廢棄纖維改善瀝青混凝土力學性能試驗研究

劉吉昌

(中鐵十四局集團第一工程發展有限公司 山東日照 276826)

1 引言

隨著我國道路交通量快速增長，瀝青路面在使用過程中出現的病害問題越來越多，因此提高瀝青路面的使用性能，使之適應道路交通的需求，是道路工程專業領域一個關鍵性的持續研究課題。目前常用的性能改良方法是在瀝青混合料加入添加劑[1-2]，而其中纖維是一種應用效果較好的添加劑[3-4]。將地毯制造過程中產生的廢棄纖維用做瀝青混合料添加劑是一種具有環保價值的嘗試，這類廢棄纖維的主要化學成分是聚丙烯腈。

對于纖維瀝青混合料的性能研究成果較多[5-7]，如馬峰[8]等對4種纖維瀝青混合料的抗彎拉強度、彎拉應變和彎曲勁度模量進行了研究，研究結果表明添加纖維可以提高整體性能，最佳纖維摻量可由應變能來確定。周剛[9]等研究了在不同纖維摻量下，聚酯纖維溫拌瀝青混合料的最佳壓實溫度，研究結果表明聚酯纖維可以使溫拌再生瀝青混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性滿足規范要求，同時可以提高溫拌瀝青混合料的最佳壓實溫度。程永春[10]等根據凍融循環下的纖維瀝青混合料劈裂強度和勁度模量試驗結果，分析了玄武巖纖維對瀝青混合料抗凍融性能的增強機理，研究結果表明摻加玄武巖纖維可以明顯提高瀝青混合料對凍融損傷的抵抗能力。

目前，同時采用馬歇爾試驗、間接拉伸試驗、蠕變試驗以及抗疲勞開裂試驗研究纖維摻量對瀝青混合料性能指標影響機理的相關文獻極少，尤其是尚未見相關文獻對廢棄纖維改善瀝青混合料使用性能的效果進行評價。因此，本文通過馬歇爾試驗、間接拉伸試驗、蠕變試驗以及抗疲勞開裂試驗對廢棄纖維瀝青混合料的工程性質進行研究，研究成果可為廢棄纖維的循環利用以及纖維瀝青混合料的配合比設計提供理論支持。

2 試驗設計

(1)試驗材料

本研究采用殼牌70#重交基質瀝青，粗、細集料分別為輝綠巖碎石和花崗巖中砂，該瀝青粗、細集料的技術指標均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)以及《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)的要求。采用的廢棄纖維為地毯制造過程中產生的聚丙烯腈纖維，該纖維的主要物理力學性質見表1。試驗中選用的纖維長度為12.5 mm和20 mm。

表1 廢棄纖維物理力學性質

采用的級配為《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中的AK-13Ⅰ型瀝青混凝土級配中值。

(2)混合料攪拌

先將粗集料與細集料混合攪拌均勻，并將瀝青混合料拌和機的拌和溫度設置為165℃；然后加入瀝青拌和90 s，使瀝青能均勻地附著在粗、細集料表面；加入廢棄纖維，并加入礦粉使之覆蓋在廢棄纖維上方，繼續拌和90 s。

(3)試件制備與試驗

瀝青混合料的馬歇爾試件成型方法為:將拌和均勻的混合料放入模具中，采用馬歇爾擊實法進行擊實。擊實時使瀝青混合料的溫度維持在155℃，擊實次數為雙面各75次。

馬歇爾試驗前，將試驗樣品在60℃的水浴中浸泡約35 min，然后將試驗樣品從水浴中取出并靜置在馬歇爾加載臺上。加載時，以每分鐘50.8 mm的恒定速率使試樣變形。樣品所能承受的最大載荷定義為馬歇爾穩定性，樣品在最大荷載下的變形量定義為流值，然后根據樣本的高度調整穩定性值。

