不同纖維改性瀝青混合料的水穩性試驗研究

袁凍雷

(河南交通投資集團有限公司，河南 鄭州 450000)

排水瀝青混合料為骨架-空隙結構，粗集料占比大，空隙率高，可有效減小地表水徑流量，提高路面抗滑性和行車安全性，且降噪、抗車轍等功能良好[1-2]。因為排水瀝青路面礦料采用開級配，孔隙率一般大于15%，其與水接觸面積比大于普通路面材料，行車荷載作用下路面結構內部空隙水對瀝青混合料產生動水壓力和沖刷力，破壞瀝青與礦料的粘結整體性[3-5]。因此，保證大孔隙瀝青混合料良好的水穩定性具有重要的現實意義。現有研究表明，纖維在瀝青混合料中形成三維網絡結構，增加瀝青膜厚，增強瀝青混合料整體性和延展性[6-7]，部分學者對纖維改性瀝青混合料路用性能研究也取得了一定成果。Morea等[8]研究表明，瀝青混合料摻玻璃纖維后，路用穩定性提高。唐智勇等[9]對比研究了不同老化條件下瀝青混合料摻玄武巖纖維前后的水穩定性。高穎等[10]研究表明，玻璃纖維摻量影響改性瀝青混合料高溫性能顯著，低溫性能和水穩定性效果不明顯。張杰等[11]研究表明，玄武巖纖維可改善AC瀝青混合料和SMA瀝青混合料水穩定性。故排水瀝青混合料中摻加纖維材料成為解決排水瀝青路面病害的重要措施之一。

鑒于此，選用木質素纖維、聚丙烯腈纖維和聚酯纖維分別改性瀝青混合料，研究纖維類型及摻量對瀝青混合料水穩定性影響規律，為排水瀝青路面設計提供參照。

1 試驗部分

1.1 原材料

（1）瀝青

選用HVA高黏瀝青改性劑制備高黏度瀝青，HVA高黏瀝青改性劑摻量為9%，基體瀝青采用SBS改性瀝青，技術性質見表1。

表1 HVA高黏瀝青技術性質Table 1 Technical properties of HVA high-viscosity asphalt

（2）集料

粗集料選用玄武巖，其表觀密度為2.851g·cm-3，壓碎值為7.8%，洛杉磯磨耗損失為9.8%，吸水率為0.79%，針片狀含量為5.6%，小于0.075mm顆粒含量（水洗法）為0.2%；細集料選用機制砂，其表觀密度為2.728g·cm-3，砂當量為67%，棱角性為46.5s，小于0.075mm顆粒含量（水洗法）為2.6%。

（3）礦粉

選用磨細的石灰巖礦粉，技術性質見表2。

表2 礦粉技術性質Table 2 Technical properties of mineral powder

（4）纖維

選用聚酯纖維、木質素纖維、聚丙烯腈纖維，纖維長度為9mm，技術指標見表3。

表3 纖維技術性質Table 3 Technical properties of the fibers

1.2 試驗方案

研究纖維類型及摻量對瀝青混合料水穩定性影響規律，優選纖維類型及最佳摻量。試驗中，纖維摻量為0.1%、0.2%、0.3%（纖維摻量為纖維質量與瀝青混合料質量的百分比），每組試驗采用4個平行試件。

1.3 試件制備

纖維改性瀝青混合料配合比設計方法采用馬歇爾試驗，中粒式礦料級配和混合料配合比見表4和表5。馬歇爾試件尺寸為Φ101.6mm×h63.5mm，瀝青混合料擊實溫度為150～160 ℃，雙面擊實50次。

表4 礦料級配Table 4 Mineral material grading

表5 纖維改性瀝青混合料配合比Table 5 Mix ratio of fiber-modified asphalt mixture

1.4 性能測試方法

采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）浸水馬歇爾試驗、浸水飛散試驗、凍融劈裂試驗評價纖維改性瀝青混合料水穩定性。

（1）浸水馬歇爾試驗

馬歇爾試件在60 ℃恒溫水浴箱中浸水48h后，采用馬歇爾試驗儀分別測定浸水試件和非浸水試件穩定度，計算其殘留穩定度。殘留穩定度MS0為浸水馬歇爾試件與非浸水馬歇爾試件穩定度的比值，表達式見式（1）。

