玻璃纤维-硫酸钙晶须复合改性沥青混合料路用性能

李 强，覃 潇

(1.广东华路交通科技有限公司 ，广州 510420；2.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225)

0 引言

沥青路面是我国高速公路的主要路面铺装形式，具有噪声低、行车舒适、施工期短、养护维修方便等优势。然而，日益增长的交通量以及交通需求，促使沥青路面的性能要求不断被提高，传统沥青路面已难以满足现代交通的需求，各种改性沥青路面应运而生。纤维沥青混合料是一种常用的改性沥青混合料，随机分布的纤维能在混合料中起到支撑作用，可显著改善沥青混合料抵抗高、低温变形的能力[1]。沥青混合料中常用的增强纤维种类主要有聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维等，其中，玻璃纤维弹性模量高、化学稳定性优异，已被证实其对沥青混合料的路用性能改善效果优良。周强[2]探究了不同玻璃纤维长度对SMA-13型沥青混合料的改善效果，发现纤维长度对沥青混合料的高、低温性能和疲劳性能影响显著，路用性能最优对应的纤维长度为6mm。郭庆林[3]采用半圆抗拉试验探究了玻璃纤维改性沥青混合料的断裂韧性，发现断裂能最高值对应的玻璃纤维长度为12mm。刘松[4]通过探究不同玻璃纤维掺量的沥青混合料的路用性能发现，高温性能改善效果与纤维掺量呈正比。同时，研究发现纤维在沥青混合料中的增强、阻裂、增韧效果与纤维种类、模量、尺寸关系密切，不同种类的纤维在混合料中的作用和发挥效果及侧重有所不同。硫酸钙晶须是一种微米级纤维，具有高模量、高强度、耐高温、耐磨耗等特点，在水泥、沥青路面领域均有应用，能够明显改善沥青混合料的路用性能[5-7]。

基于此，为进一步提高沥青混合料的路用性能，本文将玻璃纤维与硫酸钙晶须共同掺入沥青混合料中，通过测试改性沥青混合料的高、低温性能、水稳定性及抗裂性能，量化并评价复掺纤维对沥青混合料路用性能的改善效果，为玻璃纤维-硫酸钙晶须改性沥青混合料的应用提供数据基础。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

采用四川微玻新材料集团有限公司生产的短切玻璃纤维，技术指标见表1。硫酸钙晶须购自河北恒光矿产品有限公司，技术指标见表2，化学组成见表3。

表1 玻璃纤维技术指标

表2 硫酸钙晶须技术指标

表3 硫酸钙晶须化学组成

试验用的沥青为AH-90重交通沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)测试其针入度、软化点及延度，结果均满足规范要求。集料采用石灰岩，根据《公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)对其相对密度、吸水率、压碎值及洛杉矶磨耗值等指标进行检测，结果均满足要求。

沥青混合料级配选择AC-13，油石比为5.0%，玻璃纤维掺量与硫酸钙晶须掺量根据相关文献研究得到的最优掺量确定，前者为沥青质量的2.0%[8-9]，后者为沥青质量的6.0%[10-11]。

1.2 试验方法

采用车辙试验、沥青混合料低温弯曲试验、浸水马歇尔试验以及半圆弯曲试验分别评价复合纤维改性沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性及抗裂性能。其中，车辙试验、沥青混合料低温弯曲试验、浸水马歇尔试验依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)进行，半圆弯曲试验(SCB)参考AASHTO TP 105-13规范进行。试验步骤：

(1)高温车辙试验。制备长300mm、宽300mm、厚50mm的沥青混合料板状试件，待其成型12h后脱模并放置于车辙试验机上，试验温度为60℃，碾压车轮的轮压为0.7MPa。

(2)低温弯曲试验。制作与车辙试验板状试件尺寸相同的沥青混合料试件，成型脱模后采用切割仪将其分割为长250mm、宽30mm、厚35mm的小梁试件，之后将其置于万能试验机上进行加载，测试其低温弯曲应变，温度为-10℃。

(3)浸水马歇尔试验。采用击实法成型沥青混合料标准马歇尔试件，脱模后将其置于60℃的恒温水浴箱中静置48h，之后取出试件测试马歇尔稳定度，其与标准马歇尔稳定度的比值即为残留稳定度。

(4)半圆弯曲试验。采用旋转压实成型半圆弯曲的沥青混合料试件，试件半径为75mm，厚度为50mm，试验温度为-10℃，加载速率为0.5mm/min，加载频率为10Hz。

2 试验结果与分析

2.1 高温性能

图1为四种沥青混合料的动稳定度测试值，其中AM代表普通沥青混合料，G-AM代表玻璃纤维改性沥青混合料，CSW-AM代表硫酸钙晶须改性沥青混合料，GC-AM代表复合改性沥青混合料。

