纤维对强嵌挤骨架密实沥青混合料路用性能的影响

王 敏，蒋应军，尹曌星，何 岩，赵任帅，刘 丹，陈冠希

(1.许昌市公路管理局， 河南 许昌 461000； 2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 西安 710064； 3.许昌华杰公路勘察设计有限责任公司， 河南 许昌 461000)

沥青路面因具有表面平整、行车舒适、噪音低、施工期短、养护维修简便及可再生利用等优点，在我国得到广泛应用[1]。随着工程应用的深入，沥青路面的缺陷也逐渐显现，主要表现为路面车辙、开裂等，严重影响了沥青路面的使用寿命[2-3]。为提高沥青路面耐久性，道路工程研究人员对纤维增强沥青混合料进行了一系列研究。张小元[4]从沥青胶浆的蠕变性能角度出发，研究了纤维掺加对沥青胶浆的高低温性能影响，结果表明纤维掺量与沥青胶浆性能提升成正比。文月皎、覃潇等[5-6]基于玄武岩纤维长度、掺量等因素，研究了玄武岩纤维增强沥青胶浆和混合料性能机理。郭寅川等[7]研究了玻璃纤维掺量对砾石沥青混合料路用性能的影响，结果表明0.35%纤维掺量，砾石沥青混合料性能最佳。张铁志等[8]研究了不同比例玄武岩纤维和聚丙烯腈纤维对沥青混合料性能的影响，并推荐了两者最佳掺比。刘伟等[9]通过室内劈裂试验研究了拌和工艺对玄武岩纤维沥青混合料力学强度的影响。张航等[10]通过加速加载试验，研究了复合纤维对沥青混合料抗车辙性能的影响。以上研究结果表明纤维增强了沥青混合料的性能，提高了沥青路面的耐久性，但纤维对强嵌挤骨架密实沥青混合料路用性能影响尚未研究。鉴于此，本文研究了3种纤维对骨架密实沥青混合料路用性能的影响，具有一定的工程实际意义。

1 原材料、矿料级配及试验方法

1.1 原材料

1) 沥青

试验用沥青为韩国双龙A级70#道路石油沥青，其技术性质见表1。

2) 纤维

试验用纤维为盐城欧路华纤维科技有限公司提供的木质素纤维、聚酯纤维以及玄武岩矿物纤维。3种纤维的主要技术性能指标见表2，物理形态如图1所示。

(a) 木质素纤维

(b) 聚酯纤维

(c) 玄武岩矿物纤维

图1纤维的外观形态
Fig.1 Appearance of fibers

3) 集料

粗集料采用陕西乾县鑫源石料厂生产的石灰岩碎石。

细集料采用石灰岩现场加工而成的机制砂。

矿粉采用石灰石自制磨制的矿粉。

以上所用矿料均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[11]的技术要求。

表3 SISG沥青混合料矿料级配

1.2 矿料级配

本文以强嵌挤骨架密实沥青混合料[12]为研究对象，其矿料级配见表3。

1.3 试验方法

沥青混合料的路用性能主要包括高温性能、低温性能及疲劳性能。采用室内车辙试验和小梁弯曲试验研究纤维对SISG沥青混合料高低温性能影响，具体试验方法参考JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]。

2 试验结果及分析

2.1 高温性能试验

1) 纤维掺量的影响

不同纤维掺量下SISG沥青混合料的动稳定度(DS)如图2所示。

图2 纤维掺量与沥青混合料动稳定度关系

由图2可知，随着纤维掺量的增加，SISG沥青混合料动稳定度呈现先增后减的趋势。矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.5%、0.2%时，SISG沥青混合料高温性能最佳。这是因为随纤维掺量增加，沥青混合料中沥青最佳用量增加，使得结构沥青的比例不断增加，从而有效提升了沥青混合料高温稳定性；随着纤维掺量不断增加，结构沥青趋于饱和，沥青混合料高温稳定性出现一个峰值；继续增加纤维掺量，不仅增加自由沥青，而且过多纤维也不易分散，出现“结团”现象，反而使得沥青混合料高温稳定性下降[14-15]。

