纖維瀝青混凝土在橋面應用中的路用性能研究

張海濤 何亞伯

1 概述

現階段，在改善瀝青混合料的路用性能上出現了以下幾個研究方向:1)通過改善礦質混合料的級配來提高瀝青混合料的高溫抗變形能力;2)通過改善瀝青性能品質來提高瀝青混合料的團聚力，提高抵抗永久變形能力并減少感溫性;3)重要研究方向是在瀝青混合料中加入纖維加筋材料以改善其整體的物理力學性能。本文結合河南省小劉橋橋面的纖維瀝青混凝土鋪裝項目，通過試驗，研究摻加聚酯、聚丙烯腈纖維對瀝青混凝土路用性能的改善。

2 試驗方案

研究采用馬歇爾穩定度試驗、殘留穩定度試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫極限彎曲試驗，全面比較摻加纖維前后以及摻加不同纖維或同種纖維不同摻量時纖維瀝青混合料各項路用性能指標的差異。對 AC-16及AC-25型瀝青混凝土均按表1中所列的三種試驗方案摻加纖維并與不摻加纖維的瀝青混凝土進行對比研究。

3 試驗結果及其分析

試驗均按照文獻［1］中的相關方法進行。

3.1 馬歇爾穩定度試驗

馬歇爾穩定度試驗及浸水馬歇爾試驗其試驗結果見表2。

1)纖維加入后空隙率均有增大趨勢，并且隨纖維用量增大而增大。在AC-16瀝青混凝土中添加纖維后空隙率的變化要大于AC-25瀝青混凝土，這是由于在不摻加纖維時，AC-25瀝青混凝土的空隙率大于AC-16瀝青混凝土，能為纖維的填充提供一點空間。2)纖維加入后穩定度的變化主要應綜合纖維橋接加筋的加強作用與“強度弱點”的削弱作用而定。纖維用量較小時，纖維分散較均勻，穩定度有所提高;但在較大的纖維用量下，纖維的分散性受到限制，反而使混合料的穩定度降低。方案三得到的穩定度為最大，這同樣可以用纖維的分散性加以解釋:方案三的纖維用量雖然與方案二相同，但由于加入的聚丙烯腈纖維直徑(或長徑比)遠小于聚酯纖維，因此方案三的混合纖維分散性要優于方案二的單一聚酯纖維。并且，聚丙烯腈纖維的強度又遠大于聚酯纖維，因此方案三的纖維加筋和橋接作用更為明顯。3)一般認為，流值隨瀝青用量的增加而增大，并且隨纖維劑量的增加其增大幅度放緩。但本項目試驗結果并未完全體現上述規律，因此認為流值的變化應視瀝青用量增加與抗變形能力的提高綜合而定。4)纖維加入后，殘留穩定度明顯增加;但在較大纖維劑量時，殘留穩定度增大的幅度減緩，甚至有略微下降的趨勢。這是由于纖維加入后，最佳瀝青用量增加，其有效瀝青膜厚度增大，從而有效地阻礙了水體對瀝青的剝離作用;但纖維劑量過大時，因纖維的分散性受到限制，最佳瀝青用量不再增加或增幅較小，反而使混合料的空隙率增大，這對混合料水穩定性不利。所以，較大纖維劑量時，殘留穩定度卻不再增加，這表明纖維的加入雖有利于提高殘留穩定度，但并不是越多越好。

表2 瀝青混凝土馬歇爾穩定度及浸水馬歇爾穩定度試驗結果表

3.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗結果如圖1所示。

圖1 試驗方案與劈裂強度比的關系圖

1)由于纖維瀝青膠漿的粘結強度較普通瀝青大，而且纖維的加筋作用也提高了混合料的劈裂強度，因此，混合料加入纖維后的劈裂強度比均高于未加纖維的情況。但隨纖維劑量的進一步增加，劈裂強度比會出現下降的現象，這是因為當纖維劑量超過一定值時，混合料空隙率增大較多，使混合料在凍融循環作用下強度衰減速率加大，混合料的抗凍和耐水害性能下降，因此，要求在施工中對纖維瀝青混合料必須加強碾壓，以減小空隙率［2］。2)方案三劈裂強度比最高，其原因是聚丙烯腈纖維長徑比及強度均大于聚酯纖維，因此其加筋作用也更為明顯，對提高混合料的抗裂性能作用更好。一般認為混合料抗裂性能差而形成裂紋是早期水破壞的內在決定性因素，因此提高混合料的抗拉性能才能從根本上解決路面早期水破壞問題。3)AC-16瀝青混凝土劈裂強度比均高于同等條件下的AC-25瀝青混凝土，其原因是由于前者的空隙率小于后者，空隙率愈小，則水穩定性愈好。

