關于對南方濕熱地區礦物纖維瀝青混合料路用性能的研究

摘要：為深入了解礦物纖維對改善南方濕熱地區瀝青路面抵抗高溫永久變形、水損害及大交通量的能力，通過對不同摻量礦物纖維瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、抗壓回彈模量和劈裂抗拉強度等各項指標進行分析比較，結果表明，合理的礦物纖維摻量可在一定程度上改善瀝青混合料的路用性能和力學性能。

關鍵詞：濕熱地區；礦物纖維；瀝青混合料；使用性能

隨著國民經濟的快速發展，交通量的迅速增加，車輛也日趨大型化，現代交通對瀝青路面建設質量提出了越來越高的要求，傳統的瀝青混合料技術已不能完全滿足工程建設的需要，大量的新型材料也正在進入瀝青路面技術領域。其中，纖維作為一種特殊添加材料已經普遍應用于瀝青路面工程，通過纖維的吸附和加筋穩定作用，盡管瀝青混合料的最佳瀝青用量會有所增加，密度略有降低，但強度可得到較大幅度的改善，增強了瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性和疲勞耐久性[1，2，3，4]。以AC型為代表的連續密級配瀝青混合料因具有密實、不透水、耐久性好等特點，目前已成為南方濕熱地區首選的瀝青路面類型。然而，連續密級配瀝青混合料的不完全骨架結構使其在抗高溫變形能力方面存在不足，也導致了早期病害的頻繁發生，嚴重制約著瀝青路面的路用性能和使用壽命。因此，利用纖維的特性，在連續密級配瀝青混合料中加入適量的纖維對混合料進行加筋和穩定，以此提高瀝青混合料高溫抗變形能力、抗水損害能力和瀝青路面的疲勞耐久性，對南方濕熱地區瀝青路面使用性能的改善將具有重要的現實意義。

1 原材料

瀝青采用SBS（I-D）改性瀝青，其技術指標[5，6]見表1；粗集料為10～15mm和5～10mm兩種規格玄武巖碎石[7]，細集料為0～5mm花崗巖石屑，填料是由石灰石磨細的礦粉和消石灰。

所用纖維為美國福倍安道路專用礦物纖維，它以特選的玄武巖為原料，經過特定的預處理后，在1600℃高溫熔融提煉抽絲制成，具有如下性能特點：①極大的比表面積，纖維平均直徑5μ，呈三維狀分布；②表面浸潤性好，與瀝青能很好地粘合；③有很高的抗拉強度和熔點，其熔點高達1500℃；④有良好的抗老化性能和化學穩定性好，拌合時不變質退化、不與瀝青產生任何化學反應，適應瀝青路面的各種酸堿工作環境；⑤不吸水、不怕潮，易于運輸儲存，也有助抑制瀝青氧化老化。其技術指標見表2。

2 馬歇爾試驗

試驗采用AC-13型瀝青混合料，經試配優選后，選定AC-13型礦料合成級配如表3所列。

根據瀝青混合料馬歇爾試驗結果，確定不同纖維摻量瀝青混合料在最佳瀝青用量時的各項體積指標如表4。

試驗結果表明，隨著礦物纖維摻量的增加，在體積指標相近的情況下，瀝青混合料的最佳油石比逐漸增加，說明礦物纖維對瀝青有一定的吸持能力，纖維從未摻加到摻量為0.5%，摻量每增加0.1%，最佳瀝青用量依次增加0.1%。

3 礦物纖維瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩定性

分別對未摻加礦物纖維和礦物纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的混合料進行動穩定度試驗。試驗根據最佳油石比條件下的馬歇爾試件密度計算用料量并成型車轍板，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052-2000）[5]中T0719-1993規定的方法進行試驗，試驗結果如表5所示。

試驗結果表明，礦物纖維加入瀝青混合料后其動穩定度均有一定程度提高。摻量為0.5%時動穩定度提高幅度最大，是未摻加纖維的1.2倍；摻量為0.3%、0.4%時，其動穩定度也分別增加了2.6%和13.9%?？梢姷V物纖維對瀝青混合料的抗車轍能力有明顯的改善，這主要是由于礦物纖維除了增加了結構瀝青的比例，提高了混合料的高溫穩定性外，它們在瀝青混合料中也起到了一定的加筋作用，荷載應力通過纖維空間網絡的傳遞使得混合料內部應力分散較均勻，阻止或減輕了礦料間的相對滑移，同時，纖維的增粘作用可使瀝青高溫粘滯度增大，溫度敏感性減小，致使瀝青混合料的高溫穩定性較摻加纖維之前得到顯著提高。

除了采用動穩定度評價其高溫穩定性以外，對車轍試驗過程中的早期車轍變形量也進行了數據采集，如表5中車轍試驗至10min時的變形量比較，表明在車轍試驗碾壓初期不同纖維摻量的瀝青混合料變形發展趨勢基本相同，均存在一個再壓密過程。對10min時的車轍變形量進行比較可以發現，摻礦物纖維的混合料早期車轍比不含纖維的混合料車轍要小，礦物纖維的加入不僅有效地減小了瀝青混合料的高溫剪切（流動）變形，而且還對混合料早期抗壓密變形能力的提高有一定程度的貢獻。

3.2 水穩定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ052-2000）[5]中規定，制作浸水馬歇爾試件和凍融劈裂試件進行水穩定性試驗，試驗結果如表6所示。

