混杂纤维对改性SMA高温稳定性影响研究

季 度

(湖北工业大学土木建筑与环境工程学院 武汉 430030)

由于钢箱梁桥结构相对特殊，其桥面铺装问题一直是技术难点。特别是在南方部分高温多雨地区，沥青路面的抗车辙能力缺陷已成为桥面铺装主要的损坏原因之一。桥面铺装的损坏不仅影响桥梁的美观，而且会对桥梁的使用性能甚至受力状态造成严重影响。

纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，在道路工程中应用广泛，其中聚酯纤维在道路中使用较为普遍。将纤维加入沥青混合料中以加筋的方式提升其强度。在道路应用中，绝大多数都是采用单一纤维来提高沥青混合料的路用性能，而对多种纤维共同作用少有研究，玻璃纤维具有优良的隔热性能和耐高温性能，所以本文将玻璃纤维与聚酯纤维进行混杂，并对混杂纤维沥青混合料的高温稳定性进行研究。张晋龙[1]、梁俊怡[2]分别对加入玻璃纤维和聚酯纤维的沥青混合料高温稳定性能做了一定的研究，本文通过马歇尔稳定度试验和车辙试验对混杂纤维沥青混合料的高温稳定性能进行研究 ，拟寻找出最佳掺配比例，以提高钢桥面沥青面层高温稳定性，减少高温条件下钢桥面沥青面层的车辙问题。

1 实验材料

1.1 沥青

试验SBS改性沥青I-D各性能指标见表1。

表1 沥青原材料性能指标

1.2 矿料

该试验采用矿料取自某段国家一级公路施工材料。玄武岩，各级配均取自沥青搅拌站搅拌楼筛分、除尘后的热料。保证材料的优异性及矿料洁净、干燥、无杂质。根据试验规程试验测得各级配符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》性能指标要求[3]，矿粉和粗、细集料性能指标见表2～4。

表2 矿粉性能指标

表3 粗集料性能指标

表2 细集料(粒径0～3)性能指标 mm

1.3 矿料配合比设计

本文采用SMA-13作为试验对象，所用矿料粒径为0～3，>3～6，>6～11，>11～16 mm，通过筛分试验，得到各矿料的筛孔通过率，根据《公路沥青路面施工技术规范》及筛分结果，通过软件试算及调整，将各粒径的级配中值尽量调整到级配上限与级配下限的中间以达到良好的合成效果，合成级配见表5。

表5 合成级配

1.4 纤维

试验采用聚酯纤维和玻璃纤维，因为聚酯纤维主要起加筋作用，可提高沥青混合料的稳定性，还起到增韧阻裂的作用；玻璃纤维的耐高温、隔热性能非常优异，同时，具有强度高、伸长小、化学稳定性好等特点。本试验采用的聚酯纤维和玻璃纤维主要指标见表6。

表6 纤维主要指标

2 试验思路

2.1 纤维作用机理

虽然聚酯纤维与玻璃纤维均对沥青混合料的高温稳定性等路用性能有一定的提高，但其作用机理不同，聚酯纤维主要是通过相互搭接，形成桥接纤维网络，从而起到加筋的作用[4]；玻璃纤维是通过巨大的表面吸附了大量沥青，使沥青得到充分的浸润，形成较厚的界面，将其周围的沥青黏聚在一起，共同将集料包裹住，从而进一步增强了沥青与集料之间的吸附能力，改善了沥青混合料的路用性能[5]。

2.2 试验方案

在国内，钢箱梁桥面铺装层结构采用最多的是双层改性SMA铺装，其中SMA铺装结构中，大多数掺入质量分数为0.3%聚酯纤维。尽管大量的试验和工程实践表明，聚酯纤维对沥青混合料的路用性能有很好地改性效果，但许多钢箱梁桥面仍因高温稳定性不足出现车辙问题。于是本文提出同时掺入聚酯纤维与玻璃纤维，研究其混杂后对高温稳定性的改善能力。

本文采取玻璃纤维与聚酯纤维各占0.1%，0.2%，0.3%的质量比例进行混杂，共3×3，9组试验。其中对玻璃纤维取0.1%编号B1，聚酯纤维取0.1%编号J1。如玻璃纤维和聚酯纤维各取0.3%的试件编号B3J3。考虑纤维对沥青混合料的最佳油石比的影响，对9组纤维掺量不同的混合料通过马歇尔试验得出最佳油石比。按照JTG E20 -2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]的相关要求，对9组沥青混合料进行车辙试验，并对试验结果进行分析，得出最佳纤维掺量，以及该混杂纤维对沥青混合料路用性能的影响。

3 试验结果及分析

3.1 最佳油石比

对不同纤维掺量的沥青混合料根据经验以6.0%油石比，0.3%为间隔，制作5组马歇尔试件，每组6个，正反击实75次成型，在标准养护24 h后脱模。对试件进行相关的物理力学试验，根据沥青用量与空隙率、密度、马歇尔稳定度、流值、饱和度的关系曲线，确定最佳油石比，见表7。

表7 最佳油石比

3.2 室内试验结果

车辙问题是沥青路面高温稳定性良好与否的集中体现,JTJ 014-97《公路沥青路面设计规范》[7-8]规定“对于高速公路、一级公路的表面层和中面层的沥青混凝土作配合比设计时,应进行车辙试验,以检验沥青混凝土的高温稳定性”。

对掺入纤维的沥青混合料在车辙成型仪器上成型，连同试模一同在60 ℃养护5 h后，置于车辙试验台上进行试验，结果见表8。

表8 试验结果

由表8可见，在掺入混杂纤维后，沥青混合料动稳定度有明显提升，并且相对应的稳定度流值也有一定幅度的优化。

1) 虽然稳定度流值与沥青混合料的高温稳定性没有必然联系，但沥青混合料的马歇尔强度和流值是混合料设计过程中控制沥青混合料高温性能的指标，所以稳定度的改善也在一定程度上反应了沥青混合料高温稳定度性能的提升。

2) 动稳定度作为检测沥青混合料的主要检测指标，由试验结果可以看出混合料的高温稳定性有明显的提高。证实了在玻璃纤维与聚酯纤维的共同作用下，其沥青混合料的高温稳定性能的到了实质性提升。

3) 当玻璃纤维、聚酯纤维掺入质量分数分别为0.3%，0.2%时，沥青混合料的动稳定度达到最高，稳定度流值也达到最优。但是当玻璃纤维和聚酯纤维各掺入0.3%质量分数时，各性能有所降低。这是因为当超过最佳掺量时，混合料中各成分无法充分搅拌均匀，多余纤维反而使纤维整体与矿料之间的黏结力下降，削弱了“加筋”作用，进而影响其各方面性能。

4 结论

通过对玻璃纤维与聚酯纤维混杂后的沥青混合料的高温稳定性能进行研究，发现掺入混杂纤维对沥青混合料的高温稳定性有明显提升作用。

本实验中，当玻璃纤维与聚酯纤维的质量分数分别为0.3%，0.2%，油石比为6.1%时，沥青混合料高温性能最优，可用于实际工程。