3.3 低溫彎曲試驗

試驗結果如圖2，圖3所示。

圖2 試驗方案與破壞時抗彎拉強度的關系圖

圖3 試驗方案與破壞時最大彎拉應變的關系圖

1)摻入纖維的瀝青混凝土其彎曲破壞強度并未提高，實際上還產生了下降的現象，如對AC-25瀝青混凝土，這與文獻［3］中的試驗結果基本相符。2)瀝青混合料在低溫下的極限變形能力，反映了混合料低溫時的粘性、塑性性質以及材料抵抗變形的能力。顯然，瀝青混合料的極限破壞應變越大，其低溫抗裂性能越好。從圖3可以看出，摻加纖維增強材料后，瀝青混合料低溫變形能力均有提高。其中，對AC-16及AC-25瀝青混凝土而言，與不加纖維的瀝青混凝土相比，加入纖維后方案一、二、三的極限彎曲應變分別提高了 5.5%，5.0%，18.8% 及 15.0%，28.3%，11.8%。3)纖維瀝青混合料變形能力的提高主要是由于纖維的橋接作用，在混凝土開裂后仍能使纖維瀝青混合料維持一定的承載能力，表現出韌性破壞形式，即在最大荷載處出現較明顯的水平階段，極限變形幅度還可進一步增加，出現應變軟化現象，從而使混合料的抗變形能力增大。從試件的破壞形式上也可以看出，未加纖維的混合料呈脆性破壞，而摻入纖維后，試件可保持裂而不斷。

3.4 車轍試驗

車轍試驗結果如圖4所示。

聚酯纖維加入后，隨纖維劑量的增加，動穩定度增加且出現一個峰值，而后動穩定度隨纖維劑量出現緩慢下降的現象，這表明以下兩點:1)纖維對混合料高溫性能改善作用有一最佳摻量，此時纖維對瀝青的穩定作用和對混合料的“加筋”作用達到最佳。2)當纖維摻量超過最佳劑量時，由于只有分散開的纖維才對瀝青混合料起穩定和“加筋”作用，而多余的纖維結團成束，在混合料中成為“強度弱點”，使得較大的礦料顆粒被擠開，礦料的骨架性下降，因此混合料的動穩定度出現緩慢下降。聚酯纖維和聚丙烯腈纖維對瀝青混合料的高溫性能均有一定的改善作用，但提高的幅度相差較大。一般而言，纖維的力學性能越好，則通過界面傳遞給纖維的作用力愈大，增強效果越好，這解釋了方案三的動穩定度值為何為各種方案的最大值。因此在選擇纖維時，除了考慮纖維的分散性外，還要考慮纖維與瀝青的界面粘結強度。

圖4 試驗方案與動穩定度的關系圖

4 結語

摻加纖維的瀝青混合料其各項路用性能指標均有一定程度的提高。由于纖維的存在，在實際施工過程中應適當增加瀝青混合料的碾壓遍數，以確保瀝青混合料的密實度。綜合纖維混合料的各方面性能，認為摻加混合纖維的方案的路用性能最佳，在工程實踐中可結合經濟性分析對比選擇適宜的纖維種類。

［1］ JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.

［2］ 陳栓發.瀝青混合料設計與施工［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［3］ 朱朝輝.外摻纖維瀝青混合料的路用性能研究［D］.西安:長安大學碩士論文，2004.

［4］ 陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究［D］.西安:長安大學碩士論文，2002.

［5］ 高福權.聚酯纖維瀝青混凝土路用性能研究［D］.沈陽:東北林業大學碩士論文，2006.

［6］ 孫立兵.纖維瀝青混凝土路用性能研究［D］.西安:長安大學碩士論文，2002.

［7］ 封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究［D］.南京:東南大學博士論文，2006.

［8］ 馬 翔.聚酯纖維瀝青混合料路用性能研究分析［J］.公路交通科技，2006，23(1):24-27.