纖維瀝青混合料增強機理及路用性能研究

李樹軍

(太原市城市規劃設計研究院　山西　030002)

纖維瀝青混合料增強機理及路用性能研究

李樹軍

(太原市城市規劃設計研究院山西030002)

摘要纖維直徑小，比表面積大，在瀝青混合料中能夠起到吸附、穩定和“加筋”等作用。選用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3種混合料進行室內試驗研究，結果表明，添加0.3%的纖維后，混合料的動穩定度提升均超過20%，浸水馬歇爾殘留穩定度與凍融劈裂強度比均超過90%；路用性能優劣次序為SMA-13>AC-13>OGFC-13，且纖維對密級配混合料性能的改善效果更好。

關鍵詞道路工程瀝青混合料纖維路用性能

國內外對纖維瀝青混合料進行了大量研究，但大多僅局限于一種混合料的研究，并沒有從多種混合料進行對比分析，本文介紹纖維在瀝青混合料中的作用機理，并選用木質素纖維及AC-13，SMA-13，OGFC-13進行室內試驗，研究纖維混合料的高溫、低溫及水穩性能，為以后的工程實踐提供參考依據。

1纖維作用機理分析

纖維添加到瀝青混合料中能夠起到吸附、穩定和“加筋”等作用，從改善混合料的路用性能[4-5]。

(1) 吸附作用。由于纖維具有極小的直徑和較大的比表面積，因此將纖維添加到瀝青中，二者相互融合能夠形成巨大的浸潤界面，并吸附大量瀝青在表面形成一定厚度的界面層。纖維的物理化學性質與瀝青的化學組成是影響纖維瀝青混合料力學性能的關鍵因素。由于瀝青是一種弱酸性物質，會對纖維表面產生較強的吸附、物理浸潤以及化學鍵作用，使得瀝青分子規律性地排列在纖維表面，形成一層具有牢固結合力的“結構瀝青”。研究表明，與自由瀝青相比，“結構瀝青”具有粘度大、溫度敏感性低、高溫性能好等特點，同時能夠增厚混合料集料表面的瀝青膜厚度，有效降低混合料孔隙率，延長使用壽命，達到改善混合料的高溫、低溫性能的目的。

(2) 穩定作用。由于纖維直徑非常小，在瀝青中以三維的形式隨機分布，從而在瀝青基體中形成大量縱橫交錯的纖維空間網狀結構，瀝青吸附在纖維上形成縱橫交錯的結構瀝青網，從而大大提高結構瀝青的比例，最終達到有效增強瀝青粘性，提高混合料的韌性及高溫性能。由于纖維良好的穩定作用，因此可以選用標號較低的瀝青拌制混合料，從而能夠有效防治反射裂縫，提高混合料低溫性能。

(3) “加筋”作用。纖維在瀝青混凝土中呈三維隨機分布且數量眾多，在瀝青混合料中形成空間網絡結構，瀝青混合料承受的載荷可通過纖維瀝青界面傳遞給纖維。由于增強纖維的高模量、高抗拉強度特點，在瀝青混合料中起到類似于鋼筋的加強作用，改善混合料使用性能。

2纖維瀝青混合料路用性能研究

為了研究纖維對瀝青混合料路用性能的改善效果，因此通過室內試驗對纖維瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩定性能進行研究。

在這篇論文中，我們主要通過機器學習中的現代個性化的推薦系統這個主題，去嘗試討論四種不同的推薦算法的特征。

2.1　原材料

(1) 纖維。選用木質素纖維，它是一種植物纖維，通常為淺綠色或灰色絮狀結構，如圖1所示，具有良好的高溫、化學穩定性，以及耐化學腐蝕性。木質素纖維主要技術指標見表1。

