子与其对应沥青混合料动稳定度的相关性明显高于软化点和针入度，基于BBR试验得出的蠕变劲度和蠕变速率与其对应沥青混合料低温最大破坏应变的相关性则略优于延度，故分别推荐采用车辙因子及蠕变劲度和蠕变速率分别作为纤维改性沥青高温性能和低温性能的评价指标.