不同类型纤维沥青混合料路用性能研究

谭海勤

(湖南中大设计院有限公司， 湖南 长沙 410075)

纤维复合材料具有耐腐蚀能力强、强度高、模量大、耐高温、耐久性良好等特点，被广泛用于增强路面材料的力学性能。Serfass J. P.等通过相关试验，分析了3种纤维对混合料性能的影响，指出纤维的掺入可提高沥青用量，增强水稳性能、抗疲劳性能及抗开裂能力。范文孝通过对玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维沥青混合料进行高温试验、疲劳试验、低温抗裂试验，得出纤维能大大提升混合料的高温稳定性、抗疲劳及抗开裂能力。郭乃胜等对纤维掺量进行研究，结果表明，聚酯纤维掺量达到某一值时混合料的路用性能最好。章汪琛通过试验研究玄武岩纤维、聚酯纤维及二者混掺纤维对混合料性能的影响，得出混掺纤维对混合料的路用性能提升最优。该文在相关研究的基础上，通过试验研究不同掺量碳纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳性能、疲劳性能的影响。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1) 基质沥青。采用东莞泰和沥青产品有限公司生产的埃索70#基质沥青，其性能指标见表1。

表1 基质沥青的技术性能

(2) 集料。粗、细集料均选用石灰岩，其主要技术指标满足规范要求。

(3) 矿粉。采用石灰岩矿粉作为沥青混合料的填料，其主要技术指标均满足规范要求。

(4) 纤维。采用聚酯纤维、碳纤维、玄武岩纤维，其性能指标见表2。

表2 3种纤维的主要技术指标

1.2 试验方案

采用AC-13C级配(见表3)，双面击实75次成型标准马歇尔试件，通过马歇尔试验确定不同纤维(掺量分别为0、0.15%、0.30%、0.45%)沥青混合料的最佳油石比，试验结果见表4。

表3 AC-13C沥青混合料级配

表4 各纤维掺量下沥青混合料最佳油石比

2 纤维沥青混合料路用性能研究

2.1 高温性能

采用JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的试验方法测试无纤维和不同掺量碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维沥青混合料在60℃下的动稳定度，结果见图1。

图1 纤维掺量与高温性能的关系

由图1可知：1) 相比于普通沥青混合料，纤维沥青混合料的动稳定度提高较明显，表明纤维可显著增强沥青混合料的高温性能。2) 各纤维沥青混合料的动稳定度随纤维掺量增加呈现先增大后减小的趋势，碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维沥青混合料的动稳定度分别在纤维掺量约0.28%、0.33%、0.2%时达到最大。分析其原因，可能是纤维掺量超过一定值时会发生成束现象，不能充分发挥纤维耐高温、耐久性等作用，甚至对混合料的性能产生一定降低作用。3) 纤维掺量为0.30%时，各混合料的高温性能最佳。因此，选定纤维掺量0.30%进行后续试验。

2.2 水稳性能

采用JTG E20-2011中的试验方法对无纤维和纤维掺量为0.30%的不同纤维沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果见表5。

由表5可知：1) 与无纤维沥青混合料相比，纤维沥青混合料浸水后残留稳定度提高较大，其中碳纤维沥青混合料提高39.9%，玄武岩纤维沥青混合料提高28.8%，聚酯纤维沥青混合料提高17.9%，表明加入纤维可提高沥青混合料的水稳性能，碳纤维的提高效果最优。原因可能是纤维加入的同时，混合料的最佳沥青用量增加，矿料表面有效沥青膜厚度增大，沥青对矿料的裹覆力大大增强。2) 经过冻融循环后，碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维沥青混合料的劈裂强度比无纤维沥青混合料分别提高49.8%、29.6%、6.6%。分析其原因，可能是纤维的加入起到一定的加筋作用，增强了混合料颗粒间的黏结强度。

表5 AC-13C纤维沥青混合料水稳性能试验结果

2.3 低温抗裂性能

采用JTG E20-2011中的试验方法评价无纤维和纤维掺量为0.30%的不同纤维沥青混合料的低温抗裂性能，结果见表6。

表6 AC-13C纤维沥青混合料低温性能试验结果

由表6可知：相对于普通沥青混合料，碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维沥青混合料的弯拉强度分别提高15.6%、11.4%、8.7%，破坏应变也有不同程度增加。纤维的添加对混合料低温抗裂性能有明显增强效果，其中碳纤维的改善效果最佳。

2.4 混合料疲劳性能

采用式(1)研究不同纤维沥青混合料的疲劳性能。分别成型长、宽、高为2 400、500、500 mm的无纤维和纤维掺量为0.30%的不同纤维沥青混合料试件，采用半正弦波应力加载模式在MTS材料试验机上进行试验，结果见表7。

表7 AC-13C纤维沥青混合料疲劳试验结果

式中：Nj是破坏时荷载作用次数；σ0为初始弯拉应力；k、n为试验回归系数，k值反映疲劳寿命大小，n值反映疲劳寿命对应力水平变化的敏感程度。

由表7可知：相对于无纤维沥青混合料，碳纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维沥青混合料的疲劳寿命分别提高62.1%、47.1%、35.8%，对应力水平变化的敏感度分别降低8.5%、6.4%、9.7%。其原因可能是纤维在混合料内黏结形成一定“蛛网”结构，“蛛丝”之间的相互连接限制了裂缝的扩展，荷载产生的集中应力通过“蛛网”四周扩散，从而提高混合料的疲劳寿命。

3 结论

(1) 纤维对混合料高温性能的提升较显著，碳纤维掺量为0.28%、聚酯纤维掺量为0.2%、玄武岩纤维掺量为0.33%时混合料高温性能最好，其中碳纤维对混合料高温性能的改善最佳。

(2) 纤维能有效增强沥青混合料的水稳性能，与普通沥青混合料相比，纤维沥青混合料的浸水马歇尔稳定度、冻融劈裂强度均有不同程度提高，碳纤维对混合料水稳性能的提升最佳，其浸水马歇尔稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度分别提高39.9%、6.4%、49.8%。

(3) 纤维能显著改善沥青混合料的低温开裂性能，碳纤维对低温开裂性能的改善优于聚酯纤维和玄武岩纤维。

(4) 3种纤维均能不同程度提高沥青混合料的疲劳寿命，其中碳纤维的提升效果最优。