基于抗裂功能的纤维沥青混合料性能研究

大次仁

(西藏天路股份有限公司，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

十几年来，西藏地区公路建设蓬勃发展，已初步形成现代化公路运输格局。沥青路面因其优良的使用性能，成为区内的主要路面形式。但是，由于西藏地处青藏高原地区，属青藏高原气候区域，常年低温，降雨集中，太阳辐射强，造成区内沥青路面病害复杂多样，并以低温开裂造成的裂缝类病害为主，严重影响公路运输能力及加重养护成本[1-3]。

沥青及沥青混合料的低温抗裂性能是影响沥青路面低温开裂的重要因素[4]，故许多学者从改性沥青、级配设计等方面研究改善沥青混合料抵抗低温开裂能力的措施[5-6]。而纤维由于本身的优良韧性，可以有效改善混合料的低温抗裂性，引起道路工作者的关注[7-9]：Chen发现需在沥青混合料中提高沥青用量以涂覆纤维的表面，在纤维最佳掺量下，纤维沥青混合料试样的力学强度更高；Ahmad发现黄麻纤维可以有效改善沥青混合料的低温抗裂性能；朱春凤等[10]发现当玻璃纤维掺量为0.2%时，可以显著改善混合料的水稳定性以及冻融循环后的间接拉伸强度，但是当掺量大于0.3%时，上述指标反而下降，说明过多的纤维影响集料与沥青的接触，增大混合料的空隙率；廖芳龄等[11]采用约束应力试验和冲击韧性试验，发现玄武岩纤维沥青混凝土在低温下脆性较低，具有较好的柔韧性；李振霞等[12]通过对比研究，发现掺加木质素纤维和玉米秸秆纤维后，沥青混合料的路用性能明显提升。

综上可知，纤维沥青混合料具有优良的低温抗开裂性能。考虑高寒地区特殊环境条件的影响，本文选择3种纤维，研究不同类型纤维在其最佳掺量下对沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能的影响，为具有优良抗裂性能的纤维沥青混合料在高寒地区的推广应用提供参考。

1 原材料与试验

1.1 沥青与矿料

本文选取90#沥青作为基质沥青；细集料和矿粉均采用石灰岩；沥青与细集料均符合规范要求，矿料级配类型为AC-13型，级配组成见表1。

1.2 纤维

本文选用3种纤维：聚酯纤维(Polyester Fiber,简称PF)，玻璃纤维(Glass Fiber,简称GF)，玄武岩纤维(Basalt Fiber,简称BF)，如图1所示；其性能参数见表2。

表1 矿料级配组成 %

图1 试验选用的3种纤维

1.3 纤维最佳掺量

在确定基质沥青混合料的最佳油石比后，每种纤维选取3组油石比和3组掺量。由于纤维的吸油性，沥青用量会上升一定幅度，故而将未掺纤维的沥青混合料最佳油石比上调，纤维沥青混合料试验油石比由此确定。

表2 纤维性能参数

1.4 纤维沥青混合料路用性能试验

根据纤维的最佳掺量及相应的最佳油石比拌合纤维沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行沥青混合料车辙试验、弯曲蠕变试验、浸水马歇尔试验和四点弯曲疲劳寿命试验，分别对纤维沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳定性和疲劳性能进行验证。

2 确定纤维最佳掺量

经试验，确定普通沥青混合料的最佳油石比为5.08%。根据相关文献的研究[13-15]，纤维沥青混合料的纤维掺量为0.2%、0.3%、0.4%，油石比为5.2%、5.4%、5.6%，两两组合进行试验，各纤维掺量下沥青混合料的最佳油石比及马歇尔稳定度如图2所示。

图2 纤维掺量与马歇尔试验参数的关系

由图2可知，随着纤维掺量的上升，最佳油石比先增大后减小。最佳油石比增大是由于纤维本身会吸收部分沥青，而当纤维掺量增加到一定程度时，在纤维沥青混合料的拌合过程中，可以直观地看到掺量越高，纤维的团聚现象就越明显，没有全部发挥其本身的吸油性，因此最佳油石比会降低。同时聚团的纤维会成为混合料的内部缺陷，应力易在该处集中，导致裂纹的产生与扩展，稳定度也随之降低，故纤维的掺量不宜过高。

由图2(a)可知，当PF掺量为0.2%时，马歇尔稳定度达到峰值11.33 kN，故而确定该纤维的最佳掺量为0.2%，同时确定最佳油石比为5.27%。由图2(b)可知，当GF掺量为0.3%时，马歇尔稳定度达到峰值9.15 kN，故而确定最佳掺量为0.3%，同时取其对应的最佳油石比为5.38%。由图2(c)可知，当BF掺量为0.3%时，马歇尔稳定度达到峰值9.42 kN，故将最佳掺量确定为0.3%，同时确定最佳油石比为5.50%。

