纖維改善排水瀝青混合料性能試驗研究

焦江華

( 洛陽華杰公路工程有限公司，河南洛陽471000）

隨著道路基礎建設的迅猛發展，瀝青路面代替傳統水泥路面成為舒適性好、受力分布均勻的路面材料，但是，由于長期受到高溫陽光和雨水的滲透和侵蝕，路面會產生裂縫、車轍、麻面和其他病害?，F有瀝青路面場采用AC-13 密實性級配，雨雪天氣會降低路面的抗滑能力，危及路面的交通安全和服務質量。為滿足不同地區及環境下道路服役需求，瀝青馬蹄脂碎石、開級配等新型道路結構被應用推廣，排水瀝青路面（OGFC）是一種孔隙率較大的骨架支撐瀝青混合料，具有快速消散路面積水、保持路面抗滑特性等優點[1-3]。但長期的雨水浸潤易會加劇路面結構損傷，會使得混合料產生開裂、松散等問題。相關研究表明纖維材料摻入瀝青混合料中可提升材料的彈韌性，增強路用性能[4]。湯寄予[5]研究了不同纖維瀝青混合料的高低溫性能及自愈合性能，認為纖維能夠有效抑制混合料內部的裂縫開展，延長道路服役壽命；趙麗華[6]認為纖維以三維空間網絡分布在混合料中，可增強混合料的抗疲勞性能；熊銳等[7]研究了水鎂石纖維瀝青混合料的耐腐蝕性能，認為可延長混合料的耐久性能。王輝等[8]研究了聚丙烯、木質素和玄武巖3 種不同纖維對瀝青混合料的性能影響，認為3 種不同纖維對混合料的增強效果各異，聚丙烯纖維對混合料的疲勞性能提升最明顯；高桂海等[9]采用玄武巖纖維制備排水瀝青混合料，認為可大幅提升混合料的低溫抗裂性能及疲勞性能；雷鵬群[10]對重載交通條件下摻纖維的排水瀝青混合料進行研究，認為纖維可增強混合料內部的穩定，抵抗水損傷的性能有所提升。玻璃纖維是一種無機纖維，產量多、應用廣泛，但在排水瀝青路面結構中應用較少，研究擬采用玻璃纖維制備纖維-瀝青膠漿和瀝青混合料，探究對排水瀝青混合料的性能變化規律。

1 原材料

1.1 高粘瀝青

研究采用高粘瀝青制備瀝青纖維膠漿和瀝青混合料，高粘瀝青是將15% 摻量的TPS 改性劑與基質瀝青進行高溫剪切制備，其技術指標見表1。

表1 高粘瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of high viscosity asphalt

1.2 礦料

粗細集料均為玄武巖，填料為普通石灰巖礦粉，材料質地均勻無雜質，相關技術指標見表2。

表2 粗集料技術指標Table 2 Technical indexes of coarse aggregate

1.3 纖維

研究采用玻璃纖維、玄武巖纖維及鋼纖維分別制備瀝青纖維膠漿，研究纖維與瀝青間的粘結特性，三種纖維的長度均為12mm，技術指標見表3。

表3 纖維技術指標Table 3 Technical index of fiber

2 纖維- 瀝青膠漿拉拔性能研究

研究采用三種不同類型的纖維制備纖維- 高粘瀝青膠漿，采用拉拔試驗來探究纖維與瀝青膠漿間的粘結特性。其試驗原理是將纖維束按不同的埋置深度澆筑瀝青試件，試驗溫度為30℃，通過控制瀝青膠漿試件位置不變，對纖維束進行拉拔，記錄纖維斷裂或拔出時對應的力的大小，試驗結果如圖1 所示。

