玻璃纤维长度对不同级配沥青混合料路用性能影响研究

周强

(湖南交通国际经济工程合作有限公司，湖南 长沙 410000)

沥青路面具有行车舒适、建养方便、可回收利用等优点，在中国高速公路建设工程中逐渐得到广泛应用。但在经济迅速发展伴随而来的重交通荷载影响下，许多沥青混凝土路面出现明显的路面损坏，严重降低了路面的使用性能及寿命。在传统的沥青混合料中掺入玻璃纤维，可以达到改善沥青混合料路用性能、减少养护次数及费用的明显效果。

玻璃纤维属于一种无机纤维材料，具备质轻量大、价格低廉、高强耐久等特征，是作为沥青混合料合适的外掺剂。目前，中国学者已对玻璃纤维沥青混凝土开展过相关研究，其中结论有：在AC-13型沥青混合料中，玻纤的最佳掺量为0.2%左右。但关于玻纤长度对不同公称最大粒径、不同级配沥青混合料各项路用性能的影响等方面研究较少。基于此，该文针对性地选取高速公路常用级配：SMA-13、SUP-20、SUP-25级配，掺入0.2%不同长度的玻璃纤维，研究玻纤长度对其路用性能的影响规律。最后通过灰色关联分析，确定掺入SMA-13、SUP-20、SUP-25级配沥青混合料中玻璃纤维的最佳长度。

1 原材料及矿料级配

1.1 试验材料

该文选用SBS改性沥青作为沥青胶结料，其技术指标见表1；粗细集料均选用石灰岩，填料选用由石灰岩磨细制备而成的矿粉，各指标见表2；选用短切无碱原丝玻璃纤维，其技术指标如表3所示。

表1 SBS改性沥青主要技术指标

表2 矿粉主要技术指标

表3 玻璃纤维技术指标

1.2 矿料级配

所选级配的各筛孔通过率见表4～6。

2 玻璃纤维长度对沥青混合料路用性能影响试验研究

2.1 高温稳定性

不同级配沥青混合料车辙试验结果如图1所示。

表4 SMA-13沥青混合料设计级配

表5 SUP-20沥青混合料设计级配

表6 SUP-25沥青混合料设计级配

图1 车辙试验结果

由图1可知：不同长度的玻璃纤维均可明显提高沥青混合料高温稳定性。其中6 mm长度的玻璃纤维对SMA-13级配的动稳定度提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，其动稳定度逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SMA-13级配沥青混合料的动稳定度甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料，远低于掺加6 mm玻璃纤维的沥青混合料。9 mm长度的玻璃纤维对SUP-20级配的动稳定度提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，其动稳定度逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SUP-20级配沥青混合料的动稳定度甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料。12 mm长度的玻璃纤维对SUP-25级配的动稳定度提高最明显；且随着纤维长度减小，其动稳定度逐渐降低。原因是玻璃纤维具有自身硬度大、较高的弹性模量和有一定的断裂延伸率的优点，掺入沥青混合料中的不同长度玻璃纤维均能在空间中形成三维网状结构，能够以微加筋的形式有效抑制行车荷载作用下即将滑移的集料，提高其温度稳定性。由于不同级配沥青混合料的公称最大粒径也有所差异，所掺入的玻璃纤维长度要与公称最大粒径相匹配，过短的玻璃纤维不能绑住其中的粗集料，过长的玻璃纤维则会在沥青胶浆中聚成一团，无法起到有效的加筋作用。

2.2 低温抗裂性

不同级配沥青混合料的破坏应变结果见图2。

图2 低温弯曲试验结果

由图2可知：不同长度的玻璃纤维均可明显提高沥青混合料低温抗裂性。其中6 mm长度的玻璃纤维对SMA-13级配沥青混合料的低温抗裂性提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，沥青混合料的低温抗裂性逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SMA-13级配沥青混合料的低温抗裂性甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料，远低于掺加6 mm玻璃纤维的沥青混合料。9 mm长度的玻璃纤维对SUP-20级配沥青混合料的低温抗裂性提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，沥青混合料的低温抗裂性逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SUP-20级配沥青混合料的低温抗裂性甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料。12 mm长度的玻璃纤维对SUP-25级配沥青混合料的低温抗裂性提高最明显；且随着纤维长度减小，沥青混合料的低温抗裂性逐渐降低。原因是玻璃纤维的弹性模量远高于沥青，掺入沥青混合料后相当于提高了沥青胶浆的弹性成分比例，能够较好地分散传递应力，掺入玻璃纤维能够有效抑制低温条件下裂缝的产生与发展，再加上玻璃纤维的加筋作用，因此纤维长度对其影响较大。

2.3 水稳定性

为研究不同级配沥青混合料的水稳定性能，针对沥青混合料展开冻融劈裂试验，得到结果如图3所示。

图3 冻融劈裂试验结果

由图3可知：不同长度的玻璃纤维均可明显提高沥青混合料水稳定性。其中6 mm长度的玻璃纤维对SMA-13级配沥青混合料的冻融劈裂强度比提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SMA-13级配沥青混合料的冻融劈裂强度比甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料。9 mm长度的玻璃纤维对SUP-20级配沥青混合料的冻融劈裂强度比提高最明显；且随着纤维长度的继续增加，沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SUP-20级配沥青混合料的冻融劈裂强度比甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料。12 mm长度的玻璃纤维对SUP-25级配沥青混合料的冻融劈裂强度比提高最明显；且随着纤维长度减小，沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐降低。这是由于玻璃纤维的比表面积极其巨大，可以吸附大量的沥青有效增加粗集料的沥青膜厚度，同时又使得沥青胶浆的黏性增大，因而玻璃纤维可以有效提高沥青混合料的水稳定性，且纤维长度对其影响较小。