图1 改性沥青混合料的动稳定度

从图1可以看出，掺入玻璃纤维或硫酸钙晶须均能有效提高沥青混合料的动稳定度，相较于普通沥青混合料，G-AM及CSW-AM的动稳定度分别提高59.04%及25.63%，主要是由于纤维在沥青混合料中随机分散起到了增强和加筋作用，同时还能增加沥青与骨料之间的粘结性，从而提高沥青混合料的高温抗车辙性能。还可发现，掺入硫酸钙晶须对沥青混合料高温性能的改善效果稍弱于掺入玻璃纤维，这是由于硫酸钙晶须为微米级纤维，外观为白色粉末，相较于玻璃纤维表面积更大，在拌入沥青混合料后，硫酸钙晶须会吸附更多的沥青。相同的油石比下，硫酸钙晶须改性沥青混合料的沥青膜更薄，因此覆盖在混合料表面的结构沥青层厚度相应减少，总体上导致沥青混合料的高温稳定性有所降低。掺入玻璃纤维及硫酸钙晶须的沥青混合料动稳定度最高，说明两种纤维可在沥青混合料中起到协同作用，对沥青混合料高温稳定性的改善效果相比于单纤维改性沥青混合料更优。复合改性沥青混合料的动稳定度相较于单掺玻璃纤维沥青混合料及单掺硫酸钙晶须的沥青混合料分别提高34.34%及70.01%。

2.2 低温性能

同样地，测试四种沥青混合料的低温弯曲性能，试验结果如图2所示。

图2 改性沥青混合料的低温弯曲应变

分析图2数据可以看出，掺入玻璃纤维或复掺玻璃纤维、硫酸钙晶须均能有效改善沥青混合料的低温弯曲性能。单掺硫酸钙晶须的沥青混合料与普通沥青混合料的低温弯曲应变测试结果基本相同，原因同样主要在于硫酸钙晶须对沥青的吸附作用。凡涛涛[10]通过研究发现，硫酸钙晶须掺量越多，沥青混合料的低温性能越差。复掺两种纤维后，由于玻璃纤维与硫酸钙晶须的材料尺度并不一致，在低温弯拉作用下，两种纤维可共同抵抗不同尺度的弯曲裂缝，增强沥青混合料抵抗低温变形的能力。相较于普通的沥青混合料，复掺玻璃纤维与硫酸钙晶须的沥青混合料低温弯曲应变提高约15.77%。

2.3 水稳定性

水损害是沥青路面常见的病害之一，因此优异的水稳定性是沥青路面必须具备的性能之一。采用浸水马歇尔稳定度试验测试了四种混合料的水稳定性，评价指标为残留稳定度，测试结果如图3所示。

图3 改性沥青混合料的残留稳定度

分析图3数据可知，掺入纤维后沥青混合料的水稳定性明显提高。在沥青混合料中，沥青将粗细骨料粘结成整体，共同抵抗高、低温应力以及各种荷载-环境的作用。当路表水分沿表面孔隙和裂缝深入沥青混合料内部时，在车辆荷载的作用下，水压力不断冲刷沥青混合料内部，导致沥青膜从集料表面剥落，使得整体结构松散，大大降低了沥青路面的承载力和稳定性。纤维加入后，一方面填充了混合料中部分的大孔隙，降低了水分进入沥青混合料内部的可能性；另一方面掺入纤维增加了沥青的粘度，使得沥青与混合料之间的粘结更紧密，有利于沥青混合料抵抗水损害[12]。单掺玻璃纤维、单掺硫酸钙晶须以及复掺玻璃纤维、硫酸钙晶须三种沥青混合料的残留稳定度相较于普通沥青混合料分别提高了6.41%、7.69%及11.54%。

2.4 抗裂性能

采用半圆弯曲试验评价沥青混合料的抗裂性能，评价指标为断裂能，它反映了沥青混合料试件在外力作用下吸收能量的大小，其值越大，表明沥青混合料的抗变形能力越大、韧性越强，抵抗裂缝发展的能力越强。断裂能Gf按下式计算：

(1)

Alig=(r-a)t

(2)

(3)

式中:Wf为施加荷载P与位移u围成的曲线面积，Alig为韧带面积，r为半圆沥青混合料试件的半径，a为切口长度，t为试件厚度。

掺入不同纤维的沥青混合料断裂能的计算结果如图4所示。

图4 改性沥青混合料的断裂能

由图4可见，掺入纤维能大幅提高沥青混合料抵抗开裂和塑性变形的能力，相较于普通的沥青混合料，单掺玻璃纤维、单掺硫酸钙晶须的改性沥青混合料的断裂能提高约79.14%、83.45%。更为重要的是，复掺玻璃纤维和硫酸钙晶须的沥青混合料的断裂能为627J/m2，相较于单掺纤维的沥青混合料提高幅度更大，分别为两种单掺纤维的沥青混合料断裂能的1.26倍和1.23倍，说明两种不同尺度的纤维可以在沥青混合料开裂时起到层次抗裂的作用，这种层次抗裂效果在既有研究中也被证实[13]。

3 结语

(1)复掺玻璃纤维及硫酸钙晶须后，沥青混合料的动稳定度、低温弯曲应变、残留稳定度均有明显提高，相较于普通沥青混合料，以上参数分别提高101.50%、15.77%、11.54%，说明复掺两种纤维对沥青混合料的路用性能提升效果显著。

(2)单掺硫酸钙晶须对沥青混合料的低温弯曲应变改善效果微弱，可能是由于硫酸钙晶须比表面积较大，吸附的沥青更多，因此表面附着的结构沥青膜厚度减小而造成的。

(3)复掺玻璃纤维及硫酸钙晶须后，混合料的抗裂性能大幅提高，其断裂能相较于普通混凝土提高125.54%。这主要是由于玻璃纤维和硫酸钙晶须可在混凝土起到层次抗裂的作用，还能有效遏制混凝土内部不同尺度的裂缝开展，因此改性沥青混合料韧性更高。