3 纤维沥青混合料的路用性能

3.1 高温性能

图3为不同类型纤维沥青混合料试件的动稳定度试验结果。掺入纤维后，基质沥青混合料的动稳定度均有不同程度的提高，说明纤维可以有效地提高沥青混合料的高温稳定性能。PF、GF、BF混合料的动稳定度分别提高8.6%、11%和9.8%，其中GF占优。纤维分散填充在沥青与集料的界面时，其较大的比表面积可以充分吸收沥青并与之结合，交错互织，形成网状结构，使混合料结构更加稳固；当温度较高时，这个结构在限制沥青流动的同时，亦使沥青混合料在受热发生体积变化时存在一定的收缩趋势，防止混合料发生高温变形[16]。对于西藏高寒地区而言，纤维对混合料高温性能的提升更有助于延长路面的使用寿命。

图3 不同类型纤维沥青混合料的动稳定度试验

3.2 低温抗裂性能

图4为不同类型纤维沥青混合料试件的弯曲蠕变试验结果。相较于基质沥青混合料，不同类型纤维沥青混合料的弯拉破坏强度和弯拉破坏应变均有所提高，表明掺入纤维可以有效提高沥青混合料在低温条件下所能承受的极限荷载和抵抗变形的能力，即改善了混合料的低温抗裂性能。这是由于纤维本身可以吸收部分撕裂拉伸应力，约束沥青混合料内部缺陷和裂纹的扩展，从而增强、增韧，改善沥青混合料的低温抗裂性能[17]。其中BF对强度的增幅最大，达到51.8%，GF和PF分别为37.7%和14.5%；BF的增韧效果也是最好的，为19.7%，PF和GF分别为5.4%和2.1%。总体而言，利用纤维可以有效提高混合料的低温抗裂性能。因此，对于地处西藏高寒地区的道路，釆用纤维沥青混合料是避免沥青路面在低温条件下由于强度和韧性不足而引起的开裂破坏，延长路面使用寿命的合理途径。

图4 不同类型纤维沥青混合料的弯曲蠕变试验

3.3 水稳定性

图5为不同类型纤维沥青混合料试件的浸水马歇尔试验结果。PF和GF对沥青混合料的水稳定性有明显的改善作用，与基质沥青混合料相比，2种纤维沥青混合料的残留稳定度分别提高13.9%和4.5%，而BF却使残留稳定度下降5.7%。相较于其他纤维，BF不利于沥青混合料的水稳定性，但其残留稳定度满足规范的要求(大于75%)，可以在西藏地区使用。

图5 不同类型纤维沥青混合料的浸水马歇尔试验

3.4 疲劳性能

为了更好地反映不同荷载的作用效果，选择在不同的应力比(σ/σt，σ为剪切应力，σt为极限剪切应力)条件下进行四点弯曲疲劳试验，结果如表3所示。对其进行回归分析，得到不同级配的疲劳方程及其相关参数，如图6与表4所示。

表3 纤维沥青混合料的疲劳试验结果

图6 不同类型纤维沥青混合料的弯曲疲劳试验

表4 不同级配的疲劳方程及相关参数

其中，Nf为疲劳寿命；Km表示疲劳曲线位置的高低，其值越大，说明混合料的疲劳性能越好；n表示疲劳曲线斜率的陡缓程度，其值越大，混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，表示混合料的疲劳性能越差[18-19]。由表4可知，BF沥青混合料的Km值最大，其疲劳性能较优，其次为GF、PF；PF沥青混合料的n值最大，表明其对应力水平的变化较敏感，GF和BF则相差不大。在疲劳试验过程中，重复荷载作用会引起混合料微裂纹的产生和扩展，而纤维在混合料中形成的网状结构可有效限制裂纹的扩展，且沥青用量的增加也有利于细裂纹的自愈合，从而提高了混合料的耐疲劳性能[20]。总体而言，BF对混合料耐疲劳性能的改善效果最优。

4 结 语

(1)不同类型纤维的最佳掺量及对应的油石比不同，PF、GF、BF的最佳掺量分别为0.2%、0.3%和0.3%，对应的油石比分别为5.27%、5.38%和5.50%。

(2)GF可使混合料的高温性能提高11%，改善效果最好，PF和BF分别提高8.6%和9.8%。

(3)BF可显著提高混合料的低温抗裂性能，使低温弯拉破坏强度和破坏应变分别提高最多51.8%和19.7%，；PF和GF分别提高14.5%和5.4%、33.7%和2.1%。

(4)BF会在一定程度上削弱混合料的水稳定性，但仍能满足规范要求。PF和GF分别使残留动稳定度提高13.9%和4.5%，即PF最有利于混合料的水稳定性。

(5)BF对混合料疲劳性能的改善效果最优，其次为GF和PF。

(6)综合各项路用性能，考虑到高原高寒地区的特殊环境条件，建议使用BF掺量为0.3%的沥青混合料。