玻璃纤维改善沥青混合料路用性能的研究

王 锋

(新疆通达路桥工程咨询有限公司 乌鲁木齐市 830011)

0 引言

随着经济社会及道路事业的不断发展，以及车辆的日益增多，目前对道路通行量、行车荷载及速度，以及路面耐久性等提出了更高的要求。沥青路面以其特有的优势被广泛应用于道路建设中，但传统的沥青路面在使用过程中会出现拥包、车辙、裂缝及水损害等问题。为了解决这些状况，国内外学者经过大量的试验研究发现，在普通沥青混合料中加入适量的玻璃纤维制备而成的沥青混合料各项性能得到了很大的改善。

玻璃纤维具有抗拉强度高、耐久性好的特点，是一种性能优异可用于复合材料的增强材料。国外于1960年为了改善路面的反射裂缝，开始研究纤维沥青混合料的性能。1962年Edelmann K等人研究了石棉纤维对沥青混合料性能的影响，结果发现，石棉纤维能够很好地改善沥青混合料的各项性能[1]。Abdelazia利用室内试验的方法研究了玻璃纤维对SMA沥青混合料的影响，发现玻璃纤维可以提高其混合料的抗疲劳特性。Aysar通过研究玻璃纤维掺入沥青混合料后发现，玻璃纤维对沥青混合料的强度和高温抗变形能力有很大改善作用，而且能够延缓裂缝的发展[2]。国内对于纤维沥青混合料的研究起步较晚，2003年杨振才等人通过小型加速加载试验研究了纤维对沥青混合料的应力松弛、低温抗裂能力具有很好的效果[3]。2006年吕伟民研究发现了木纤维对于SMA沥青混合料只有吸附沥青的作用，并不能起到加筋增强的效果，而聚酯纤维有着良好的加筋作用[4]。

目前，国内外对于玻璃纤维改善沥青混凝土的理论体系还不完善，其路用性能也有待进一步深入研究。于是，拟采用车辙试验、冻融劈裂试验及低温小梁弯曲试验，研究沥青混凝土掺玻璃纤维后对其路用性能的影响。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

(1)沥青

采用AH-70#基质沥青，AH-70#基质沥青性能指标见表1。

表1 AH-70#基质沥青性能指标

(2)玻璃纤维

选取了长度12mm的玻璃纤维，分析不同玻璃纤维用量对沥青混合料路用性能的变化规律，以选出玻璃纤维的最佳掺量。其技术性能指标见表2。

表2 玻璃纤维技术性能指标

(3)集料

粗集料选取石灰岩碎石，细集料采用天然中砂与石灰岩石屑，填料选用石灰岩矿粉。所选矿料均按照《公路工程集料试验规程》的相关试验要求进行了测试，矿料的各项性能指标都符合《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。

1.2 配合比设计

(1)矿料级配：试验选取AC-13型级配，矿料配比依次为粗碎石∶中粗碎石∶砂∶石屑∶矿粉=22∶34∶15∶24∶5，按试验规程[5]的相关要求取其级配中值进行矿料配合比组成设计，其矿料级配如表3，级配曲线见图1。

表3 AC-13矿料级配组成

图1 级配曲线

(2)最佳沥青用量：分别将0.1%、0.2%、0.3%的玻璃纤维添加到沥青混凝土中，并通过马歇尔试验确定各自的最佳沥青用量。沥青用量以4.2%±0.3%的幅度变化，采用确定的矿料配比制备所需试件，并对制备好的试件进行试验得出混合料的密度、空隙率、流值及马歇尔稳定度等相关物理-力学参数性能。分析结果发现，当不掺加玻璃纤维时最佳沥青用量为4.6%，当玻璃纤维掺入量分别为0.1%、0.2%、0.3%时所对应的最佳沥青用量依次为4.6%、4.6%、4.7%。

2 试验方案

选用车辙试验、低温弯曲试验和冻融劈裂试验来评价玻璃纤维沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗开裂以及抗水损害性能。

采用AC-13级配对0、0.1%、0.2%、0.3%等玻璃纤维用量的沥青混合料制备各试验相应尺寸的试件，通过分析和研究不同玻璃纤维掺量下的沥青混合料各方面路用性能，从而得出玻璃纤维的最佳用量。

3 试验结果与分析

3.1 高温稳定性

沥青路面高温性能是指路面在车辆荷载的作用下抵抗变形的能力，如路面的车辙、拥包及推移等都是路面承受荷载及高温变形的结果[6]。高温性能不好会严重影响路面的使用性能，如路面不平整导致车辆行驶不平稳，舒适性较差，严重时甚至会导致安全事故的发生。

采用车辙试验得到的45～60min之间对应的车辙深度及产生1mm车辙深度相对应的动稳定度DS作为高温性能的评价指标，试件尺寸采用300mm×300mm×50mm，试验加载频率为42次/min。试验结果见表4和图2所示。

表4 车辙试验结果

图2 动稳定度与玻璃纤维用量的关系

从表4和图2可以得到以下结论：

(1)随着玻璃纤维掺量的不断增加，沥青混合料的车辙深度先降低再增加，在掺量为0.2%时车辙深度最小，相对于普通基质沥青混合料，掺0.2%玻璃纤维的沥青混合料的车辙深度减小了31%。

