玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的力学及路用性能研究

吕 珩

(郑州市公路工程公司，河南 郑州 450000)

随着我国社会经济水平的大幅提高，居民汽车拥有量日益增多，随之产生了大量的废旧橡胶轮胎处理问题，因橡胶轮胎属于一种化学材料，其在自然环境下难以降解，如若采取焚烧或埋置处理则会造成严重的空气和地下水污染[1-3]。将废旧橡胶轮胎加工制成胶粉并用来改善沥青路面的使用性能，是现阶段解决废旧轮胎的主要途径，故橡胶沥青混凝土在道路工程建设中被广泛应用[4-5]。近年来，国内交通重载轴载现象日渐严重，使得普通的橡胶沥青混凝土路面易发生车辙、开裂、拥包、坑槽等病害，给道路的服役质量及使用寿命造成严重影响[6-7]。为了改善橡胶沥青混凝土的使用性能，国内道路工作者对此展开了不少研究，并取得一定的研究成果，考虑到纤维对沥青混凝土的改性效果良好，而其在橡胶沥青方面运用尚少[8-10]。基于此，本文通过将不同掺量的玻璃纤维掺入橡胶沥青混凝土中进行改性，采用室内单轴压缩试验、高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及小梁疲劳试验，探究了玻璃纤维掺量对橡胶沥青混凝土力学性能及路用性能的影响规律，旨为道路工程橡胶沥青混凝土的设计及应用提供参考与借鉴。

1 试验原材料及方案

1.1 原材料

（1）沥青：选用橡胶改性沥青，经检测各项性能指标（见表1）均满足橡胶沥青路面技术标准（CJJ/T 273-2019）的要求。

表1 橡胶改性沥青技术指标Table 1 Technical indexes of rubber-modified asphalt

（2）集料：选用玄武岩碎石，表观相对密度为2.735g·cm-3，压碎值为13.2%，磨耗值为18.6%，吸水率为1.25%，坚固性为3.7%，针片状颗粒含量为5.28%，所用集料的各项性能指标都符合公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2017）的要求。

（3）矿粉：选用石灰石矿粉，外观无结团，表观密度为2.731g·cm-3，含水量为0.238%，亲水系数为0.6，塑性指数为2%，安定性良好。

（4）纤维：选用短切玻璃纤维，其各项性能指标见表2。

表2 玻璃纤维技术指标Table 2 Technical indicators of glass fiber

1.2 试验方案

橡胶沥青混凝土采用AC-13级配进行设计，试验采用外掺法分别将0.1%、0.2%、0.3%、0.4%（质量分数）的玻璃纤维掺入普通橡胶沥青混凝土中，采用单轴压缩试验、高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验以及小梁疲劳试验综合评价玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的力学性能与路用性能。按照JTG F40-2017，以细粒式沥青混凝土AC-13的初始油石比5.0%为基础，采用0.5%区间变异法制备橡胶沥青混凝土的马歇尔试件，并通过马歇尔试验确定各橡胶沥青混凝土的最佳配合比以及最佳沥青用量，相关试验结果见表3。

表3 玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土马歇尔试验结果Table 3 Marshall test results of glass fiber modified rubber asphalt concrete

根据表3可知，不同玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的孔隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度及流值等指标均满足JTG F40-2017的要求。随着玻璃纤维掺量的增大，橡胶沥青混凝土的最佳油石比逐渐增大，沥青混凝土中掺入的玻璃纤维越多，被吸附的沥青也就越多，使得沥青用量随之有所增加，而沥青用量的增多，致使橡胶沥青混凝土的流值呈上升趋势，即掺入玻璃纤维能够有效改善沥青混凝土的抗变形能力；适宜的玻璃纤维均匀分散在沥青混凝土中形成稳定的网状结构，而过多的玻璃纤维容易产生堆积或结团现象，使得沥青混凝土的均匀性被约束，故孔隙率在一定程度后随着玻璃纤维掺量的增加呈上升趋势；橡胶沥青混凝土的马歇尔稳定度随着玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化，由于玻璃纤维具有加筋、分散及传递等作用，因此适宜玻璃纤维有利于提高沥青混凝土的稳定度，但玻璃纤维过量则会限制荷载分散与传递，故而降低了混合料的稳定度。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的力学性能通过单轴压缩试验进行评价，相关试验结果如图1所示。

图1 橡胶沥青混凝土力学性能试验结果Fig.1 Mechanical properties test results of rubber asphalt concrete

由图1可知，随着玻璃纤维掺量的增加，橡胶沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量均呈先增大后减小变化，其中当玻璃纤维掺量为0%时，沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量分别为9.79MPa和1.594×103MPa，而当玻璃纤维增至0.3%时，沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量分别增至9.91MPa和2.073×103MPa，相较于未掺纤维两者分别增长了1.2%和30.1%，说明掺入适量的玻璃纤维能在沥青混凝土中形成稳定的三维网状结构，有利于提高沥青混凝土的力学性能；但当玻璃纤维掺量继续增至0.4%时，沥青混凝土的抗压强度和抗压回弹模量均有所减小，原因是过量的纤维掺入增大沥青混凝土的孔隙率，削弱了沥青胶浆和集料间的黏结性，从而降低沥青混凝土的力学强度。

