不同纤维改性沥青混合料的水稳性试验研究

袁冻雷

(河南交通投资集团有限公司，河南 郑州 450000)

排水沥青混合料为骨架-空隙结构，粗集料占比大，空隙率高，可有效减小地表水径流量，提高路面抗滑性和行车安全性，且降噪、抗车辙等功能良好[1-2]。因为排水沥青路面矿料采用开级配，孔隙率一般大于15%，其与水接触面积比大于普通路面材料，行车荷载作用下路面结构内部空隙水对沥青混合料产生动水压力和冲刷力，破坏沥青与矿料的粘结整体性[3-5]。因此，保证大孔隙沥青混合料良好的水稳定性具有重要的现实意义。现有研究表明，纤维在沥青混合料中形成三维网络结构，增加沥青膜厚，增强沥青混合料整体性和延展性[6-7]，部分学者对纤维改性沥青混合料路用性能研究也取得了一定成果。Morea等[8]研究表明，沥青混合料掺玻璃纤维后，路用稳定性提高。唐智勇等[9]对比研究了不同老化条件下沥青混合料掺玄武岩纤维前后的水稳定性。高颖等[10]研究表明，玻璃纤维掺量影响改性沥青混合料高温性能显著，低温性能和水稳定性效果不明显。张杰等[11]研究表明，玄武岩纤维可改善AC沥青混合料和SMA沥青混合料水稳定性。故排水沥青混合料中掺加纤维材料成为解决排水沥青路面病害的重要措施之一。

鉴于此，选用木质素纤维、聚丙烯腈纤维和聚酯纤维分别改性沥青混合料，研究纤维类型及掺量对沥青混合料水稳定性影响规律，为排水沥青路面设计提供参照。

1 试验部分

1.1 原材料

（1）沥青

选用HVA高黏沥青改性剂制备高黏度沥青，HVA高黏沥青改性剂掺量为9%，基体沥青采用SBS改性沥青，技术性质见表1。

表1 HVA高黏沥青技术性质Table 1 Technical properties of HVA high-viscosity asphalt

（2）集料

粗集料选用玄武岩，其表观密度为2.851g·cm-3，压碎值为7.8%，洛杉矶磨耗损失为9.8%，吸水率为0.79%，针片状含量为5.6%，小于0.075mm颗粒含量（水洗法）为0.2%；细集料选用机制砂，其表观密度为2.728g·cm-3，砂当量为67%，棱角性为46.5s，小于0.075mm颗粒含量（水洗法）为2.6%。

（3）矿粉

选用磨细的石灰岩矿粉，技术性质见表2。

表2 矿粉技术性质Table 2 Technical properties of mineral powder

（4）纤维

选用聚酯纤维、木质素纤维、聚丙烯腈纤维，纤维长度为9mm，技术指标见表3。

表3 纤维技术性质Table 3 Technical properties of the fibers

1.2 试验方案

研究纤维类型及掺量对沥青混合料水稳定性影响规律，优选纤维类型及最佳掺量。试验中，纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%（纤维掺量为纤维质量与沥青混合料质量的百分比），每组试验采用4个平行试件。

1.3 试件制备

纤维改性沥青混合料配合比设计方法采用马歇尔试验，中粒式矿料级配和混合料配合比见表4和表5。马歇尔试件尺寸为Φ101.6mm×h63.5mm，沥青混合料击实温度为150～160 ℃，双面击实50次。

表4 矿料级配Table 4 Mineral material grading

表5 纤维改性沥青混合料配合比Table 5 Mix ratio of fiber-modified asphalt mixture

1.4 性能测试方法

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）浸水马歇尔试验、浸水飞散试验、冻融劈裂试验评价纤维改性沥青混合料水稳定性。

（1）浸水马歇尔试验

马歇尔试件在60 ℃恒温水浴箱中浸水48h后，采用马歇尔试验仪分别测定浸水试件和非浸水试件稳定度，计算其残留稳定度。残留稳定度MS0为浸水马歇尔试件与非浸水马歇尔试件稳定度的比值，表达式见式（1）。

式（1）中：MS1为浸水马歇尔试件稳定度，kN；MS2为非浸水马歇尔试件稳定度，kN。

（2）浸水飞散试验

马歇尔试件置于60℃恒温水浴箱中浸水48h后，并于室温放置24h，用干毛巾擦拭试件，称取试件原始质量m0。采用洛杉矶试验机开展飞散试验，旋转300转，转速为30r/min，称取试件剩余质量m1，计算质量损失。浸水飞散损失ΔS为试件质量损失与剩余质量的比值，表达式见式（2）。