3 試驗結果分析及討論

(1)馬歇爾穩定度

由圖1可以看出，廢棄纖維含量較少時，馬歇爾穩定度的值隨纖維含量的增加而增大；但當廢棄纖維含量達到某一個定值后，馬歇爾穩定度的值隨纖維含量的增加而減小。廢棄纖維含量使馬歇爾穩定度出現先增加后減小的趨勢原因在于當纖維含量太大時，試件中粗、細集料顆粒之間的接觸點減少導致摩阻力難以發揮，進而使馬歇爾穩定度下降。因此可以認為存在一個使瀝青混合料穩定度值最大的最優廢棄纖維含量。

對比圖1中12.5 mm和20 mm長度纖維的穩定度曲線發現，纖維長度對混合物穩定性的影響不大。

圖1 纖維含量與瀝青混合料穩定性關系曲線

(2)流值

從圖2可以看出，當廢棄纖維含量小于0.3%時，瀝青混合料試件的流值隨著纖維含量增加而明顯減??；當廢棄纖維含量大于0.3%時，瀝青混合料試件的流值隨著纖維含量的增加而逐漸呈現增大的趨勢。導致這一規律的原因在于過大的纖維含量使試件中粗、細集料顆粒之間的接觸面減小，粗、細集料顆粒之間的相對位移增大，進而使馬歇爾流值增加。

對比圖2中12.5 mm和20 mm長度纖維的流值曲線發現，纖維長度對混合物流值的影響比其對馬歇爾穩定度的影響明顯。

圖2 纖維含量與瀝青混合料流值關系曲線

(3)空隙率

圖3為纖維含量對瀝青混合料空隙率的影響規律。由圖3可知，瀝青混合料的空隙率隨著廢棄纖維含量和長度的增加而增加。導致這一規律的原因在于廢棄纖維會吸收混合料中的粘結劑，導致集料間的空隙無法被粘結劑填滿；同時纖維含量的增加導致混合料可壓縮性減弱，也導致瀝青混合料的空隙值變大。

圖3 纖維含量與瀝青混合料空隙率關系曲線

(4)回彈模量

通過間接拉伸試驗測量瀝青混合料的回彈模量，沿著垂直試樣直徑的方向施加循環半正弦載荷(每循環荷載持續時間125 ms，間歇時間1 250 ms)，并測量試樣在荷載作用下沿試樣直徑方向的水平變形值。當瀝青混合料在加載過程中的變形值在線性粘彈性范圍內時，根據均質各向同性材料平面應力彈性理論，回彈模量的計算公式為:

式中，Mr為瀝青混合料的回彈模量；P為峰值力(抗拉強度的15%)；γ為泊松比(設為0.35)；t為試樣厚度；Δd為沿直徑方向的水平變形。

圖4為廢棄纖維含量與瀝青混合料回彈模量的相互關系。由圖4可知，當纖維含量小于0.4%時，瀝青混合料的回彈模量隨纖維含量的增加而變大，當纖維含量大于0.4%以后，瀝青混合料的回彈模量值趨于穩定。

圖4 纖維含量與瀝青混合料回彈模量關系曲線

需要注意的是，含纖維瀝青混合料回彈模量增加的原因可能是由于混合料中的纖維具有較高的拉伸強度和較小的拉伸變形值，瀝青混合料中的纖維能與顆粒牢固結合并限制了顆粒的移動，從而使瀝青混合料變形值減小。但是當纖維含量較多時，瀝青難以填充過多的混合料空隙，纖維限制顆粒移動的能力不能充分發揮，從而不會使瀝青混合料的回彈模量增加。

(5)動態蠕變效應

使用重復單軸壓縮試驗來評估瀝青混合料的永久變形。在試驗中，施加恒定的重復載荷，并記錄不同時間(脈沖數)下的瀝青混合料累積永久變形。重復載荷采用半正弦載荷的形式施加，每循環荷載持續時間200 ms，間歇時間800 ms，荷載值為200 kPa。