2.2 高温稳定性

不同玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的高温车辙试验结果如图2所示。

图2 橡胶沥青混凝土高温车辙试验结果Fig. 2 High-temperature rut test results of rubber asphalt concrete

根据图2可知，橡胶沥青混凝土的动稳定度随着玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化，其中当玻璃纤维掺量由0%增至0.3%时，沥青混凝土的动稳定度增长了37.8%左右，说明玻璃纤维掺入能有效提高橡胶沥青混凝土的动稳定度，原因是玻璃纤维分散加筋于沥青混凝土中形成纵横交错的网状结构，限制了集料的滑移，从而提升沥青混凝土的高温抗车辙性能；而当玻璃纤维继续增至0.4%时，橡胶沥青混凝土的动稳定度略有降低，但较于未掺纤维仍有一定程度的提高，原因是纤维过量产生堆积或结团现象，导致沥青混凝土的孔隙率增大，沥青胶浆与集料间的相互作用力逐渐减小，故而降低了沥青混凝土的高温稳定性能。

2.3 低温抗裂性

通过采用标准小梁试件进行低温弯曲试验，得到不同玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的破坏弯拉强度和弯曲极限应变变化曲线如图3所示。

图3 橡胶沥青混凝土低温小梁弯曲试验结果Fig. 3 Low-temperature trabecular bending test results of rubber asphalt concrete

由图3可知，随着玻璃纤维掺量的增加，橡胶沥青混凝土的破坏弯拉强度和弯曲极限应变均呈先增大后减小变化。在低温环境下小梁试件发生弯曲破坏的原因主要表现为颗粒界面处产生拉伸裂纹，若在裂纹发展过程中遇到大颗粒，则易引发结构产生剪切破坏，而掺入适宜的玻璃纤维能够提高沥青与集料间的界面强度，有利于提升沥青混凝土的抗拉强度，同时玻璃纤维具有分散、桥接及阻裂等作用，可抑制结构裂纹的产生及发展，因此增强了沥青混凝土的低温抗开裂性能。

2.4 水稳定性

不同玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图4所示。

图4 橡胶沥青混凝土水稳定性试验结果Fig. 4 Water stability test results of rubber asphalt concrete

根据图4可知，橡胶沥青混凝土的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度均随着玻璃纤维掺量的增加逐渐增大，其中当玻璃纤维掺量由0%增至0.3%时，沥青混凝土的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度增幅比较明显，而当玻璃纤维掺量继续增至0.4%时，冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度的增幅则表现较微。因玻璃纤维具有良好的吸附、桥接及阻裂等作用，能有效抵消水膨胀产生的力，可吸附沥青中的轻组分，从而增加了沥青与集料间界面膜的抗水损剥离能力，因此有利于提高沥青混凝土的水稳定性能。

2.5 疲劳性能

通过采用控制应力比的方式开展室内小梁疲劳试验，得到不同玻璃纤维改性橡胶沥青混凝土的疲劳寿命次数变化曲线如图5所示。

图5 橡胶沥青混凝土小梁疲劳试验结果Fig. 5 Trabecular beam fatigue test results of rubber asphalt concrete

从图5可以看出，随着玻璃纤维掺量的增加，橡胶沥青混凝土的疲劳寿命呈先增大后减小变化。当玻璃纤维为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时，沥青混凝土的疲劳寿命较未掺纤维分别增大了14.5%、35.5%、55.6%、30.7%，说明沥青混凝土疲劳寿命并非与玻璃纤维掺量成正比关系，掺入合理比例的玻璃纤维能够有效提升沥青混凝土的抗疲劳耐久性，原因是玻璃纤维均匀分散在橡胶沥青混凝土中形成三维网状结构，起到了良好的加筋、增韧与阻裂等作用，促进了结构应力的分散与传递，故而增强沥青混凝土的抗疲劳耐久性能。

3 结论

（1）随着玻璃纤维掺量的增加，橡胶沥青混凝土的抗压强度、动稳定度、破坏弯拉强度、弯曲极限应变以及疲劳寿命均呈先增大后减小变化，掺入合理比例的玻璃纤维有利于改善橡胶沥青混凝土的力学性能、高温稳定性能、低温抗裂性能以及疲劳耐久性能。

（2）橡胶沥青混凝土的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度均随着玻璃纤维掺量的增加逐渐增大，玻璃纤维的掺入能够有效提升橡胶沥青混凝土的水稳定性能。

（3）综合橡胶沥青混凝土的力学性能及路用性能试验结果，推荐采用掺量为0.3%的玻璃纤维改性，有利于更好提升橡胶沥青混凝土的服役质量及使用性能。