纤维增强PAC路用性能对比研究

陈洪涛

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司 长沙市 410200)

在沥青中外掺纤维等增强材料，应用最为广泛的有木质素、聚丙烯以及玄武岩等外掺纤维，选取合适的作为增强手段具有重要的现实意义。以最常用的木质素纤维、聚丙烯纤维作为增强材料，研究在各种材料、各种掺量条件下的增强透水沥青混合料的路用性能。研究成果将为类似排水沥青路面工程提供重要的参考。

1 试验方案简介

1.1 试验方案设计

针对木质素和聚丙烯两种不同材质纤维材料，设计了0.2%～0.6%五种不同掺量的沥青混合料试件。基于析漏试验、飞散试验确定沥青混合料的最佳油石比。

基于系列室内外试验，研究两种纤维增强材料不同掺量条件下的高温稳定性、低温抗裂性、耐水性、抗疲劳性能、排水性能。最后对比分析两种纤维增强材料的经济适用性，以提出最优路用和经济性能所对应的最佳纤维掺量。

1.2 试验材料

(1)木质素纤维

木质素纤维作为天然木材经一系列处理后的有机纤维产品，纤维呈现白色、灰白色絮状外观。该类型纤维对混合料的保水性、强度、稳定性、表面附着力等性能具有明显的提升效果。如图1所示。

图1 木质素纤维

(2)聚丙烯纤维

聚丙烯纤维作为人工合成纤维，该材料熔点较高，浸湿后强度不受影响，同时质量较低，价格低廉，易于加工，同时在碱性环境下的稳定性极佳。选用长度19mm的纤维作为试验材料，如图2所示。

图2 聚丙烯纤维

(3)高黏沥青

试验采用的成品高黏沥青，其性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》的各项指标要求。

(4)集料和填料

作为沥青混合料的受力骨架，试验集料、填料的选取尤为重要。试验采用玄武岩集料，填料采用石灰石矿粉，集料和填料的各项性能均满足相关规范要求。集料表面无污物，无风化所致细小颗粒，外形规整，集料针片状颗粒含量低。

1.3 配合比设计

基于PAC-13级配进行混合料的配合比设计，影响PAC-13级配的关键因素为2.36mm过筛率，其值应控制在14.5%上下。

基于确定后的集料级配，再综合现有经验及初始沥青用量的计算公式，选取4.0%～6.0%间的五个油石比值。

按相关油石比制作PAC-13混合料马歇尔试件，并进行析漏试验和飞散试验，基于析漏、飞散损失与油石比关系曲线，分析确定两种纤维增强混合料在不同掺量条件下的最佳油石比，如表1所示。

表1 PAC-13混合料马歇尔试验结果

从表1中数据可知，随着纤维掺量的增加，木质素纤维和聚丙烯纤维增强混合料的最佳油石比均呈现上升趋势，其他参数指标的变化均较小。

2 透水沥青混合料路用性能对比研究

2.1 渗水性能对比研究

作为排水沥青路面，其重要的参数指标即沥青混合料的渗水(排水)性能。为研究不同纤维增强沥青路面的排水性能，基于依托工程修建试验段进行渗水性能试验。

分别选取木质素纤维和聚丙烯纤维增强沥青混合料路面试验段，将渗水系数测定装置放置于路面，并在装置底部四周用黏性土进行封闭，保证试验水在沥青路面中的渗透路径。试验水量采用600ml，记录渗水系数测定装置中水面从600ml降至0ml的所需时间，将试验水量与所需时间之比作为渗水系数，重复试验在同一位置附近进行三次后取平均值。渗水性能试验结果如表2所示。

表2 渗水系数测定结果(ml/min)

表2中数据表明，两种纤维增强的PAC-13混合料路面的渗水系数均较高，达到了排水沥青路面相关渗水要求，相对而言，外掺木质素纤维的沥青混合料排水路面渗水性能更优。

2.2 高温稳定性对比研究

根据相关试验规程要求，透水沥青混合料(PAC)的高温稳定性通过高温车辙试验进行测定。试验温度60℃，试件尺寸采用300mm×300mm×50mm，模拟车轮荷载对试件进行反复加载试验，再基于车辙推导混合料的动稳定度。两种纤维增强沥青混合料在不同掺量条件下的动稳定度试验结果如图3所示。

图3 动稳定度试验结果

同时设置不掺纤维沥青混合料试件对比试验，动稳定度为6461次/mm。对比图3中数据表明，两种纤维增强沥青混合料的高温稳定性均有不同程度的提高，且随纤维掺量的加大而上升，低掺量时聚丙烯纤维沥青混合料略高于木质素纤维沥青混合料，高掺量时木质素纤维沥青混合料更优。