(2)沥青混合料的动稳定度随着玻璃纤维掺量的增加先升高再下降，在掺量为0.2%时动稳定度最高，相对不掺玻璃纤维时增加了55%。

(3)可以看出玻璃纤维在一定程度上能够增强沥青混合料的高温抗车辙能力，并且在玻璃纤维掺量为0.2%时沥青混凝土的高温性能最好。这是因为随着玻璃纤维的掺入，玻璃纤维表面会充分吸附大量沥青，从而使沥青膜厚度增加，形成了一层厚厚的结构沥青界面膜，将集料充分包裹起来，增强了集料与沥青的粘附性能，从而提高了沥青混合料的高温性能。当玻璃纤维掺量过高时，纤维不能充分分散于混合料中，形成结团现象，从而影响了玻璃纤维的提升效果，导致混合料的高温性能可能会有所降低[7]。

3.2 低温性能

试验采用实验室制备好的尺寸为300mm×300mm×50mm的车辙板切割成30mm×35mm×250mm的长方体试件。将切割好的小梁试件采用MTS万能材料试验机做低温小梁弯曲试验，试验温度为-10℃，加载频率为50mm/min，试验结果见表5和图3所示。

表5 低温小梁弯曲试验结果

图3 玻璃纤维掺量对抗拉应变和劲度模量参数的影响

从表5和图3可以看出：

(1)随着玻璃纤维掺量的增加，沥青混合料的弯拉强度基本没有变化，弯拉强度受玻璃纤维的影响很小。但沥青混合料的弯拉应变随着掺量的增加而呈现先增加后下降的趋势，而且在0.2%掺量时出现拐点，与不掺加相比弯拉应变提高了21%。

(2)沥青混合料的劲度模量随着玻璃纤维掺量的加入先减小后增加，在0.2%时达到最小，相对无掺加时减小了18%。

(3)说明玻璃纤维可以有效改善沥青混合料的低温抗裂性，在掺量0.2%时效果最佳。这是因为在掺量较小时玻璃纤维在沥青混合料中的分散性较好，能够与沥青形成交织的网状结构，当沥青混合料受到外界的拉应力时这种网络结构就能发挥加筋以及增韧阻裂的作用，很有力地阻碍了沥青混合料裂缝的发展，从而提高了沥青混合料的低温抗裂性。当掺量过大时玻璃纤维的分散性就会很差，出现结团，从而就会产生应力集中的现象，进而削弱了混合料低温时抵抗开裂的能力[8]。

3.3 水稳定性

通过冻融劈裂试验得到的冻融劈裂强度比来评价沥青混合料的水稳定性能，实验室制作马歇尔试件，并将制备好的试件随机分为两组，一组用于测定常温状态下的劈裂强度，另一组首先真空饱水，放在-18℃的环境中16h，然后置于60℃恒温水浴中24h后进行强度试验。试验结果如表6和图4所示。

表6 水稳定性试验结果

图4 冻融劈裂强度比和玻璃纤维用量的关系

从试验结果可以得出：

(1)经过对比分析发现，沥青混合料未冻融时，掺玻璃纤维后沥青混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度比均比未掺玻璃纤维时高，这也就说明了掺玻璃纤维能够提升沥青混合料的劈裂强度。此外，冻融劈裂强度比伴随着玻璃纤维掺量增加先升高后降低，在0.2%时效果最佳。

(2)从试验过程中发现，当沥青混合料中加入0.3%玻璃纤维后，出现了纤维结团的现象，可能原因是玻璃纤维用量较大时，沥青和纤维之间相互浸润交织的效果就会削减。另外，在进行劈裂试验时发现，试件劈裂面的断裂处纤维大部分被拔出，玻璃纤维在沥青混合料中基本处于直立状态，说明玻璃纤维在沥青混凝土中起到较好的加筋功能，并且在玻璃纤维掺量小于0.2%时，沥青混合料中的玻璃纤维分散得相当均匀，几乎没有抱团现象，这种情况下玻璃纤维吸附沥青并完全包裹形成交织结构。

4 结论

通过研究玻璃纤维沥青混凝土的各方面使用性能，分析玻璃纤维添加量对路用性能产生的变化规律，可以得出以下结论：

(1)玻璃纤维能够增加沥青与矿料的内摩阻力，大幅提升沥青混凝土的高温抗车辙变形性能。

(2)玻璃纤维能够有效提高沥青混凝土在低温条件下抵抗开裂的性能，起到加筋以及增韧阻裂和阻碍裂缝发展的作用。

(3)玻璃纤维能够有效提升沥青混凝土的劈裂强度，增强沥青混凝土的抗水损害能力。

(4)玻璃纤维掺量较小时其分散性较好，能够与沥青形成相互交织的网状结构，有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能以及水稳定性。综合各方面路用性能，在掺0.2%玻璃纤维时其使用效果最佳。但掺量过大会出现结团，不利于沥青混合料的各方面性能。