玻璃纤维沥青混合料路用性能研究

罗良惠 覃广

作者简介：

罗良惠（1986—），工程师，主要从事路桥工程施工管理工作;

覃 广（1985—），工程师，主要从事路桥工程施工管理工作。

为研究玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响，文章介绍了路用玻璃纤维的原料选择和表面改性工艺，并通过车辙试验、小梁低温弯曲试验、冻融劈裂试验，研究不同掺量下玻璃纤维对混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性的影响规律。结果表明：掺加玻璃纤维可以有效改善混合料的高温稳定性，但是随着掺量增加，改善作用存在上限;掺加玻璃纤维可以提高沥青混合料在低温时的弹性和抗变形能力，但是对弯拉强度没有帮助;玻璃纤维掺量为0.2%时能够显著提升混合料的劈裂强度和水稳定性，但是掺量过多会导致混合料水稳定性显著下降。

道路工程;玻璃纤维;沥青混合料;路用性能

U416.217A200683

0 引言

在我国道路交通量不断增大及行车荷载不断增重的背景下，早期建设的沥青路面开始出现裂缝、车辙等病害，现状大量路面已不能满足高速发展的交通运输事业的要求。国内外道路从业者发现在沥青混合料中掺加各类纤维材料開发新的复合材料，结合纤维自身力学特性，可以改善混合料整体力学性能[1]。目前常见的沥青路面改性用纤维有木质素纤维、矿物纤维和聚酯纤维等。而木质素纤维存在易吸水腐败、增强效果差的缺点。石棉纤维也有易致癌、不环保的缺陷。玄武岩纤维虽然各项技术性能优良，但是成本较高，难以得到推广[2]，因此需要开发一种廉价的高强高韧纤维材料。玻璃纤维是一种以硅砂、石灰石等天然矿石为原料的无机非金属材料，取材方便且价格仅为聚酯纤维的1/5，具有良好的化学稳定性和耐热性，比表面积大但吸水率低，抗拉强度可以达到1 500～5000 MPa。但是玻璃纤维较脆，拌和时极易断裂，且受热时易静电结团，很难形成均匀的三维分布状态[3]，从而无法起到加强作用。为解决上述制备工艺问题，本文从纤维类型和规格选择、表面改性工艺等方面进行技术探讨，研究了不同掺量玻璃纤维混合料的高温抗车辙、低温抗开裂等路用性能，以期为玻璃纤维的推广提供充足的理论依据。

1 玻璃纤维

1.1 玻璃纤维种类和规格选择

（1）纤维种类

按照化学成分，玻璃纤维可以分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维及高强玻璃纤维四种。由于成分不同，各种玻璃纤维的特点各不一致，如表1所示。

（2）纤维单丝规格

玻璃纤维的单丝直径极细，通常以μm为单位计量。国外从业者研究发现，纤维直径对纤维强度影响甚微，且随直径减小，纤维韧性显著提高，但是工艺难度和生产成本也明显提高。在混合料中分布均匀的玻璃纤维混合料可对路面起到加筋作用，提高路面强度。而纤维的长径比是影响其在混合料中分散均匀性的重要影响因素。长径比过大会导致纤维在生产拌和时受热结团[5]。综合考虑玻璃纤维的经济效益以及柔韧性、耐久性需求，本文选用单丝直径<10 μm，长度为6 mm的短切玻璃纤维，其物理性能与其他类型纤维的对比见表2。

1.2 玻璃纤维表面改性

玻璃纤维表面光滑，摩擦或受热易起静电，若不经过表面处理直接掺加会在拌和过程中结团，分布不均匀，导致混合料整体强度下降;同时，玻璃纤维与沥青粘附性差，混合料受力时纤维无法与沥青咬合，起不到加筋和搭接作用。因此需要在玻璃纤维表面裹附表面处理剂，起到浸润纤维表面、集束、防止静电积累、提高与沥青粘附性的作用。

本文选用一种硅烷偶联剂类浸润剂，其硅烷偶联剂分子一端的基团与玻璃纤维表面反应形成坚固的化学键，另一端基团具有有机物性质，可形成防水耐磨的保护膜，能够与沥青产生物理缠绕，使玻璃纤维与沥青牢固粘结。其他组成成分有：粘结剂、润滑剂及抗静电剂等。另外辅助成分分别有pH调节剂、交联剂、防腐剂或杀菌剂、消泡剂等。粘结剂主要是为了将单丝聚束，增加纤维柔韧性;润滑剂可以在生产过程中，降低机械各构件的磨损，同时降低纤维毛丝率;而抗静电剂可以增加纤维表面的导电性能，以弱化静电作用引起的纤维间摩擦系数。

