复合纤维沥青混合料路用性能研究

马峰，李永波，傅珍，韩伟华，张超

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064；2.长安大学 材料学院,陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，纤维沥青混合料因路用性能优异、施工快捷的特点受到普遍关注，并得到广泛推广。木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维等是应用最广泛的传统纤维。木质素纤维具有较强的沥青吸附能力，温度稳定性较好，但是易腐烂且会对沥青产生不利影响[1]。玄武岩纤维是经1 450～1 500 ℃高温熔融拉丝形成的无机硅酸盐纤维，高温稳定性和化学稳定性好[2]。聚酯纤维抗拉强度高、耐久性好，但其存在弹性模量低、耐高温性能差、低温脆化等缺陷[3]。

国内外对于纤维改善沥青混合料的性能做了许多研究。彭波等[4-5]研究了木质素纤维在沥青混合料中的应用，认为木质素纤维能够提高沥青胶浆软化点，增强混合料抗剪切强度，改善高温稳定性；郭利杨等[6]研究了抗车辙剂和新型木质素纤维对沥青混合料性能的影响，结果表明普通木质素纤维+抗车辙剂与新型木质素纤维提高沥青混合料高低温性能的效果相近；J.S.Sim等[7]将玄武岩纤维用于旧水泥路面的防裂加固，发现玄武岩纤维能提高沥青混合料的抗裂性能；王宁[8]、熊刚等[9]、彭广银[10]等评价了玄武岩纤维沥青混合料的高低温及疲劳性能，并基于复合材料理论对玄武岩纤维增强沥青混合料的机理进行了探究；傅珍等[11]研究玄武岩对老化沥青混合料路用性能的影响，发现短期老化和长期老化后的玄武岩纤维沥青混合料的水稳定性均优于普通沥青混合料。肖鹏等[12]通过研究添加玄武岩的沥青混合料动态模量变化，发现玄武岩纤维可以提高沥青混合料的抗车辙能力和低温性能；王榃等[13]应用冲击韧性评价木质素纤维、玄武岩纤维及聚酯纤维沥青混合料的疲劳性能，结果表明冲击韧性可快速判断混合料疲劳性能。

目前，仅使用木质素纤维、矿物纤维等单一类型的传统纤维产品已不能满足现今交通条件下道路使用性能的要求，将多种类型纤维通过不同方式进行组合形成复合型纤维，从而改善沥青混合料多方面的路用性能、提高道路使用寿命得到重点关注。本文将2种复合纤维、木质素纤维、玄武岩纤维分别掺入沥青混合料，并对纤维沥青混合料的性能进行对比，以检验其实际应用价值。

1 原材料及其技术指标

研究采用加德士70号基质沥青，主要技术指标见表1。所用集料采用抚宁玄武岩、石灰岩机制砂和矿粉，混合料矿料级配均采用AC-13中值。选择AC-13中值作为矿料级配，是因为级配为AC-13中值的普通沥青混合料高、低温性能均不突出，在该级配混合料中掺入纤维，使混合料性能改善效果更加明显。

表1 加德士70号基质沥青主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of caltex 70 base asphalt

KTLF1复合改性纤维是通过特定方式将木质素纤维和聚酯纤维进行混合得到的混合物，同时具有木质素纤维的吸油性与聚酯纤维的抗拉特性。KTLG2改性纤维是将改性剂与木质素纤维进行混合，该纤维同时具有沥青改性剂与木质素纤维的优点，改性剂的加入使得其分散性较好。采用的4种纤维主要技术指标见表2，纤维在电镜下放大200倍实验结果如图1。

表2 纤维的主要技术指标Tab.2 Main technical indicators of fiber

由图1(a)可知，KTLF1复合改性纤维呈现粗壮通直和疏松缠绕的混合状态；由图1(b)可知，KTLG2改性纤维结构粗糙，并且松散地缠绕，使得改性剂能均匀分散在纤维表面和纤维之间；图1(c)可知，玄武岩纤维表面光滑、直径较细；由图1(d)可知，木质素纤维质地疏松，且片状居多呈缠绕状。

图1 纤维电镜试验结果Fig.1 Electron microscope test results of fiber

2 沥青混合料试件准备及路用性能

2.1 试件准备

添加纤维的沥青混合料同普通沥青混合料的拌合方式有些区别，准备试件时要注意混合料拌和顺序及拌和时间。4种纤维因物理化学性质各异，添加顺序和搅拌时间也不尽相同。拌和时先将纤维和矿料一起拌和约60 s，然后再加入沥青拌和90 s，最后加入矿粉拌和60 s；KTLG2改性纤维中改性剂成分遇高温融化，若将纤维与高温矿料先拌和，纤维会发生结块现象，因此，拌和时矿料先加入沥青拌和60 s，然后加入纤维拌和90 s，最后再加入矿粉拌和60 s。

