钢纤维沥青混合料导热及路用性能研究

邓 甲

(南京铁路建设投资有限责任公司 南京市 210000)

0 引言

沥青路面有着较好的使用性能，但是在日照、车轮摩擦等影响因素作用下，沥青路面在使用阶段温度会升高。一方面，沥青路面由于其颜色是黑色，对太阳光各种波长的光辐射的吸收能力都较强，导致路面会吸收很多热量；另一方面，沥青路面材料的导热系数比较低，并且路面的面层、基层、路基导热系数差别不大，路面内部吸收的热量不易形成梯度传导。综上，沥青路面内部容易积聚热量，使路面温度升高，沥青路面出现高温失稳破坏，产生各种病害，例如拥包、车辙等，影响沥青路面的使用性能。

目前而言，可以通过向沥青混合料内掺入导热性较高或较低粉体、纤维来改变沥青混合料的导热性能，进而形成促进路面内热量流动的结构，从而降低路面温度。一般而言，在设计沥青路面梯度导热结构时应该保证导热性上部比较小，而下部比较大，这样有利于热量能较快地在路面内流动，使得路面内部的积热减少，降低路面温度[1-2]。

钢纤维在沥青混合料中的应用已经涉及多个领域。王昊鹏等[3]利用钢纤维实现了沥青混凝土从绝缘体到导体的转变，基于此开发的自愈合钢纤维沥青混合料随着加热时间的不断增加，最高可提高混合料自愈合能力20%以上。杨发等[4]也将钢纤维用于除冰性能的研究，其制备的混合料能使-5℃下的感应加热速率高达0.5℃/s，融冰效果显著；在力学性能方面，王清华[5]综合评价了钢纤维沥青混合料的路用性能。结果表明：钢纤维在改善混合料抗车辙性能、抗弯拉强度、抗裂强度、水稳定性等方面均有很好的效果。而对于采用钢纤维沥青混合料进行导热性能改善、路面降温研究还不多，本文旨在对钢纤维沥青混合料的导热性能和路用性能进行综合评价。

1 实验准备

1.1 原材料

(1)沥青

沥青选择70#基质沥青，其主要技术指标如表1所示。

表1 70#基质沥青的技术指标

(2)钢纤维

共选取了四种不同的钢纤维，长径参数见表2。

表2 钢纤维长径参数

(3)集料

实验所用集料粒径共分10～20mm、5～10mm、0～5mm三档，根据《公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)》测定集料的表观相对密度、毛体积相对密度和吸水率，结果如表3所示。

表3 集料密度试验结果

1.2 沥青混合料配合比

沥青混合料级配类型为AC-13，如表4所示。

表4 AC-13沥青混合料级配

本实验中，钢纤维掺量相对于沥青混合料质量来说非常小，因此在实验中，不考虑钢纤维对沥青的吸附作用，所确定的最佳油石比为5%。

1.3 钢纤维沥青混合料试件制作

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行马歇尔试件的制作，由于添加的钢纤维达到一定比例后，在拌和过程中容易出现结团的现象，如图1。因此采取先在集料中加入一定量的钢纤维，进行干拌，然后再加入沥青，制备出相应的混合料，钢纤维沥青混合料制作关键点就是要保证拌和过程中钢纤维能够尽可能均匀分散于混合料中[6]，如图2。

图1 钢纤维出现明显结团

图2 拌和较为均匀的钢纤维沥青混合料

2 混合料热物参数测试

将制作好的马歇尔试件使用切割机进行切割，每个马歇尔试件切割2个面，切割时尽量保证切割面光滑平整，切割完成后，采用DRM-Ⅱ型导热系数测试仪，测定制作好的钢纤维沥青混合料的导热系数(W/m·℃)和比热容(J/(kg·℃))。取三次测试值平均值作为最终结果，如图3、图4所示。

图3 钢纤维沥青混合料导热系数随钢纤维种类、比例变化示意图

图4 钢纤维沥青混合料比热容随钢纤维种类、比例变化示意图

根据测试结果可得出以下结论：

(1)在0.5%～1.5%的钢纤维掺量下，随着添加钢纤维比例的提高，沥青混合料的导热系数都呈现升高趋势，而沥青混合料的比热容都有所下降。原因分析是由于钢纤维的导热系数大于沥青混合料，比热容小于沥青混合料，加入钢纤维之后，沥青混合料内部形成了导热网络，更有利于热量的传递，因此钢纤维沥青混合料的导热系数提高，而比热容降低。

(2)对于不同种类的钢纤维来说，导热系数的上升程度有所不同，由图3可以看出同等掺量下，2#、3#、4#三种钢纤维提升导热性能更加明显，最高分别可提高39.5%、43.2%、45%。其中2#、3#钢纤维的密度完全相同，3#钢纤维长度为2#钢纤维的一半，而3#钢纤维沥青混合料导热系数提升比加入2#钢纤维沥青混合料多，结合4#钢纤维细粉状的特点，可得出推论：越细越小的钢纤维导热性能越好，原因可能是在这种情况下钢纤维分布更为均匀，更容易形成导热网络。