2.4 抗疲劳性能

为探讨不同级配沥青混合料的抗疲劳性能，针对沥青混合料展开疲劳试验，得到结果如图4所示。

由图4可知：不同长度的玻璃纤维均可明显提高沥青混合料抗疲劳性能。其中6、9 mm长度的玻璃纤维对SMA-13级配沥青混合料的疲劳寿命提高明显；且随着纤维长度的继续增加，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低。尤其当玻璃纤维长度增加到12 mm时，SMA-13级配沥青混合料的疲劳寿命甚至低于掺加3 mm玻璃纤维的沥青混合料，远低于掺加6、9 mm长度玻璃纤维的沥青混合料。9、12 mm长度的玻璃纤维对SUP-20、SUP-25级配沥青混合料的疲劳寿命提高明显，远高于掺加3、6 mm长度玻璃纤维的沥青混合料。且随着纤维长度减小，沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低。原因是玻璃纤维能够延长沥青胶浆的疲劳寿命。法国道路工作者研究认为沥青混合料的疲劳开裂主要是由于沥青胶浆的开裂或损伤引起的，疲劳裂缝在胶浆中产生发展。玻璃纤维的弹性模量远高于沥青，掺入沥青混合料后，相当于提高了沥青胶浆的弹性成分比例，从而增强了沥青胶浆的抗疲劳性能。另外，玻璃纤维分散在沥青混合料中互相搭接形成三维空间网络，能抑制部分疲劳裂缝发展，同时玻璃纤维可有效分散应力集中，一定程度地削弱了应变能积累，从而增强沥青混合料的韧性。

图4 弯曲疲劳试验结果

3 灰色关联分析

为探讨SMA-13、SUP-20、SUP-25级配沥青混合料的最佳玻璃纤维长度，试验基于灰色关联分析对沥青混合料路用性能下各玻璃纤维长度的影响程度进行比较，得出各级配沥青混合料的玻璃纤维长度最优选择。灰色关联分析是一种衡量各因素间关联程度的常用方法，通过对各因素发展趋势及权重进行对比，计算出指标值与因素的关联程度并进行排序，即可得到影响指标值的主次要因素。

3.1 构建矩阵

通过对上述4种不同玻璃纤维长度构建方案集A，则方案集A={A1,A2,A3,A4}。由于每种玻璃纤维长度对应4个试验指标，则指标集B={动稳定度，破坏应变，冻融劈裂强度比，疲劳寿命}。建立各级配的方案集A与指标集B矩阵X，则X=(xij)m×n，xij表示i方案中的j试验指标。列优选矩阵，可得到不同级配的矩阵X：

3.2 规范化矩阵

为了便于比较排序，依次将各级配矩阵内的指标进行无量纲化、归一化处理，使得各试验指标量纲统一化，便于比较排序。

评价指标数据一般可分为成本型和效益型两类，其中成本型指标的数值越小表征效果越好，而效益型则反之。

(1) 成本型指标：

yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(1)

(2) 效益型指标：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(2)

式中：maxxj、minxj分别为j试验指标中的最大、最小值。

由于指标集B均表现为效益型指标，因此选用式(2)分别计算各级配的正规化矩阵Y：

3.3 权重确定

确定评价指标的熵，定义第j个评价指标的熵Hj：

(3)

且假定fij=0时，fijlnfij=0。

则熵权可表示为：

(4)

参照式(3)计算出各指标的熵Hj:

HSMA-13=[0.62,0.60,0.74,0.54]

HSUP-20=[0.65,0.49,0.745,0.66]

HSUP-25=[0.75,0.61,0.74,0.65]

参照式(4)计算出各指标的熵权Wj，同时构造各级配的熵权矩阵Wj:

3.4 优化选择

(1) 求属性矩阵

选用式(5)分别将各级配的矩阵Y规格化成属性矩阵R:

R=Y×WJ

(5)

则有：

(2) 求理想点

理想点P:

P=[p1,p2,p3,…,pn]

式中:pj=max{rij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}。

即在矩阵R中选出理想点P:

PSMA-13=[0.25,0.27,0.17,0.31];PSUP-20=[0.14,0.20,0.10,0.13];PSUP-25=[0.20,0.31,0.21,0.28]

(3) 求距离

计算每个方案到理想点距离L：

L=[l1,l2,…,lm]

计算得：

LSMA-13=[0.41,0.04,0.28,0.51]T

LSUP-20=[0.27,0.2,0.02,0.29]T

LSUP-25=[0.51,0.4,0.21,0]T

从SMA-13级配看：L29 mm>3 mm>12 mm)；从SUP-20级配看：L36 mm>3 mm>12 mm)；从SUP-25级配看：L49 mm>6 mm>3 mm)。

4 结论

(1) 掺加3、6、9、12 mm 4种长度玻璃纤维均可以明显提高沥青混合料的各项路用性能，其中高温稳定性、低温抗开裂性、抗疲劳性能受玻璃纤维长度影响较大。

(2) 由灰色关联分析发现，不同长度玻璃纤维对不同混合料提升效果不同，推荐在SMA-13级配中使用6 mm长度的玻璃纤维，在SUP-20级配中使用9 mm长度的玻璃纤维，在SUP-25级配中使用12 mm长度的玻璃纤维。

(3) 不同级配沥青混合料所掺入的最佳玻璃纤维长度存在明显差异，随着沥青混合料级配中公称最大粒径的增加，掺加的玻璃纤维最佳长度也随之增大。