圖5為在第6 000次循環加載時，廢棄纖維含量與瀝青混合料永久變形的相互關系，該圖中的永久變形指的是試樣的變形值除以試樣厚度。由圖5可知，增加纖維含量在減小瀝青混合料的永久變形值方面具有十分明顯的效果。蠕變試驗表明，在原瀝青混合料中合理加入少量廢棄纖維改善了原瀝青混合料的變形性能，在相同的載荷和溫度條件下，含有適量廢棄纖維的瀝青混合料的累積變形值較小。

圖5 纖維含量與瀝青混合料永久應變關系曲線

(6)疲勞效應

采用間接拉伸試驗對混合料的抗疲勞性能進行評價。試驗施加的荷載為正弦載荷，每循環荷載持續時間150 ms，間歇時間50 ms，荷載值為350 kPa。將瀝青混合料試件在循環荷載下發生斷裂的周期數定義為疲勞壽命。

圖6為實驗室疲勞試驗(重復負載間接拉伸試驗)結果。由圖6可知，廢棄纖維的使用顯著提高了瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖6 纖維含量與瀝青混合料疲勞壽命關系曲線

加入0.1%、0.2%、0.3%廢棄纖維后，瀝青混合料的疲勞壽命分別提高了28.4%、37.1%和44.2%左右。瀝青混合料疲勞壽命增加的原因是分布在混合料中的廢棄纖維限制了骨料顆粒的運動，減小了混合料的剪切位移，進而有效地延緩了初始裂紋的產生及擴展。

(7)回彈模量、疲勞壽命與永久變形的關系

根據上述結果以及圖4～圖6可以分析含廢棄纖維瀝青混合料回彈模量、疲勞壽命和永久變形之間的相關性。圖7為含廢棄纖維的瀝青混合料回彈模量與疲勞壽命的相關性。由圖7可知，瀝青混合料的疲勞壽命與回彈模量之間存在近似線性的相關性，隨著試件回彈模量的提高，試件的疲勞壽命隨之延長；含長度為12.5 mm和20 mm纖維的瀝青混合料，其疲勞壽命與回彈模量線性關系的擬合系數分別為0.961和0.973。圖8為含廢棄纖維的瀝青混合料永久應變與回彈模量的相關性。由圖8可知，瀝青混合料的永久變形與回彈模量之間存在近似線性的相關性，隨著試件回彈模量的提高，試件的永久變形量隨之減??；含長度為12.5 mm和20 mm纖維的瀝青混合料，其回彈模量與永久變形線性關系的擬合系數分別為0.954和0.911。

圖7 瀝青混合料回彈模量與疲勞壽命關系曲線

圖8 瀝青混合料回彈模量與永久應變關系曲線

4 結論

將紡織過程中產生的廢棄聚丙烯腈纖維添加到瀝青混合料中，不但避免了廢棄纖維處理過程中造成的污染問題，而且可以提高瀝青混合料的力學性能。因此，本文通過馬歇爾試驗、間接拉伸試驗、蠕變試驗以及抗疲勞開裂試驗檢測了含廢棄纖維瀝青混合料的工程性質。

(1)馬歇爾試驗結果表明，當瀝青混合料中添加的廢棄纖維含量小于0.3%時，可以增加瀝青混合料的穩定性、降低流值。

(2)間接拉伸試驗結果表明，當纖維含量小于0.4%時，瀝青混合料的回彈模量隨纖維含量的增加而變大；當纖維含量大于0.4%以后，瀝青混合料的回彈模量值趨于穩定。

(3)蠕變試驗結果表明，在相同的載荷和溫度條件下，在原瀝青混合料中合理加入少量廢棄纖維改善了原瀝青混合料的變形性能。

(4)抗疲勞開裂試驗結果表明，在瀝青混合料中加入適量廢棄纖維可以改善瀝青混合料的疲勞狀況，增加其對裂縫或永久變形的抵抗力。