2) 纤维最佳掺量下SISG沥青混合料高温稳定性

最佳掺量下不同纤维沥青混合料高温抗车辙性能见表4。其中，DSSISG为不同类型纤维沥青混合料的DS与未掺纤维SISG级配沥青混合料的DS比值。

表4 不同纤维沥青混合料动稳定度

由表4可知，与未掺纤维的SISG级配沥青混合料相比，掺矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维SISG级配沥青混合料的动稳定度分别提升22%、13%、20%，这表明纤维有利于提升沥青混合料高温性能，尤其是矿物纤维和聚酯纤维作用更为显著。这是由于纤维作为一种大比表面积的材料，不仅能够大量吸附沥青，而且能够有效地吸收沥青，这都有助于增加沥青混合料中沥青膜的厚度，使得沥青对矿料的裹附作用更明显，对增加沥青混合料的粘结力以及路面的耐久性都有一定作用。纤维和沥青形成的纤维沥青在增加沥青粘结性能的同时，也与混合料中的骨料形成齿合作用，使得其摩擦角相应增大，不仅能增大内摩阻角，而且能达到增粘的效果。纤维对沥青混合料的“裹附”作用，能够有效限制沥青混合料的位移，在荷载或者温度应力作用下，混合料不容易发生位移，对提升沥青混合料的高温性能有一定作用。

2.2 低温性能试验

1) 纤维掺量的影响

不同纤维掺量SISG沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯曲应变分别如图3和图4所示。

由图3、图4可知，不同类型的纤维，极限抗拉强度随纤维掺量增加呈增加趋势，但增加幅度不断降低，而最大弯曲应变随着纤维掺量增加呈先增后减的趋势。矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.5%、0.2%时，SISG沥青混合料低温性能最佳。

图3 纤维掺量与抗弯拉强度关系Fig.3 Relationship between fiber content and flexural tensile strength

图4 纤维掺量与最大弯曲应变关系Fig.4 Relationship between fiber content and flexural tensile strength

2) 最佳纤维掺量下沥青混合料低温抗裂性

最佳掺量下不同纤维SISG沥青混合料低温抗裂性见表5。其中，RB-SISG、εB-SISG为不同类型纤维沥青混合料的抗弯拉强度(RB)和最大弯曲应变(εB)与未掺纤维SISG级配沥青混合料的比值。

由表5可知，与未掺纤维SISG级配沥青混合料相比，掺矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维SISG级配沥青混合料的低温弯曲应变分别可提升32%、30%、23%，弯拉强度分别可提升18%、14%、16%。这表明纤维可以显著提升沥青混合料低温性能。在低温状态下，沥青混合料中纤维的加入，能够有效地增加沥青混合料的模量以及延伸性能，使得低温状态下沥青混合料的韧性增加[16]。而且，当纤维裹附在集料表面时，能更好地发挥其耐磨特性，从而对集料形成保护作用，在低温状态下保持沥青混合料的整体性，进而提高沥青混合料的抗裂能力，也能起到增韧作用。

表5 不同纤维沥青混合料低温试验结果对比

2.3 疲劳性能试验

疲劳试验用矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.5%、0.2%。应力水平0.4时SISG沥青混合料疲劳寿命见表6。其中，NSISG为不同类型纤维沥青混合料的疲劳寿命与未掺纤维SISG级配沥青混合料的比值。

表6 不同纤维沥青混合料预估疲劳寿命对比

由表6可知，与未掺纤维SISG级配沥青混合料相比，掺矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维的SISG沥青混合料的疲劳寿命分别可提升25%、6%、36%。由此可知，掺纤维尤其是矿物纤维、聚酯纤维可显著提升沥青混合料疲劳性能。掺加纤维后，纤维形成的网状结构将沥青混凝土“包裹”起来，对其起到一种“箍锁”作用，一旦混凝土层破坏发展到纤维形成的格栅处时，破坏荷载将由沥青混合料以及纤维共同承担，使得纤维网状格栅能够改变裂缝位置的受力状况，延缓了裂缝破坏的发展，能够有效地减缓沥青混合料疲劳破坏[17]。

综合纤维沥青混合料的路用性能，矿物纤维和聚酯纤维沥青混合料的路用性能优于木质素纤维的。相对于木质素纤维，矿物纤维和聚酯纤维本身具有良好的力学性能，同时分散性良好，能较好地吸持沥青，相应增加了沥青混合料中结构沥青的比例，且纤维沥青具有良好的粘结强度，较好地提升了沥青的粘结力，从而有效提高了沥青混合料的路用性能。

3 结论

1) 纤维对沥青混合料的高温性能、低温性能和疲劳性能有提升作用，尤其是对沥青混合料的低温抗裂性能有明显提升。

2) 随纤维掺量的增加，SISG沥青混合料动稳定度及低温弯曲应变呈先增大后减小的趋势。矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维掺量分别为0.3%、0.5%、0.2%时，SISG沥青混合料高温性能、低温性能最佳。

3) 与未掺纤维相比，最佳纤维掺量下，矿物纤维、木质素纤维和聚酯纤维SISG沥青混合料高温性能分别可提高22%、13%、20%，低温性能分别可提高32%、30%、23%，疲劳性能分别可提高25%、6%、36%。