不同类型纤维改性OGFC-13沥青混合料路用性能研究

肖杰 黄诗洪 王子威

作者简介：

肖 杰（1992—），硕士，工程师，主要从事公路工程建设管理工作。

为研究不同类型纤维对OGFC-13沥青混合料路用性能的影响，文章选取了玻璃纤维、木质纤维和玄武岩纤维三种常见纤维，对纤维改性的沥青胶浆进行了拉拔试验和三大指标性能试验，分析不同纤维掺量下的最佳油石比，研究不同纤维掺量对OGFC-13沥青混合料高温性能、低温性能及水稳定性等基本路用性能的改性效果，并采用肯塔堡飞散试验评价纤维改性沥青混合料的抗松散性。结果表明：三种类型纤维均可明显改善沥青胶浆的抗拉拔性能，同时提高其基本性能；玻璃纤维的添加可显著提高OGFC-13沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，且随着玻璃纤维掺量的增加呈先递增后减小的趋势，针对不同性能，其最佳掺量存在差异，当纤维掺量为0.2%时，表现出最佳的高温抗车辙性能，而低温性能和水稳定性最好时的纤维掺量为0.4%；添加纤维能有效地提高混合料的抗松散性，但过量的纤维掺量会降低其增强效果。

道路工程；纤维改性；沥青混合料；路用性能；抗松散性能

U414.1A160574

0 引言

OGFC级配具有20%左右的大空隙率，可快速排出路面上的雨水，并显著吸收交通噪声［1］。此外，由于OGFC的粗糙表面，车辆轮胎和路面之间的摩擦力更好，提高了行车在潮湿条件下的行驶安全性。为了实现较大的空隙率，这种设计通常为具有较少的细颗粒，会导致其强度和耐久性降低。在沥青混合料中使用纤维不仅可增强抗疲劳和车辙性能，还能提高其抗松散性和水稳定性［2］。同时，纤维的良好吸附能力使其能够稳定OGFC沥青混合料中过量的游离沥青，有效缓解沥青耐久性问题。

为此，许多研究人员专注于纤维改性沥青效果的研究。高颖等［3］研究结果表明，玻璃纤维的加入对排水沥青混合料的高中低温性能和水稳定性具有良好的改善作用。黄永发［4］探讨了不同玄武岩纤维掺量对开级配沥青混合料路用性能的影响，确定了综合性能最优的玄武岩纤维掺量为0.3%。崔世富［5］研究了木质纤维对多孔沥青混合料各项路用性能的改性效果。查旭东等［6］在OGFC沥青混合料中掺入不同含量的玄武岩纤维，研究发现其对OGFC混合料的高低温性能和水稳性有增强效果，建议玄武岩纤维的最佳含量为0.4%。刘明金等［7］研究了级配、钢渣掺量及油石比对透水混合料路用性能的影响，结果表明钢渣掺量和油石比分别为25%和5%时，混合料的综合性能最佳。梁庭熹等［8］采用无损检测手段检验了OGFC-13在惠清高速公路中的应用效果，并进行了有限元模型分析。陶志鹏［9］对纤维改性透水沥青混合料的空隙率与透水性的关系进行了研究，分析了纤维对路用性能的改善效果。

尽管已经证实了一些不同纤维的良好性能，但市场上的纤维种类繁多，在原料来源、密度、抗拉强度和改性效果等方面存在差异。此外，研究者们侧重于多孔沥青混合料的基础性能研究，而对其抗松散性能关注较少，路面在氧化、气候条件和行车荷载及动水冲刷的综合影响下，会使沥青与集料间的胶结能力逐步降低，加剧集料的脱落和飞散。

为此，本研究选择玻璃纤维、木质纤维和玄武岩纤维，制备了三种纤维改性沥青，进行了拉拔强度、针入度、软化点和延度性能测试，综合确定最佳的纤维类型，并据此对纤维改性沥青混合料进行马歇尔试验，以确定不同纤维含量下的最佳油石比；同时对混合料的基本路用性能进行了验证，并通过肯塔堡飞散试验评价不同纤维改性OGFC沥青混合料的抗松散性能，确定各性能下最佳纤维掺量，以期为同类工程建设提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

选用质量分数为94%的SBS改性沥青，并掺6%的高黏改性剂，制备高黏SBS改性沥青，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行相关性能测试，其主要性能试验结果如表1所示。