2.2 高温稳定性

试验中每组包含3个试件，对测得的3个试件取平均值。对比无纤维、掺加木质素纤维、玄武岩纤维的沥青混合料，在最佳油石比下采用室内车辙试验，分析KTLF1复合改性纤维、KTLG2改性纤维在最佳掺量下对沥青混合料高温稳定性的影响，试验结果如图2。

图2 纤维沥青混合料车辙试验结果Fig.2 Rutting test results of fiber asphalt mixture

从图2可以看出，纤维加入后，混合料的高温稳定性有一定改善，说明掺加纤维能有效抑制沥青混合料的车辙变形，但不同纤维对混合料的高温稳定性提高程度不同。KTLG2改性纤维对混合料高温性能影响最为显著，其混合料的动稳定度比木质素纤维、玄武岩纤维和普通沥青混合料分别提高44%，46%，53%，KTLF1复合改性纤维的动稳定度较木质素纤维和玄武岩纤维也有一定程度提高，动稳定度提高表明复合纤维沥青混合料抗车辙能力增强。

产生以上情况的原因与KTLG2改性纤维本身性质有关，KTLG2改性纤维由改性剂与木质素纤维混合后制成，同时具备了改性剂和木质素纤维的优点。首先，改性纤维具有较好的分散性，因此沥青混合料中三维分布的纤维网络限制了沥青流动的范围，表现为沥青胶浆黏度增大，从而改善混合料高温抗剪切性能；其次，沥青膜由于改性纤维的加入处于更加稳定的状态，高温下受热膨胀的沥青因纤维内部空隙的存在具有一定缓冲空间，因此，降低了沥青路面高温时泛油的可能性[14-16]。此外，纤维与沥青的相容性与纤维的吸油率有一定关联[17]，纤维的高吸油率对沥青混合料的高温性能有一定改善。

2.2 低温性能

试验时每个车辙板切6个300 mm×30 mm×35 mm的小梁，在-10 ℃下保温45 min，采用试验结果的平均值，评价KTLF1复合改性纤维、KTLG2改性纤维在最佳掺量下的低温性能试验结果见图3。从图3可以看出：

(1)KTLF1复合改性纤维沥青混合料弯拉应变比普通沥青混合料、木质素纤维、矿物纤维、KTLG2改性纤维分别提高49%，19.2%，34.4%,33.3%，应变能分别提高33%,2.5%,3.5%,5.5%。弯拉应变与应变能有一定关联，由图3(b)、(c)、(d)可以看出弯拉应变与应变能呈正比关系，低温时混合料抵抗收缩拉应变的能力增强。

(2)KTLF1复合改性纤维沥青混合料弯曲劲度模量是普通沥青混合料、木质素纤维、矿物纤维、KTLG2改性纤维沥青混合料的80.6%，93.4%，88.2%，87.8%。劲度模量越小，表明环境温度较低时，混合料的低温抗裂性能越好，从侧面证明复合改性纤维具有更好的低温抗裂性能。

(3)加入纤维后，沥青混合料抗弯拉强度均有不同程度的提高，玄武岩纤维沥青混合料的抗弯拉强度比普通沥青混合料、KTLF1复合改性纤维、KTLG2改性纤维、木质素纤维的弯拉强度分别提高12%，1%，3%,4%。玄武岩纤维因能有效减少沥青混合料内部微裂缝的出现和发展，改善低温脆性和韧性，从而可改善混合料低温抗裂强度[18]。

图3 纤维沥青混合料小梁弯曲试验结果

Fig.3 Beam flexural test results of fiber asphalt mixture

2.3 抗疲劳性能

采用传统的疲劳理论，即现象学法，其公式为[19]

(1)

式中：Nf为疲劳寿命，即试件破坏时的加载次数(次)；k，n为试验常数，受混合料的成分和特性以及试验温度、加载方式的影响；σ为采用应力控制加载模式时，对试件每次施加的应力最大值，MPa。

参数lgk和n分别为疲劳方程回归直线的截距和斜率，其回归直线见图4(a)。lgk表明了疲劳曲线的线位高低，其值越大，疲劳曲线的线位越高，材料的抗疲劳性能就越好；n越大，疲劳曲线越陡，表明疲劳寿命对应力水平的变化越敏感,lgk和n值见图4(b)。

纤维沥青混合料疲劳试验结果见图4。从图4可以看出，复合纤维的n值较高，说明其混合料对应力水平敏感性高于其他2种纤维沥青混合料；最佳油石比下的普通沥青混合料在添加了4种纤维之后，lgk值均有所提高，表明添加纤维能提高混合料疲劳寿命，其中KTLG2改性纤维提高效果最为明显，其疲劳寿命比普通沥青混合料、木质素纤维、矿物纤维、KTLF1复合改性纤维分别提高32.0%，26.5%，16.3%,1%，4种纤维提高沥青混合料疲劳寿命的大小顺序是改性纤维>复合改性纤维>矿物纤维>木质素纤维。