2 路用性能

采用石灰岩、壳牌70号A级重交基质沥青作为本文试验集料与粘结料。纤维改性通常用于SMA路面，但是为了研究结果的适用性，本文试验级配选用细型AC-13F进行配合比设计（如表3所示）。通过马歇尔试验最终确定未掺加纤维时的最佳沥青用量为4.6%。

2.1 高温稳定性

根据马歇尔试验确定的级配和最佳油石比，以0%、0.1%、0.2%、0.3%的掺量制备玻璃纤维SMA-13沥青混合料车辙试件，参考《公路工程沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），分别在60 ℃和70 ℃下以轮压0.7 MPa进行车辙试验60 min。试验结果见图1、图2。

由图1、图2可知：

（1）掺加玻璃纤维后混合料的高温稳定性得到有效提升。在图1中，随玻璃纤维掺量增加，混合料的动稳定度不断提高，即使掺量为0.1%，60 ℃动稳定度也比掺量为0时提高了52.5%。这是因为经过表面浸润处理的玻璃纤维不易结团、与沥青粘结性好，可以均匀分散在混合料中，吸收大量的自由沥青，形成网状结构，从而使自由沥青的数量相对减少，提高了混合料的高温稳定性。

（2）随着掺量的增加，玻璃纤维对混合料高温稳定性的改善存在上限。在图1中，60 ℃动稳定度随着纤维掺量的增加整体呈上升趋势，但是掺量0.3%时相比0.2%时基本不变;在图2中，60 ℃和70 ℃的永久变形在掺量0.2%时最小，掺量达到0.3%时趋于稳定。

2.2 低温抗裂性

根据《公路工程沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对低温小梁弯曲试验的规定，以50 mm/min加载速率在-10 ℃环境下分别对纤维掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%的混合料进行低温抗裂性测试。试验结果见表4。

由表4可知，玻璃纤维可以提高沥青混合料的低温弹性和抗变形能力，但是对弯拉强度没有帮助。4种掺量下混合料的弯拉强度没有变化，随着玻璃纤维掺量的增加，弯拉劲度模量呈上升趋势，弯拉应变呈下降趋势，但是在0.3%掺量时均有反弹现象。这是因为掺入玻璃纤维后，纤维吸附了沥青中的轻质组分，使沥青劲度模量提升;纤维分散了沥青混合料试件内部的拉应力，阻碍了微裂缝发育，宏观上则体现为混合料整体低温抗开裂能力提升。

2.3 水稳定性

参考规范对室温组（25 ℃浸水2 h）和冻融组（-18 ℃浸水16 h，再60 ℃水浴24 h）进行劈裂强度试验，以干燥状态与浸水状态劈裂强度比值ITSR表征水稳定性，试验结果见图3、图4。

由图3、图4可知：

（1）沥青混合料中的玻璃纤维掺量为0.2%时试件劈裂强度最大、水稳定性最佳。在图3中，掺加玻璃纤维达到0.1%和0.2%后，干燥和冻融劈裂强度均有较大提升，0.2%时的冻融劈裂强度比0时的干燥劈裂强度都要高;在图4中，ITSR在掺量0.1%和0.2%时对比掺量为0时分别增长了2%和2.4%。這是因为掺加玻璃纤维后，沥青胶浆的黏度明显提升，6 mm玻璃纤维吸附在集料上时能够起到搭接和加筋作用，提高了劈裂强度。

（2）玻璃纤维掺量过多会劣化混合料水稳定性。在图3中，纤维掺量0.3%后，干燥和冻融劈裂强度有所下降，其中冻融劈裂强度下降显著;在图4中，ITSR在掺量0.3%时对比掺量0下降了4.2%。这是因为多余的纤维在混合料内部不能均匀分布，结团缠绕，阻断了集料之间的粘结。

3 结语

通过研究表面改性工艺和不同掺量玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响，得出以下结论：

（1）掺加玻璃纤维可以有效改善混合料的高温稳定性，但是随着掺量增加，改善作用存在上限。

（2）掺加玻璃纤维可以提高沥青混合料在低温时的弹性和抗变形能力，但是对弯拉强度没有帮助。

（3）玻璃纤维掺量为0.2%时能够显著提升混合料的劈裂强度和水稳定性，但是掺量过多会导致混合料水稳定性显著下降。

[1]祖小军.玻璃纤维微表处组成设计与路用性能研究[J].福建交通科技，2020（1）：13-15，26.

[2]孙增智，薛 博，陈华鑫.纤维微表处路用性能的影响因素[J].筑路机械与施工机械化，2019，36（3）：56-61.

[3]郭寅川，陈乔森，申爱琴，等.玻璃纤维改善砾石沥青混合料路用性能[J].公路交通科技，2018，35（8）：28-33.

[4]黄剑飞.玻璃纤维对温拌沥青混合料路用性能的影响研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.

[5]刘 松.玻璃纤维沥青混合料路用性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2016.