由表6中的試驗結果表明：

纖維的加入使得混合料的殘留穩定度值MS0顯著提高，其中以0.3%和0.4%摻量時的殘留穩定值MS0最高，比未摻加纖維的混合料提高了14.4%，這表明礦物纖維的加入有利于混合料水穩性的提高。因為礦物纖維加入后，縱橫交錯的纖維所吸附的結構瀝青形成了結構瀝青網，使結構瀝青與礦料間的界面作用更強烈，有利于混合料的水穩性提高。

纖維摻量為0.3%和0.4%時瀝青混合料的水穩性改善最為顯著，較未摻纖維混合料提高了12.4%。其比例達到0.4％后繼續增加摻量，瀝青混合料的凍融劈裂強度比呈下降趨勢。這主要是隨著纖維摻量的增加，瀝青用量會隨之提高，混合料中自由瀝青也將不斷增加，纖維摻量增加到0.5%時，瀝青混合料中已存在過量的自由瀝青。而本次試驗采用的粗集料吸水率較大，在凍融循環過程中，部分自由瀝青進入集料孔隙中，造成混合料的空隙率增大；此外，由于纖維和瀝青在低溫下溫縮變形的不協調性，擴大了瀝青混合料空隙的體積。纖維瀝青混合料空隙率增大后，經過凍融循環過程，混合料的強度因此減弱，也使得凍脹破壞作用進一步強化，混合料所受到的凍脹破壞作用更明顯，造成纖維瀝青混合料的抗劈裂強度降低。

4 礦物纖維瀝青混合料力學特性

瀝青混合料的力學特性如抗壓強度、抗壓回彈模量、劈裂抗拉強度等是進行瀝青路面結構設計時的重要參數，將直接影響到路面結構層的設計厚度和使用壽命。為了進一步分析礦物纖維加入后對瀝青混合料力學特性的影響，通過瀝青混合料單軸壓縮試驗（T0713-2000）和瀝青混合料劈裂試驗（T0716-1993）[5]分別對礦物纖維瀝青混合料的抗壓回彈模量和瀝青混合料劈裂抗拉強度進行了測定，試驗結果如表7所示。

由表7中的試驗結果表明：

摻加纖維混合料的抗壓回彈模量均有所增加，以摻量0.3%和0.4%時混合料的抗壓回彈模量為最高，較未摻加的混合料高出15.4%；隨著纖維摻量的繼續增加，抗壓回彈模量呈減小趨勢，這主要是因為礦物纖維的加入吸收了瀝青的部分輕質油分，使瀝青膠漿的粘結力增大，當纖維摻量增加到一定程度后，瀝青膠漿的粘性逐漸減弱，即礦料間的粘結力降低，瀝青混合料發生松散，強度降低，從而增加了混合料中的微裂縫，使瀝青混合料的抗壓回彈模量減小。

摻加礦物纖維后瀝青混合料的劈裂強度得到一定提高，除了依靠礦物纖維對瀝青的增粘作用來提高其強度外，纖維對瀝青混合料的復合加筋作用較纖維摻量增加的不利影響更有利于其劈裂強度的提高，因此，與未摻加纖維的瀝青混合料相比，最大纖維摻量時的劈裂抗拉強度提高了11.7%左右，說明摻加礦物纖維對提高瀝青混合料的劈裂抗拉強度是有利的。

5 結束語

結合南方濕熱地區的水文、氣候特征，通過對礦物纖維瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性和力學特性進行綜合研究，可以得到以下結論：

由于礦物纖維對瀝青的吸持能力，使瀝青混合料從未摻加纖維到摻量為0.5%時，摻量每增加0.1%，最佳瀝青用量依次增加0.1%。

礦物纖維摻量為0.5%時的動穩定度提高幅度最大，是未摻加纖維的1.2倍，而摻量為0.3%、0.4%時，其動穩定度也分別增加了2.6%和13.9%，表明礦物纖維對瀝青混合料的抗車轍能力有明顯的改善。此外，礦物纖維的摻入對減小瀝青混合料的早期壓密變形也有一定程度的貢獻。

合理的礦物纖維摻量可有效改善瀝青混合料的水穩定性，其中以0.3%和0.4%摻量時的水穩性改善最為顯著，若繼續增加摻量，瀝青混合料的水穩定性呈下降趨勢。

摻加礦物纖維可在一定程度上改善瀝青混合料的力學特性，其中以摻量為0.3%和0.4%時的抗壓回彈模量最高，較未摻加時高出15.4%；而劈裂抗拉強度最大可提高11.7%左右；但隨著纖維摻量的繼續增加，抗壓回彈模量呈減小趨勢。

通過綜合分析不同礦物纖維摻量瀝青混合料的路用性能和力學特性，礦物纖維瀝青混合料中纖維的最佳摻量宜為0.3～0.4%。

參考文獻

[1]沈金安.改性瀝青與SMA路面[M].北京:人民交通出版社，1999，9.

[2]舒翔，邱志雄等.礦物纖維改性瀝青在粵贛高速公路路面上的應用[J].公路，2006，04. P212-215.

[3]J.P.Serfass and J.Samanos.Fiber-Modified Asphalt Concrete Characteristics，Applications and Behavior.AAPT，1996(65).

[4]彭波，關寧鋒等.纖維瀝青混合料特性的試驗研究. [J].中外公路，2006，02.第26卷，第1期. P128-130.

[5]公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTJ052-2000)[S].北京:人民交通出版社，2000.

[6]公路瀝青路面施工技術規范JTG F40-2004[S].北京:人民交通出版社，2004.

[7]公路工程集料試驗規程(JTG E42-2005)[S].北京:人民交通出版社，2005.