圖1 不同纖維拉拔試驗結果Fig.1 Drawing test results of different fibers

從圖1 可以看出，隨著纖維埋置深度的增加，纖維-瀝青膠漿拉拔對應的最大荷載逐漸增加。且三種纖維橫向對比分析，玻璃纖維拉拔對應的最大荷載最大，玄武巖纖維其次，鋼纖維最低。表明玻璃纖維與瀝青膠漿的黏聚特性最佳，玻璃纖維的斷裂拉伸率較大，彈塑性和延展性較好，在外力荷載作用下，玻璃纖維能夠緩解瀝青膠漿的彈塑性變形，共同增強瀝青膠漿的服役性能?；诖?，研究以玻璃纖維為試驗對象，制備排水瀝青混合料，研究其具體的路用性能表現。

3 瀝青混合料路用性能

為進一步探究玻璃纖維摻量對排水瀝青混合料的性能影響規律，研究將玻璃纖維分別以0%、0.2%、0.4%和0.6%質量摻量制備排水瀝青混合料，研究選用的排水瀝青路面結構級配為OGFC，其級配曲線如圖2 所示。

圖2 OGFC-13 級配曲線Fig.2 OGFC-13 grading curve

以普通瀝青混合料為例，其析漏和飛散損失隨油石比變化趨勢如圖3 所示。

圖3 混合料析漏、飛散損失隨油石比變化曲線Fig.3 Variation curve of mixture leakage and dispersion loss with oil stone ratio

從圖3 可以看出，隨著混合料油石比的增加，混合料的析漏損失變大，飛散損失減少。根據排水瀝青路面混合料的設計規范，普通排水瀝青混合料的最佳油石比為5.0%。

如表4 所示，隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的油石比有所增加，而對應的毛體積密度、孔隙率、穩定度和流值均不斷增大。其主要原因是玻璃纖維具有吸油屬性，纖維的加入需要更多的瀝青用量來維持混合料內部結構的凝聚力、穩定性。而纖維的加筋作用，增強了混合料內部骨架支撐結構，使得有效的連通孔隙率有所增加。

表4 最佳油石比及馬歇爾技術指標Table 4 Best oil stone ratio and Marshall technical index

3.1 高溫穩定性

排水瀝青路面的有效連通孔隙率較大，在重載環境下易導致孔隙率壓縮，進而造成路面的車轍變形乃至坑洼等病害，本文研究了不同玻璃纖維摻量混合料的高溫性能，并通過60℃車轍試驗測試了混合料的動穩定度，結果如圖4 所示。

圖4 混合料動穩定度試驗結果Fig.4 Dynamic stability test results of mixture

隨著纖維摻量的摻入，混合料的動穩定度有所增長，但增長速率減緩。纖維摻量為0.2%、0.4% 及0.6% 時，其動穩定度分別達到3912 次/mm、3986 次/mm 和4012次/mm，相較于普通排水瀝青混合料分別提升了7.12%、9.15% 和9.86%。纖維摻加后期動穩定度提升不明顯是因為纖維與瀝青膠結料有效融合，已最大限度提升混合料的裹附性和穩定性，纖維的繼續添加無法從力學角度再增強其強度等級。因此，并非玻璃纖維摻量越多對混合料的性能越好。

3.2 水穩定性

排水瀝青路面長期處于雨水浸潤環境下，水分子會沿混凝土內部裂縫侵入到結構內部，誘發內部材料松散、開裂等病害問題。研究采用殘留穩定度和凍融疲勞強度比兩個指標來評價混合料的水穩定性，試驗結果如圖5所示。

圖5 混合料水穩定性試驗結果Fig.5 Water stability test results of mixture

從圖5 可以看出，隨著玻璃纖維含量的增加，混合料的殘留穩定性和凍融劈裂強度比先增大后減小，但均高于普通瀝青混合料的初始值，0.4% 纖維含量混合料的殘留穩定性為89.5% ，0.2% 摻量纖維混合料的凍融劈裂強度比為88.6%。其主要原因是，纖維的加入能夠增強與瀝青膠結料的黏聚性，進一步穩定混合料內部的集料分布和骨架結構。但是纖維摻量的增加也會導致連通孔隙率增大，會增加水分子與孔隙內壁接觸面積，加劇水損傷侵蝕的程度。凍融劈裂試驗過程中，飽和水分子將孔隙填充并凍結，材料間的模量不同，界面接觸存在差異，會在水浴環境下產生內部溫度應力變化，進一步削弱混合料的水穩定性。

