鋼纖維對提高瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的影響作用研究

陳會萍

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450007）

近年來，隨著公路交通的快速發(fā)展，汽車荷載不斷增大，普通瀝青混凝土路面已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代交通的需要。隨著荷載和溫度的影響，許多路面經(jīng)常出現(xiàn)早期破壞，而高溫車轍破壞就是其中比較常見的破壞之一。這種破壞大大降低了路面的使用壽命，給道路工作者提出了嚴峻的考驗。

1 瀝青混凝土道路目前存在狀況

瀝青路面具有表面平整，無接縫，耐磨，噪聲低，行車舒適，施工期短，養(yǎng)護維修簡便等優(yōu)點[1]。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，公路運輸業(yè)日益繁忙，嚴重的超載重載導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)早期損壞，大大降低了瀝青路面的路用性能和使用壽命。特別是在高溫季節(jié)，瀝青路面容易泛油發(fā)軟，在車輛荷載的重復(fù)作用下，塑性變形逐漸積累，導(dǎo)致產(chǎn)生永久變形或車轍，從而降低路面的平整性，影響路面的交通安全和行車降舒適性[2]。

2 本文研究的意義

通常認為，瀝青混凝土作為瀝青路面的鋪筑材料是由骨料，瀝青結(jié)合料和空氣組成的三相體系。因此，在改善瀝青混凝土的路用性能上有三個主要研究方向：使用改性瀝青，調(diào)整礦料級配以及在普通瀝青混凝土中加入各種纖維[3]。實際研究中經(jīng)常用到的纖維有軟纖維和鋼纖維[4]兩大類。加入鋼纖維后瀝青混凝土的路用性能有了較大的提高和優(yōu)化，并且由于纖維對瀝青的吸附作用，可以解決瀝青路面在高溫條件下的泛油現(xiàn)象，使得瀝青路面的高溫抗車轍性能得到極大改善，提高了瀝青路面的使用年限。但在實際應(yīng)用中，由于鋼纖維價格較高，增加了瀝青路面的建設(shè)成本。因此，如何合理選擇和使用鋼纖維，使瀝青路面的性能得到提高的同時又能降低建設(shè)費用成為道路工作者面臨的一個難題。本文擬通過加入不同摻量的鋼纖維，研究鋼纖維摻量對瀝青混凝土路用性能的影響規(guī)律，試圖找到鋼纖維摻量和瀝青混凝土路用性能間的最佳平衡點。

3 試驗所用鋼纖維的性能指標

鋼纖維的長徑比和摻量、鋼纖維的分布和取向以及鋼纖維與基體相互間的粘結(jié)強度對鋼纖維的增強效果均有重要的影響。通常情況下，當鋼纖維混凝土出現(xiàn)破壞時，混凝土中的鋼纖維并未出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，而是與混凝土出現(xiàn)分離，因此要想改善鋼纖維的增強效果必須提高鋼纖維與基體的粘結(jié)強度。本文采用的鋼纖維的物理性能指標如下：

抗拉強度：＞380 MPa

長徑比：149

長度：12.69 mm

等效直徑：0.085mm

4 鋼纖維瀝青混凝土的組成設(shè)計

4.1 級配確定

本試驗礦料級配采用規(guī)范規(guī)定的密級配瀝青混凝土AC- 13 級配范圍中值，由于它能適用于不同的道路等級，不同的氣候條件，不同的交通狀況，不同的結(jié)構(gòu)層次[5]。AC- 13 級配的上限，下限及中值級配通過下列各篩孔的質(zhì)量百分率如下表所示。

表4.1 AC-13 連續(xù)型密級配上、中、下限通過篩孔的質(zhì)量百分率

4.2 拌和方法確定

在拌制鋼纖維瀝青混凝土?xí)r采用的投料次序為：先將鋼纖維撒入加熱后的礦料中拌和均勻后，再加人瀝青和礦粉繼續(xù)攪拌，這樣獲得的拌合效果非常理想，拌合料中各種粒料分布十分均勻，鋼纖維隨機散布其中，沒有組團現(xiàn)象。