圖1　木質素纖維

纖維類型平均直徑/mm長度/mm熔融溫度/℃木質素纖維0.045<5.0,平均值1.1250

(2) 瀝青。瀝青選用中海70號基質瀝青，技術指標見表2。

表2　基質瀝青技術指標

(3) 混合料。進行瀝青混合料配合比設計時，粗集料選用玄武巖，細集料選用石灰巖，礦粉由石灰巖制備而成，其中混合料類型選用AC-13，SMA-13和OGFC-13 3種混合料類型，根據工程經驗[6]，木質素纖維摻量選用0.3%(外摻法)。混合料體積指標檢測結果見表3。

表3　瀝青混合料技術指標檢測結果

由表3可見，添加纖維后瀝青混合料的最佳油石比和穩定度均增大，除SMA-13孔隙率保持不變外，其余2種混合料的孔隙率均減小。這主要是木質素纖維具有較大的比表面積，表面能夠吸附大量的瀝青，從而也增大結構瀝青數量，提高混合料的強度。

2.2　高溫性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[7]中車轍試驗的規定，采用上述級配及油石比制備30 cm×30 cm×5 cm的車轍板試件，在60 ℃溫度條件下進行車轍試驗，利用最終車轍深度和動穩定度指標評價纖維添加劑對混合料高溫性能的影響。通過車轍試驗儀，記錄規定時間間隔內瀝青混合料的豎向變形量，并利用式(1)算出其動穩定度。

(1)

式中：DS為動穩定度指標，次/mm；d1為t1為時刻瀝青混合料的豎向變形量(t1通常取45 min)，mm；d2為t2為時刻瀝青混合料的豎向變形量(t2通常取60 min)，mm；N為橡膠輪胎往返碾壓速率，規范取42次/min;C1為試驗機修正系數，此時取1.0；C2為試件系數，當試件寬度為30 cm時取1.0。

車轍試驗結果及動穩定度計算結果見表4。

動穩定度變化情況見圖2。

表4　車轍試驗結果

圖2　動穩定度柱狀圖

由表2中可見，添加0.3%纖維后，3種瀝青混合料t1和t2時刻的車轍深度均減小，動穩定增加。這主要是由于纖維添加到混合料中能夠形成網狀結構，起到加筋與增韌作用；同時表面吸附形成大量的結構瀝青，提高瀝青對集料的粘結性能，從而提高混合料的高溫性能。AC-13，SMA-13和OGFC-13的動穩定度依次提高了50.4%，33.0%和22.0%，這主要因為密級配細集料較多，網狀纖維結構和結構瀝青對細集料的裹附、加筋效果要優于粗集料；而SMA-13本來具有良好的骨架結構，力學性能良好，因此提升效果次之；而OGFC-13空隙較大，粗集料較多，纖維和結構瀝青的加筋、增韌效果最差，因此動穩定度提升效果最差。

2.3　低溫性能

根據規范[6]中3點低溫小梁彎曲試驗的規定，采用上述級配及油石比，通過輪碾法制備30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，然后切割成長250 mm±2.0 mm、寬30 mm±2.0 mm、高35 mm±2.0 mm的長方體小梁試件。將小梁放在-10 ℃的恒溫箱中保溫4 h后，利用MTS試驗機，以50 mm/min的加載速率進行3點低溫小梁彎曲試驗。利用彎曲破壞應變εB、彎曲破壞強度RB、勁度模量SB指標評價混合料的低溫性能，可利用式(2)~(4)計算。

(2)

(3)

(4)

式中：b為小梁試件跨中截面寬度，mm；h為小梁試件跨中截面高度，mm；L為小梁試件跨徑，mm；PB為小梁試件的破壞荷載，N；d為小梁試件跨中破壞撓度，mm。

試驗結果見表5。

表5　低溫彎曲試驗結果

由表5可見，添加纖維后瀝青混合料3點低溫彎曲試驗的破壞應變和破壞強度均增大，破壞時的勁度模量減小。其中添加纖維前、后混合料的破壞強度與勁度模量優劣次序為：SMA-13>AC-13>OGFC-13，這主要是因為混合料的空隙越大、粗集料越多，其內部結構就越不均勻，則越容易出現裂縫；而3種混合料中，OGFC-13的孔隙率最大，SMA具有最好的骨架結構。同時也說明在瀝青混合料中添加纖維能夠有效改善其低溫性能，能顯著提高瀝青路面的抗裂性能，延長瀝青路面使用壽命。