3 力学性能测试

3.1 单轴压缩试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，不同种类的钢纤维按照0.5%、1%和1.5%混合料质量的掺量，分别制作马歇尔试件。将制作好的马歇尔试件放置于恒温水槽中(20℃)保温2.5h后取出，使用万能材料试验机，以2mm/min的加载速率均匀加载，直至马歇尔试件破坏，读取荷载峰值P。

根据记录下的荷载峰值，按下式计算沥青混合料的抗压强度：

(1)

试验数据结果如表5所示。

表5 钢纤维沥青混合料单轴压缩试验数据

3.2 劈裂试验与抗剪强度计算

同上，制备好马歇尔试件，使用万能试验机，以50mm/min的速率加载，直至试件破坏。记录最大荷载P。

根据文献[7]，采用单轴压缩试验和间接拉伸试验组合的方法计算抗剪强度，使用的计算方法如式(2)、式(3)、式(4)所示：

(2)

φ=sin-1(tanα1)

(3)

(4)

式中：σUCS为单轴压缩强度；σIDT为间接拉伸强度；α1为斜率参数。

计算结果如表6所示。

表6 钢纤维沥青混合料马歇尔劈裂试验结果

根据测试结果可得到如下结论：

(1)对于抗压强度而言，钢纤维加入之后，随机分布在集料颗粒之间，相对于原始的沥青混合料而言，减小了空隙率，且由于钢纤维表面较为粗糙，能够更好地吸附包裹沥青，进一步稳固了集料之间的位置关系，限制了集料自由滑移，因此提高了沥青混合料的抗压强度[8]，其中4#钢纤维最高可提高抗压强度30.7%。

(2)对于抗剪强度而言，和抗拉强度提升机理类似，加入钢纤维之后，空隙率变小，沥青混合料变得更为密实，一定程度上增大了间接拉伸强度。但更大影响在于，加入钢纤维后，沥青混合料的抗拉强度由钢纤维的抗拉能力、沥青的粘结力和集料的摩阻力共同承担[9]，其中，4#钢纤维最高可提高抗剪强度31.8%。

3.3 车辙试验

为了评价钢纤维沥青混合料的高温稳定性，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行车辙板的制作，车辙板尺寸为30cm×30cm×5cm。制备中添加4#钢纤维，添加比例为0.5%～5%。动稳定度测试结果如图5所示。

图5 动稳定随钢纤维掺量变化关系图

试验结果显示，相较于原始沥青混合料，添加钢纤维之后的沥青混合料，在一定比例范围内，动稳定度呈现上升的现象，但是在钢纤维掺量达到一定限度后，动稳定度出现了明显的下降趋势，整体来看，在钢纤维掺量1%时沥青混合料的动稳定度最大，增幅为64.9%。出现这种现象的原因可能是钢纤维沥青混合料作为一种组成结构复杂的黏弹性复合材料，钢纤维掺量和沥青含量交互作用，影响沥青混合料的动稳定度[10]。

因此，在实际应用中，钢纤维掺量应与沥青含量相匹配。若想要制备大比例钢纤维掺量的沥青混合料时，沥青用量必须进行相应的增加，否则，钢纤维沥青混合料的动稳定度会大幅度下滑，严重影响钢纤维沥青混合料的路用性能。

4 结语

通过向沥青混合料中加入钢纤维进行改性，通过添加不同比例的钢纤维，进行沥青混合料的热物参数试验和力学性能试验，综合评价沥青混合料的降温性能和路用性能。主要研究结论如下：

(1)在沥青混合料配合比设计的基础上，进行添加了钢纤维的沥青混合料的热物参数试验，在添加钢纤维比例为0.5%～1.5%的范围内，钢纤维含量越高，沥青混合料的导热系数越大，比热容越小，添加钢纤维能够有效地提高沥青混合料的导热性能。

(2)外加钢纤维会对沥青混合料的力学性能造成影响，在添加钢纤维比例为0.5%～1.5%的范围内，钢纤维沥青混合料的抗压强度和抗剪强度都得到了提高，但是动稳定度随钢纤维比例的提高呈现先增后减的变化趋势。主要是钢纤维含量较少时，钢纤维对集料颗粒间的相对位置关系具有加强作用，限制了集料相对滑移，使沥青混合料的动稳定度增大；而在钢纤维掺量过多时，需要包裹更多沥青，原始的沥青用量相对来说就显得不足，沥青混合料密实度降低，动稳定度降低。

(3)相比于其他三种钢纤维，4#钢纤维对沥青混合料热物参数、抗压和抗剪强度提升最为显著，因此推荐使用4#钢纤维对沥青混合料进行改性。最佳添加比例为1%，此时可提高动稳定度64.9%，并且导热系数增幅达38.2%。