图4 纤维沥青混合料疲劳试验结果Fig.4 Fatigue test results of fiber asphalt mixture

应力在沥青混合料的裂纹尖端积累导致裂纹扩大，当裂纹尺寸达到材料损伤极限时，会出现失稳扩展,最终导致断裂破坏。纤维的加入使混合料的劲度模量增加，柔韧性改善，混合料内部的微量变形减少，因此，纤维能提高沥青混合料的疲劳性能。

2.4 水稳定性能

本研究主要采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对比最佳纤维掺量下，KTLG2改性纤维、KTLF1复合改性纤维相比于玄武岩纤维、木质素纤维的水稳定性。试件浸水前后马歇尔试验结果见图5，冻融劈裂试验结果见图6，最佳油石比下空隙率见图7。试验中每组包含4个试件，取平均值作为其试验值。

图5 纤维沥青混合料浸水马歇尔试验结果Fig.5 Immersion Marshall test results of fiber asphalt mixture

从图5可以看出，加入纤维后混合料的稳定度和浸水稳定度有一定程度的增加或减小，对残留稳定度影响效果不明显。KTLF1复合改性纤维沥青混合料的稳定度、浸水稳定度提高效果显著，其未浸水稳定度和浸水稳定度分别比普通沥青混合料、木质素纤维、玄武岩纤维分别提高7.8%，11.7%，1.9%，8.9%和12.6%，17.6%，7.8%，表明复合改性纤维改善混合料的水稳定性比其他3种纤维有更好的效果。

从图6可以看出：

(1)加入纤维后KTLF1复合改性纤维沥青混合料的未冻融劈裂强度和冻融循环后强度比普通沥青混合料、木质素纤维、玄武岩纤维分别提高20.0%，8.9%，1.0%和21.6%，12.3%，2.1%，说明复合改性纤维相比木质素纤维和玄武岩纤维有更好的增强作用。

(2)比较4种纤维的残留强度值，残留强度最高的是KTLG2改性纤维，达到75.68%。KTLF1复合改性纤维和玄武岩纤维，其残留强度值均高于普通沥青混合料，木质素纤维的冻融劈裂残留强度比普通沥青混合料稍低，说明混合料的冻融劈裂残留强度受纤维的影响不明显。

图6 纤维沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.6 Freeze-thaw spliting test results of fiber asphalt mixture

KTLF1复合改性纤维水稳定性能方面表现较好，从其微观状态进行分析，相比于其他3种纤维，复合改性纤维主要特点是微观下呈现粗壮通直和疏松缠绕的混合状态，既能和沥青进行有效结合，又能增加混合料黏结应力，分散和吸收冻胀应力，提高混合料冻融劈裂强度[20]；由图7显示的空隙率试验结果，分析水稳定性受宏观因素的影响，在混合料强度满足要求的前提下，其混合料空隙率较高，表明其具有更好的水稳定性。

图7 纤维沥青混合料空隙率Fig.7 Void ratio of fiber asphalt mixture

添加纤维后沥青混合料水稳定性提高的部分原因在于：首先，沥青用量在掺加纤维后需要增多，间接地增加过负载集料表面沥青膜的厚度[21]，延长了沥青氧化时间；其次水剥离附着在集料表面的沥青需要更大的界面能，增加了水剥落集料表面沥青的难度；另外，纤维填充了部分沥青混合料的空隙，降低了沥青混合料的内部空隙率，减少了水分进入内部空隙，从而降低了低温时水分膨胀对混合料的影响。

3 结 论

研究采用木质素纤维、玄武岩矿物纤维分别掺入沥青混合料，与KTLF1复合改性纤维、KTLG2改性纤维沥青混合料的高温性能、低温性能、疲劳性能、水稳定性进行对比分析，结论如下：

(1)纤维可以有效改善混合料的高温性能、低温性能、疲劳性能及水稳定性，但是因纤维类型不同、有效比表面积各异、改性剂和吸油率等各种因素的影响，4种纤维在提高混合料路用性能指标方面有所差异。KTLF1复合改性纤维改善混合料高温温稳定性、抗疲劳性能优于传统纤维，KTLG2改性纤维提高混合料的低温性能及水稳定性比传统纤维有更好的效果。

(2)KTLG2改性纤维在提高混合料高温稳定性、抗疲劳方面表现最好，原因在于改性纤维使得混合料的黏度增加、高温抗剪切强度增强，同时使混合料柔性增大，在荷载作用下产生的微量变形可以部分消除，使混合料的疲劳寿命得以提高。

(3)KTLF1复合改性纤维在提高沥青混合料的低温性能、水稳定性能方面表现较好，其原因从其微观分析，相比于其他3种纤维，复合改性纤维在电镜下呈疏松缠绕和粗壮通直的混合状态，且其通直状的纤维表面粗糙，所以能更加有效地吸附沥青，加筋效果也更好。