2.4　水穩定性能

根據規范[6]，采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗，研究纖維瀝青混合料的水穩定性能。為研究纖維的增強效果，選取纖維摻量為0和0.3%做對比。

(1) 浸水馬歇爾試驗。成型雙面各擊實75次的標準馬歇爾試件，一組放入60 ℃的水浴中恒溫48 h，另一組放入60 ℃水浴中恒溫30 min，取出后立即測試其穩定度，并利用式(5)計算浸水殘留穩定度。試驗結果見表6。

(5)

式中：MS0為浸水馬歇爾殘留穩定度，%；MS1為浸水馬歇爾穩定度，kN。

表6　浸水馬歇爾試驗結果

由表6可見，添加纖維后瀝青混合料的標準穩定度、浸水馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度都增大，且都在90%以上，說明纖維瀝青混合料具有良好的水穩定性能。

(2) 凍融劈裂試驗。根據設計級配及油石比，成型雙面各擊實50次和75次的A、B 2組馬歇爾試件，A組試件經過20 min抽真空后放入(-18±1) ℃恒溫箱中恒溫(16±1) h，再放入60 ℃水浴恒溫24 h，最后在25 ℃水浴中恒溫2 h進行劈裂試驗；B組經25 ℃水浴恒溫2 h后直接進行劈裂試驗，利用式(6)計算凍融劈裂強度比TSR，試驗結果見表7。

(6)

式中：RT1為未凍融試件劈裂強度，MPa；RT2為凍融試件劈裂強度，MPa。

表7　凍融劈裂試驗結果

由表7可見，添加纖維后瀝青混合料的未凍融劈裂強度RT1、凍融劈裂強度RT2、凍融劈裂強度比TSR都增大，且RT2都超過0.9 MPa，TSR都在90%以上，說明纖維瀝青混合料具有良好的水穩定性能。

浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗說明纖維的添加能夠有效改善瀝青混合料的水溫性能。

3工程應用

采用3種試驗配合比、0.3%摻量的纖維瀝青混合料鋪筑試驗段，并檢測試驗段的壓實度、抗滑擺值、構造深度、滲水系數，檢測結果見表8。

表8　檢測結果

由表8可見，3種纖維瀝青混合料試驗段的壓實度、抗滑擺值、構造深度和滲水系數都能夠滿足規范要求，這說明纖維瀝青混合料具有良好壓實性能，并能夠維持普通混合料的原有路表構造及抗滑性能，適用于鋪筑公路瀝青路面。

4結語

纖維具有極小的直徑和較大的比表面積，添加到瀝青混合料中能夠形成空間網狀結構，并在其表面形成結構瀝青，起到吸附、穩定和“加筋”等作用，改善混合料的路用性能。室內試驗研究表明，添加0.3%的纖維能夠有效提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩性能，且纖維對密級配混合料路用性能具有更好的改善效果，實際工程中纖維瀝青混凝土路面的壓實度和路表性能都能夠滿足要求，適用于鋪筑公路瀝青路面。

參考文獻

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[6]彭波.木質素纖維在瀝青混合料中的應用[J]. 西安建筑科技大學學報：自然科學版,2005(1):104-107.

[7]JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

Research on Reinforcement Mechanism and Road Performance of Fiber Asphalt Mixture

LiShujun

(Taiyuan Urban Planning and Design Research Institute, Taiyuan 030002, China)

Abstract：The fiber can play an role of adsorption, stability and "reinforced", its diameter is small and the surface area is large;. AC-13, SMA-13 and OGFC-13 were selected in the laboratory study. The results showed dynamic stability was improved more than 20%, marshall immersion residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio were larger than 90% when 0.3% fiber was put into asphalt mixture. The merits order of road performance was SMA-13> AC-13> OGFC-13. The fiber could improve the performance of dense graded mixture.

Key words:road engineering; asphalt mixture; fibers; road performance