3.3 低溫抗裂性能

作為瀝青面層上部結構，排水瀝青路面會在雨雪天氣下降至零下攝氏度，在車輛荷載的往復作用下會使得混合料內部產生低溫開裂現象。本文研究了不同玻璃纖維摻量瀝青混合料的低溫抗裂性能，采用低溫小梁進行破壞荷載測試，記錄相應的應變變化，試驗結果如圖6所示。

圖6 混合料破壞應變Fig.6 Failure strain of mixture

混合料的低溫抗裂性能有所提升，但增長速率有所減緩。纖維摻量在0.2%、0.4% 和0.6% 時，其對應排水瀝青混合料的破壞應變分別為3952μm、4072μm和4123μm，較普通排水瀝青混合料分別提升7.19%、10.44% 和11.83%，增長幅度與混合料高溫穩定性較為一致。玻璃纖維以三維網狀結構分散在瀝青混合料中，有效地將粗細集料、高粘瀝青等進行有效的粘結，增強內部材料的黏聚性和穩定性。纖維良好的延性可以緩解瀝青混合料的應力集中，延緩瀝青混合料的裂縫發展。

3.4 排水特性

作為排水瀝青路面，雨水的滲透稀釋能力應重點考量，混合料的排水特性理論上與孔隙率直接相關，研究對不同纖維摻量下混合料的滲水系數進行測定，試驗結果如圖7 和圖8 所示。

圖7 混合料滲水系數試驗結果Fig.7 Test results of water permeability coefficient of mixture

圖8 孔隙率-滲水系數曲線Fig.8 Porosity permeability coefficient fitting curve

從圖7 和圖8 可以看出，隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的滲水系數不斷提升，當纖維摻量為0.2%、0.4%和0.6% 時，其對應排水瀝青混合料的滲水系數分別為4452mL/min、4527mL/min 和4632mL/min，較 普 通 排水瀝青混合料分別提升了5.50%、7.27% 和9.76%。將孔隙率和滲水系數進行擬合，二者呈較好的對數函數關系，隨著孔隙率的增加，混合料的滲水系數增長速率逐漸減緩，表明混合料中玻璃纖維的摻量并非越多越好，應根據混合料的各項路用性能進行綜合比選。

為進一步確定混合料中玻璃纖維的適宜摻配比例，研究將不同性能試驗數據進行匯總分析，如圖9 所示。

圖9 不同纖維摻量下混合料性能Fig.9 Performance of mixture with different fiber content

從圖9 可以看出，不同纖維摻量下混合料的性能匯總比選，其中，動穩定度、破壞應變及滲水系數隨纖維摻量的增加呈增長趨勢，但增長速率逐漸減緩；而殘留穩定度和凍融劈裂強度比性能呈先上升后下降的趨勢，研究建議玻璃纖維的適宜摻量應控制在0.4%左右。

4 結語

研究對玻璃纖維、玄武巖纖維及鋼纖維與瀝青膠漿的拉拔特性進行分析，認為玻璃纖維的斷裂拉伸率較好，與瀝青膠漿的粘結特性較強。基于此，分別制備了不同玻璃纖維摻量下排水瀝青混合料并進行路用性能分析，研究表明，混合料的動穩定度、破壞應變及滲水系數隨纖維摻量的增加逐漸提升，但提升速率有所減緩，而殘留穩定度和凍融劈裂強度比呈先上升后下降趨勢。綜合各性能比較分析，推薦玻璃纖維的適宜摻量在0.4%左右，將玻璃纖維應用到排水瀝青路面中，能夠增強內部瀝青混合料的黏聚力和穩定性，有利于延長其服役壽命。