高模高強PAN纖維瀝青混合料路用性能研究*

高云龍，李明，趙普

(1.深圳海川新材料科技股份有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳市海川實業股份有限公司，廣東 深圳 518040)

纖維作為一種高強、耐久、質輕的增強材料，在道路工程中得到廣泛應用。由于纖維在瀝青混合料中能起到搭接和拉筋作用，在瀝青混合料中摻入纖維可有效提高其抗裂性能與高溫穩定性，并改善其力學性能，延緩路面病害的發生。纖維在瀝青混合料中分布越均勻，作用效果越顯著。但如果纖維拌合不均勻，分散不好，會在瀝青混合料內部結團成束，不但不能改善瀝青混合料的路用性能，反而會降低其強度。高模高強PAN纖維是一種有機合成纖維，具有強度高、吸附性強、化學穩定性好等特點，可增強路面韌性，減少車轍、低溫開裂等病害的發生。為促進高模高強PAN纖維在道路工程中的推廣應用，該文研究高模高強PAN纖維在瀝青混合料中的分散情況，分析其對瀝青混合料高溫穩定性、水穩定性、抗疲勞性能和低溫抗裂性能的影響。

1 原材料

高模高強PAN纖維的性能指標見表1。使用重交70#石油瀝青，加纖維瀝青與未加纖維瀝青的性能指標見表2。集料選用石灰巖，其各項性能指標均滿足規范要求。

表1 高模高強PAN纖維的技術指標

表2 加纖維與未加纖維瀝青的技術指標

2 高模高強PAN纖維在瀝青混合料中的分散試驗研究

選用AC-13與SMA-13級配，AC-13的材料比例為10～15 mm粗集料∶5～10 mm粗集料∶3～6 mm粗集料∶0～3 mm細集料∶礦粉=24∶25∶15∶32∶4，SMA-13的材料比例為10～15 mm粗集料∶5～10 mm粗集料∶3～6 mm粗集料∶0～3 mm細集料∶礦粉=60∶11∶2∶11∶10。選取長度為6 mm和12 mm的高模高強PAN纖維，纖維摻量為混合料質量的0.2%。將集料加熱并在攪拌鍋中初步混合后，添加PAN纖維攪拌180 s；再加入熱瀝青攪拌90 s，最后添加礦粉攪拌90 s，拌合后成型馬歇爾試件。

觀察集料加高模高強PAN纖維干拌180 s后的分散照片(見圖1、圖2)，比對分析纖維在瀝青混合料中的分散情況，進而判斷不同長度纖維的分散效果。

圖1 AC-13瀝青混合料中高模高強PAN纖維的分散情況

圖2 SMA-13瀝青混合料中高模高強PAN纖維的分散情況

由圖1、圖2可知：無論是在AC-13中，還是在SMA-13中，長6 mm的高模高強PAN纖維在混合料中分散更均勻，表明高模高強PAN纖維的長度影響其在混合料中的分散，為保證拌合均勻性，高模高強PAN纖維的長度不宜過大；12 mm長高模高強PAN纖維粘連在攪拌葉上的質量明顯高于6 mm長高模高強PAN纖維，進一步說明高模高強PAN纖維長度過大不利于其在瀝青混合料中分散均勻。

3 高模高強PAN纖維對瀝青混合料路用性能的影響

3.1 高溫穩定性

通過車轍試驗、多輪車轍試驗、三軸剪切試驗研究高模高強PAN纖維對瀝青混合料高溫穩定性的影響。車轍儀輪胎接觸壓力為0.7 MPa，以試驗車轍深度達到6.4 mm時輪載作用次數為評價指標。三軸剪切試驗通過測試混合料的抗剪強度來表征其抗變形能力，試驗模型見圖3。抗剪強度τ計算公式如下：

圖3 三軸試驗模型

τ=c+σtanφ

(1)

式中：c為黏聚力；σ為正應力；φ為內摩擦角。

以AC-13為研究對象，瀝青采用AH-70，集料選用表面光滑的礫石，添加0.2%混合料質量的高模高強PAN纖維，PAN纖維瀝青混合料與無纖維瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為4.7%、4.2%。試驗結果見表3～5。

由表3～5可知：1) 加高模高強PAN纖維瀝青混合料與未加纖維瀝青混合料的體積參數基本相同。2) 與未加纖維瀝青混合料相比，加高模高強PAN纖維瀝青混合料的動穩定度提高約49%；抵抗車轍能力也明顯提高，車轍深度累積至6.4 mm時的輪載作用次數約為未加纖維混合料的2.22倍；黏聚力提高36%，內摩擦角也略有增加，其在高溫下的力學性能明顯好于未加纖維混合料，高溫條件下加高模高強PAN纖維瀝青混合料不易產生由抗剪強度不足或塑性變形過剩造成的推移現象。

表3 不同瀝青混合料車轍試驗結果

表4 不同瀝青混合料多輪車轍試驗結果

表5 不同瀝青混合料三軸剪切試驗結果

3.2 水穩定性

以SMA-13為研究對象，纖維添加量為混合料質量的0.2%，加纖維與未加纖維混合料的最佳瀝青用量分別為5.7%、5.1%。以馬歇爾浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比評價瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見表6。

表6 不同瀝青混合料水穩定性試驗結果

由表6可知：添加高模高強PAN纖維可提高瀝青混合料的水穩定性，與未加纖維瀝青混合料相比，PAN纖維瀝青混合料的浸水殘留穩定度與凍融劈裂抗拉強度比分別提高8%、11%。

3.3 抗疲勞性能

以SMA-13為研究對象，利用自動瀝青路面分析儀(AAPA)進行試驗，通過AAPA模擬車輪往返運動，以試件底面出現疲勞裂縫視為試件破壞，此時對應的作用次數越多抗疲勞性能越好，反之越差。將成型的車轍板切割成尺寸為30 cm×12.5 cm×7.5 cm的試件進行試驗，試驗結果見表7。

表7 不同瀝青混合料疲勞試驗結果

由表7可知：瀝青混合料疲勞破壞時，加高模高強PAN纖維瀝青混合料的作用次數比未加纖維瀝青混合料增加34.7%，添加高模高強PAN纖維可明顯提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

3.4 低溫抗裂性能

采用小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，以抗彎拉強度、最大彎拉應變與彎曲勁度模量作為衡量指標。試驗溫度為-10 ℃，以AC-13為試驗對象，試驗結果見表8。

表8 不同瀝青混合料低溫抗裂性能試驗結果

由表8可知：添加高模高強PAN纖維后，瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量分別提高約9%、12%、10%，表明添加高模高強PAN纖維可提高瀝青混合料的低溫抗裂性能。

4 結論

(1) 長度6 mm的高模高強PAN纖維在瀝青混合料中分散更均勻。

(2) 添加高模高強PAN纖維后，瀝青混合料的抗車轍能力明顯提高，動穩定度比未加纖維時提高約49%，試件破壞時的輪載作用次數約為未加纖維時的2.22倍，黏聚力比未加纖維時提高36%，內摩擦角略有增加。

(3) 與未加纖維瀝青混合料相比，PAN纖維瀝青混合料的浸水殘留穩定度與凍融劈裂抗拉強度比分別提高8%、11%，疲勞破壞時的作用次數增加34.7%，抗裂性能總體提高約10%，添加高模高強PAN纖維可提高瀝青混合料的水穩定性、抗疲勞性能和低溫抗裂性能。