1.1.2 集料

试验所用粗细集料均为辉绿岩，其主要技术指标见表2。

1.1.3 纤维

选择沥青路面行业常用的三种代表性纤维，即玻璃纤维、木质纤维、玄武岩纤维，其主要技术指标如表3所示。

1.1.4 集料级配

OGFC-13沥青混合料的合成级配见表4。

1.2 试验方法

1.2.1 纤维类型比选

（1）粘附性试验。采用拉拔仪［10］测试不同纤维与沥青的粘结强度。

（2）纤维改性沥青胶浆性能试验。将沥青和纤维分别加热至接近150 ℃和105 ℃，以保持其充分干燥；然后，将不同类型和含量的纤维加入沥青中，通过搅拌机高速搅拌，以确保纤维的分散均匀性，完成纤维改性沥青胶浆的制备。随后进行针入度、软化点和延度试验。

1.2.2 路用性能及抗松散性能试验

根据纤维比选试验结果，基于OGFC-13级配制备纤维改性沥青混合料。选择不同含量的纤维（0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）进行马歇尔试验，从而确定不同纤维含量下的最佳油石比。同时根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）进行高低温性能、水稳定性等基本路用性能试验，并采用肯塔堡飞散试验评价纤维改性沥青混合料的抗松散性。

2 试验结果与分析

2.1 纤维类型比选

2.1.1 纤维改性沥青拉拔性能

不同纤维与沥青拉拔试验结果如图1所示。由图1可知，不同的纤维及其埋入深度对沥青的粘结性能有一定的影响，随着纤维埋入深度的增加，纤维与沥青之间的强度显著提高，但不同纤维类型的改善程度不同，玻璃纤维具有最好的改善效果，其次是玄武岩纤维和木质纤维，表明玻璃纤维与沥青具有良好的粘结力。

2.1.2 纤维改性沥青胶浆性能

2.1.2.1 针入度

三种不同纤维含量的纤维改性沥青胶浆在25 ℃的针入度试验结果如图2所示。由图2可知，三种纤维改性沥青胶浆的针入度值随着纤维含量的增加而降低。这是因为添加纤维后形成的纤维网络会限制沥青结合料的流动性，从而提高沥青结合料的稠度，降低结合料的温度敏感性。与玄武岩纤维和木质素纤维相比，玻璃纤维对沥青胶浆的针入度影响最大，即具有更显著的增黏作用。

2.1.2.2 软化点

三种不同纤维含量的纤维改性沥青胶浆的软化点试验结果如图3所示。可知三种纤维改性沥青胶浆的软化点随纤维含量的增加基本呈线性增加，说明纤维的加入增强了沥青的高温稳定性。纤维对沥青的高温改进效果依次为：玻璃纤维＞玄武岩纤维＞木质纤维。

2.1.2.3 延度

图4给出了三种不同纤维含量的纤维改性沥青胶浆的5 ℃延度试验结果。可以看出三种纤维改性沥青胶浆的延度随着纤维含量的增加而下降，这意味着应为每种纤维选择合适的含量，因为纤维含量过多会导致低温性能变差。

对三种纤维改性沥青胶浆性能综合比选后，选择玻璃纤维作为有利的纤维类型。

2.2 最佳油石比确定及路用性能

2.2.1 最佳油石比

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的标准，对不同玻璃纤维含量的马歇尔试件进行马歇尔试验，最终得到不同玻璃纤维含量下的最佳油石比如图5所示。由图5可知，最佳油石比随玻璃纤维掺量增加而增加，这可能是由于玻璃纤维吸附到沥青上造成的，加入玻璃纤维后，沥青的一部分质量被玻璃纤维吸收，说明沥青混合料需要更多的沥青来补充损失的质量，才能达到最佳性能。

2.2.2 高温性能

对5种不同玻璃纤维掺量的改性沥青混合料在最佳油石比含量下进行高温车辙试验，结果如图6所示。玻璃纤维掺入明显提高了沥青混合料的高温稳定性。混合料的动稳定度随玻璃纤维掺量的增加先增加后降低。在0.2%玻璃纤维掺量下达到峰值，较未掺玻璃纤维的增加了30.3%。这可能是因为玻璃纤维掺量较低时，纤维可以充分分散在沥青混合料中。在最佳掺量之前，混合料的高温稳定性随玻璃纤维含量增加而迅速提高，当其含量超过最佳掺量时，由于在沥青混合料中分散不均匀和沥青的过度吸附导致纤维结块现象的出现，会降低高温稳定性。因此，就高温性能而言，最佳玻璃纤维掺量为0.2%。