2.3 低温抗裂性对比研究

根据相关试验规程要求，沥青混合料的低温抗裂性通过低温小梁弯曲试验进行测定。试验温度为-10℃，在小梁跨中作用集中力，并以50mm/min的加载速度严格控制，实时采集力、挠度数据，绘成加载曲线，直至小梁破坏。两种纤维增强沥青混合料在不同掺量条件下的弯拉破坏应变试验结果如图4所示。

图4 弯拉破坏应变试验结果

同时设置不掺纤维沥青混合料试件对比试验，弯拉破坏应变为2758με。对比图4中数据表明，两种纤维增强沥青混合料的低温抗裂性均有所提高，且随纤维掺量的加大而上升，均高于规范要求值2500με。聚丙烯纤维沥青混合料与木质素纤维沥青混合料的低温抗裂上升幅度相当，基本呈线性上升趋势。

2.4 水稳定性对比研究

根据相关试验规程要求，沥青混合料的水稳定性通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行测定。两种纤维增强沥青混合料在不同掺量条件下的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度试验结果分别如图5、图6所示。

图5 浸水残留稳定度试验结果

同时设置不掺纤维沥青混合料试件对比试验，浸水残留稳定度为88.2%。对比图5中数据表明，聚丙烯纤维增强沥青混合料的浸水残留稳定度略有提高，而木质素纤维增强沥青混合料的浸水残留稳定度整体略有下降，并与纤维掺量变化无明显规律。

图6 冻融劈裂强度比试验结果

设置不掺纤维沥青混合料试件对比试验，冻融劈裂强度比为86.5%。对比图6中数据表明，聚丙烯纤维增强沥青混合料的冻融劈裂强度呈先升后降的规律，在掺量为0.4%时达到最大值87.7%。而木质素纤维增强沥青混合料的冻融劈裂强度均有所下降，随纤维掺量变化亦呈先升后降的趋势，在掺量为0.4%时达到最大值86.5%。对比两种纤维增强混合料的冻融劈裂强度比，聚丙烯纤维优于木质素纤维。

2.5 抗疲劳性能对比研究

排水沥青路面抗疲劳特性直接决定着其耐久性，根据相关试验规程要求，沥青混合料的抗疲劳性通过小梁四点弯曲疲劳试验进行测定。试验温度15℃，加载频率10Hz。试验结果如图7、图8所示。

对比图7、图8中的数据表明，两种纤维增强混合料的疲劳寿命均与纤维含量呈正相关。在相同掺量时，聚丙烯纤维增强混合料疲劳寿命明显高于木质素纤维增强混合料，而后者的疲劳寿命提高的幅度较小。

2.6 经济性对比研究

图7 木质素纤维增强混合料疲劳寿命

图8 聚丙烯纤维增强混合料疲劳寿命

作为道路工程项目的总体效益的重要组成部分，经济性往往决定着方案是否可行。以某25m宽沥青路面的城市道路为例，上层排水沥青路面厚度4cm，每公里透水沥青混合料用量为1000m3。如聚丙烯纤维和木质素纤维均以0.4%的掺量计算，则每公里路面的纤维材料费用如表3所示。

由于聚丙烯纤维材料单价高于木质素纤维，其建设期成本每公里高4.8万元，木质素纤维具有一定的经济性优势。而聚丙烯纤维在高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能均具有明显的优势，将在运营期降低养护成本。因此，建设单位应综合考虑项目经济条件及全寿命成本后进行决策。

表3 排水沥青路面纤维材料费用计算

3 结论

以木质素纤维和聚丙烯纤维两种外掺增强纤维透水沥青混合料(PAC-13)为研究对象，对比研究

排水沥青的路用性能。结果表明：

(1)两种纤维增强的PAC-13混合料路面的渗水系数均较高，达到了排水沥青路面相关渗水要求，相对而言，外掺木质素纤维的排水路面渗水性能更优。

(2)聚丙烯纤维沥青混合料与木质素纤维沥青混合料的低温抗裂提高幅度相当，基本呈线性上升趋势。

(3)聚丙烯纤维增强沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度均优于木质素纤维增强沥青混合料，前者水稳定性更优。

(4)混合料的疲劳寿命均与纤维含量呈正相关。在相同掺量时，聚丙烯纤维增强混合料的疲劳寿命明显高于木质素纤维增强混合料。

(5)木质素纤维在建设期具有一定的经济性优势，鉴于聚丙烯纤维混合料整体性能较优越，决策时仍需综合考虑项目经济条件以及全寿命成本。