（3）冻融劈裂试验

马歇尔试件分为两组：一组试件真空饱水15min后，再浸水30min，置于恒温冰箱中，设置温度为-18℃，冰冻16h，冰冻完毕后，先后放入60℃恒温水浴箱中浸水24h，25℃恒温水浴箱中浸水2h，开展劈裂试验，测定劈裂抗拉强度RT1；另一组试件置于25℃恒温水浴箱中浸水2h，测定其劈裂抗拉强度RT2。试验中，加载速率为50mm/min。按式（3）计算试件冻融劈裂抗拉强度比TSR。

2 结果与讨论

2.1 浸水马歇尔试验

不同纤维改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果如图1所示。

图1 纤维改性混合料浸水马歇尔试验结果Fig.1 Marshall test results of fiber modified mixtures

由图1可知，聚丙烯腈纤维改性沥青混合料残留稳定度最大，即抗水损坏能力强。随纤维掺量增加，纤维改性沥青混合料残留稳定度逐渐降低，其中木质素纤维改性沥青混合料降低较显著，木质素纤维掺量增加0.1%，沥青混合料残留稳定度约降低3.5%。聚酯纤维和聚丙烯腈纤维对沥青混合料残留稳定度影响规律一致，纤维掺量由0.1%增加至0.2%，沥青混合料残留稳定度降低微小；纤维掺量由0.2%增加至0.3%，沥青混合料残留稳定度约降低2.8%。这是因为纤维掺量增加，在沥青混合料中分散作用减弱，从而混合料残留稳定度降低。

2.2 浸水飞散试验

不同纤维改性沥青混合料浸水飞散试验结果如图2所示。

图2 纤维改性混合料浸水飞散试验结果Fig. 2 Immersion and diffusion test results of fiber modified mixture

由图2可知，聚丙烯腈纤维改性沥青混合料浸水飞散损失最小，聚酯纤维改性沥青混合料次之。当采用木质素纤维时，随纤维掺量增加，沥青混合料浸水飞散损失呈线性降低，纤维掺量增加0.1%，沥青混合料浸水飞散损失降低10.2%；当采用聚酯纤维或聚丙烯腈纤维时，随纤维掺量增加，沥青混合料浸水飞散损失先降低后增大，0.2%掺量的纤维改性沥青混合料浸水飞散损失最小。这是因为聚丙烯腈纤维和聚酯纤维为高分子材料，吸水性较木质素纤维低，且在沥青混合料中分散性好，提高了混合料整体性，因此浸水飞散损失较少。

2.3 冻融劈裂试验

不同纤维改性沥青混合料冻融劈裂试验结果如图3所示。

图3 纤维改性混合料冻融劈裂试验结果Fig. 3 Freeze-thaw splitting test results of fiber modified mixtures

由图3可知，聚丙烯腈纤维改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比最大，即水稳定性最优。随纤维掺量增加，沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比呈线性降低，木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维掺量分别增加0.1%，沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比分别降低3.2%、2.1%、2.1%，说明纤维掺量对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比影响规律基本一致。这是因为纤维掺入沥青混合料中，主要起到加筋作用，吸附沥青，稳定混合料结构。

由纤维改性沥青混合料水稳定性试验结果可知，聚丙烯腈纤维改性沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比最大，且浸水飞散损失最小，即水稳定性最优；当纤维掺量增加，沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比降低，且聚丙烯腈纤维改性沥青混合料浸水飞散损失变化不大。因此，建议纤维选用聚丙烯腈纤维，最优掺量为0.1%。

3 结论

（1）聚丙烯腈纤维改性沥青混合料残留稳定度最大，随纤维掺量增加，木质素纤维改性沥青混合料降低较显著，聚酯纤维改性沥青混合料和聚丙烯腈纤维改性沥青混合料残留稳定度变化规律一致。

（2）聚丙烯腈纤维改性沥青混合料浸水飞散损失最小，聚酯纤维改性沥青混合料次之。随纤维掺量增加，聚酯纤维改性沥青混合料和聚丙烯腈纤维改性沥青混合料浸水飞散损失先降低后增大，0.2%掺量的纤维改性沥青混合料浸水飞散损失最小；木质素纤维掺量增加0.1%，沥青混合料浸水飞散损失降低10.2%。

（3）聚丙烯腈纤维改性沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比最大。随纤维掺量增加，沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比呈线性降低，木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维掺量分别增加0.1%，沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比分别降低3.2%、2.1%、2.1%。