4.3 最佳油石比的確定

油石比是指瀝青混凝土中瀝青質(zhì)量與礦料質(zhì)量的比值，它的大小對瀝青路面有著直接影響，如果油石比過大則路面容易出現(xiàn)車轍或者泛油，反之則抗疲勞強度達不到要求，防水性能也受到影響，并且在施工中不容易被壓實。本文采用馬歇爾試驗方法確定鋼纖維瀝青混凝土的最佳油石比。按照我國現(xiàn)行規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG F40—2004) 中馬歇爾試驗要求的試驗步驟和試驗方法，采用AC- 13 中值級配，制作油石比分別為5.3% 、5.8% 、6.3% 、6.8% 、7.3% 、和7.8%的標準馬歇爾試件5 組，每組試件4 個，共計24 個。試件制作完成以后，按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的表干法測定試件的各項指標，包括試件的毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率及VFA，然后進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗。試驗結(jié)果見表4.2。通過試驗結(jié)果繪制瀝青用量與馬歇爾試件物理力學(xué)指標的關(guān)系圖，并以此為依據(jù)計算最佳瀝青用量。

本文通過馬歇爾試驗分別確定了連續(xù)密級配瀝青混凝土AC- 13 和3 種不同鋼纖維摻量的瀝青混凝土的最佳瀝青用量。瀝青混凝土AC- 13 中值的最佳油石比為6.81%，鋼纖維摻量為1%的瀝青混凝土最佳油石比為6.88%，鋼纖維摻量為2%的瀝青混凝土的最佳油石比為7.37%，鋼纖維摻量為3%的瀝青混凝土的最佳油石比為7.6%。

表4.2 AC-13 中值馬歇爾試驗結(jié)果

5 鋼纖維瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能研究

5.1 試驗方法

車轍試驗方法最初是由英國道路研究所開發(fā)的，而且車轍試件上車轍的產(chǎn)生過程能夠很好的模擬實際瀝青路面在高溫條件下車轍的產(chǎn)生，同時車轍試驗的動穩(wěn)定度非常貼切的反映實際瀝青路面中車轍的深度。通常情況下，車轍試驗中的試件由輪碾法制作，其標準尺寸為300mm×300mm×50mm。在確定車轍試驗板的碾壓次數(shù)時，應(yīng)確保試驗板與本試驗中的標準馬歇爾試件具有相同的體積參數(shù)。在試壓時，應(yīng)對試壓成型的車轍試驗板按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定的方法測定試件的密度，以此來決定最終碾壓次數(shù)。

表5.1 車轍試驗結(jié)果

5.2 試驗結(jié)果分析

在進行瀝青混凝土車轍試驗時，選擇四種瀝青混凝土進行對比試驗，它們分別為密級配瀝青混凝土AC- 13 中值，以及在此基礎(chǔ)上摻加三種鋼纖維摻量（1%，2%，3%）的瀝青混凝土，共制作8 個試件，分為4 組。試驗結(jié)果如下表5.1。

由車轍試驗結(jié)果可知，鋼纖維的加入對瀝青混凝土的動穩(wěn)定度有一定影響。但是似乎隨鋼纖維摻量的提高動穩(wěn)定度有降低的趨勢，但總體來看，鋼纖維的加入都能使瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性得到改善，只是改善的程度有所不同。當鋼纖維摻量為1% 時使瀝青混凝土動穩(wěn)定度提高了37.2%，當摻量增加至2%時，動穩(wěn)定度提高了9.1%，摻量為3%時，動穩(wěn)定度提高了10.4%。這是由于纖維瀝青混合料是一種組成結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的粘彈性復(fù)合材料，其高溫穩(wěn)定性取決于多種因素，除受纖維摻量的影響外，還受諸如瀝青的性質(zhì)和含量、礦料的特性、瀝青與礦料的交互作用、礦料比表面、壓實瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特性等因素的影響。以上分析表明，鋼纖維可改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，但并非摻量越高動穩(wěn)定度就越高，其改善效果還與其它因素的影響密不可分，尤其是瀝青混凝土中的瀝青含量。當瀝青混凝土中的瀝青含量較少時，瀝青不足以使礦料顆粒表面完全敷裹，礦料顆粒間缺乏足夠的粘聚力，瀝青混凝土整體強度較低；當瀝青用量過多，在礦料間主要起潤滑作用，并將礦料“推開”，從而使瀝青混合料的整體強度下降。因此，纖維的摻量必須和瀝青增加量相匹配，否則，起不到應(yīng)有的增強效果。

6 結(jié)語

通過本文相關(guān)試驗可知鋼纖維的加入能使瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性得到改善；但鋼纖維摻量與瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性不成直接的線性關(guān)系，鋼纖維對瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的改善效果還受其它因素的影響，其中，瀝青含量是最重要的影響因素。鋼纖維摻量必須和瀝青增加量相匹配，否則，起不到應(yīng)有的增強效果；根據(jù)試驗結(jié)果，對密級配瀝青混凝土AC13，可建立考慮鋼纖維摻量和瀝青增加量綜合影響的動穩(wěn)定度預(yù)估模型。