2.2.3 低温性能

图7为低温弯曲试验结果，由图可知玻璃纤维改性沥青混合料的低温抗裂性能与未改性试件相比，在添加玻璃纤维后略有改善。随着玻璃纤维掺量的增加，混合料的最大拉应力和应变呈先增大后减小的趋势，其中劈裂强度和破坏拉伸应变在玻璃纤维掺量为0.4%时达到最大值。主要是因为玻璃纤维掺量相对较低，通过在沥青混合料中均匀分布并形成网状结构，可以提高沥青混合料的低温力学性能。但玻璃纤维含量较高时出现团聚现象，降低了低温下的强度，但性能仍优于未掺加纤维。

2.2.4 水稳定性

浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验结果如下页图8所示，可知所有试件的残留稳定度值均＞80%。随着玻璃纤维掺量的增加，整体上残留稳定度和冻融劈裂强度比均先升高后降低，且均在玻璃纤维掺量为0.4%时出现峰值。当玻璃纤维掺量＜0.4%时，纤维和沥青之间的界面粘附性将得到提高，并且水分敏感性也会得到改善。然而，一旦超过最佳掺量，过多的沥青含量可能会损害混合料骨架结构，降低潮湿条件下的强度。

2.2.5 抗松散性

图9给出了肯塔堡飞散试验的结果。由图9可知，未经玻璃纤维改性的OGFC混合料的飞散损失值超过了20%，不符合规范要求，说明其易散开。添加玻璃纤维有效地提高了混合料的抗松散性，但不同玻璃纤维掺量的改善程度不同。当玻璃纤维掺量＞0.4%时，其抗松散性较最佳掺量降低了14.6%。过量纤维的这种负面影响可归因于两方面：（1）过多的纤维吸收了更多沥青，导致骨料之间的粘合不足；（2）在制备时纤维结块过多，导致纤维分散不均匀。

3 结语

（1）玻璃纤维、木质纤维和玄武岩纤维三种类型的纤维均可明显改善沥青胶浆的抗拉拔性能，同时提高其基本性能。通过比选，确定最有利的纤维类型是玻璃纤维。OGFC-13沥青混合料的最佳油石比随着纤维掺量的增加而增加，可能是由于纤维吸附到沥青上造成的。

（2）玻璃纤维的添加可显著提高OGFC-13沥青混合料的各项路用性能，且随着玻璃纤维掺量的增加呈先递增后减小的趋势，针对不同性能，其最佳掺量存在差异，当纤维掺量为0.2%时，表现出最佳的高温抗车辙性能，而低温性能和水稳定性最好时的纤维掺量为0.4%。

（3）肯塔堡飞散试验结果表明，添加玻璃纤维能有效提高混合料的抗松散性，但过量纤维掺量会降低改善效果，说明过多的纤维吸收了更多的沥青，导致骨料间粘合不足，同时在进行制备时纤维结块过多，导致纤维分散不均匀也是一个主要原因。

参考文献

［1］Punith V S，Suresha S N，Raju S，et al.Laboratory investigation of open-graded friction-course mixtures containing polymers and cellulose fibers［J］.Journal of Transportation Engineering，2012，138（1）：67-74.

［2］朱洪洲，谭祺琦，杨孝思，等.纤维改性沥青混合料性能的研究现状与展望［J］.科学技术与工程，2022，22（7）：2 573-2 584.

［3］高 颖，朱玉风，和燕超，等.玻璃纤维改性排水沥青混合料路用性能分析［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2020，36（4）：690-696.

［4］黄永发.玄武岩纤维低噪声沥青混合料路用性能及其应用研究［D］.西安：长安大学，2015.

［5］崔世富.掺木质纤维的多孔沥青混合料性能研究［J］.中外公路，2019，39（2）：223-226.

［6］查旭东，李 康，袁盛杰，等.特种玄武岩纤维增强OGFC-13混合料配合比设计及路用性能试验［J］.长沙理工大学学报（自然科学版），2016，13（2）：1-7.

［7］刘明金，柯 望，李闯民.基于路用性能的掺钢渣透水沥青混合料设计［J］.公路与汽运，2021，204（3）：68-73，77.

［8］梁庭熹，包聪灵，许新权，等.OGFC-13在惠清高速公路路面中的应用［J］.广东公路交通，2021，47（4）：30-34，40.

［9］陶志鹏.透水沥青路面混合料配合比设计及其路用性能研究［D］.南昌：南昌工程学院，2020.

［10］蒋梦雅，刘颀楠，卢 峰.玻璃纤维对沥青混合料路用性能的影响［J］.公路，2021，66（7）：63-69.