式（1）中：MS1為浸水馬歇爾試件穩定度，kN；MS2為非浸水馬歇爾試件穩定度，kN。

（2）浸水飛散試驗

馬歇爾試件置于60℃恒溫水浴箱中浸水48h后，并于室溫放置24h，用干毛巾擦拭試件，稱取試件原始質量m0。采用洛杉磯試驗機開展飛散試驗，旋轉300轉，轉速為30r/min，稱取試件剩余質量m1，計算質量損失。浸水飛散損失ΔS為試件質量損失與剩余質量的比值，表達式見式（2）。

（3）凍融劈裂試驗

馬歇爾試件分為兩組：一組試件真空飽水15min后，再浸水30min，置于恒溫冰箱中，設置溫度為-18℃，冰凍16h，冰凍完畢后，先后放入60℃恒溫水浴箱中浸水24h，25℃恒溫水浴箱中浸水2h，開展劈裂試驗，測定劈裂抗拉強度RT1；另一組試件置于25℃恒溫水浴箱中浸水2h，測定其劈裂抗拉強度RT2。試驗中，加載速率為50mm/min。按式（3）計算試件凍融劈裂抗拉強度比TSR。

2 結果與討論

2.1 浸水馬歇爾試驗

不同纖維改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果如圖1所示。

圖1 纖維改性混合料浸水馬歇爾試驗結果Fig.1 Marshall test results of fiber modified mixtures

由圖1可知，聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料殘留穩定度最大，即抗水損壞能力強。隨纖維摻量增加，纖維改性瀝青混合料殘留穩定度逐漸降低，其中木質素纖維改性瀝青混合料降低較顯著，木質素纖維摻量增加0.1%，瀝青混合料殘留穩定度約降低3.5%。聚酯纖維和聚丙烯腈纖維對瀝青混合料殘留穩定度影響規律一致，纖維摻量由0.1%增加至0.2%，瀝青混合料殘留穩定度降低微小；纖維摻量由0.2%增加至0.3%，瀝青混合料殘留穩定度約降低2.8%。這是因為纖維摻量增加，在瀝青混合料中分散作用減弱，從而混合料殘留穩定度降低。

2.2 浸水飛散試驗

不同纖維改性瀝青混合料浸水飛散試驗結果如圖2所示。

圖2 纖維改性混合料浸水飛散試驗結果Fig. 2 Immersion and diffusion test results of fiber modified mixture

由圖2可知，聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失最小，聚酯纖維改性瀝青混合料次之。當采用木質素纖維時，隨纖維摻量增加，瀝青混合料浸水飛散損失呈線性降低，纖維摻量增加0.1%，瀝青混合料浸水飛散損失降低10.2%；當采用聚酯纖維或聚丙烯腈纖維時，隨纖維摻量增加，瀝青混合料浸水飛散損失先降低后增大，0.2%摻量的纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失最小。這是因為聚丙烯腈纖維和聚酯纖維為高分子材料，吸水性較木質素纖維低，且在瀝青混合料中分散性好，提高了混合料整體性，因此浸水飛散損失較少。

2.3 凍融劈裂試驗

不同纖維改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結果如圖3所示。

圖3 纖維改性混合料凍融劈裂試驗結果Fig. 3 Freeze-thaw splitting test results of fiber modified mixtures

由圖3可知，聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比最大，即水穩定性最優。隨纖維摻量增加，瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比呈線性降低，木質素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維摻量分別增加0.1%，瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比分別降低3.2%、2.1%、2.1%，說明纖維摻量對瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比影響規律基本一致。這是因為纖維摻入瀝青混合料中，主要起到加筋作用，吸附瀝青，穩定混合料結構。

由纖維改性瀝青混合料水穩定性試驗結果可知，聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比最大，且浸水飛散損失最小，即水穩定性最優；當纖維摻量增加，瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比降低，且聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失變化不大。因此，建議纖維選用聚丙烯腈纖維，最優摻量為0.1%。

3 結論

（1）聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料殘留穩定度最大，隨纖維摻量增加，木質素纖維改性瀝青混合料降低較顯著，聚酯纖維改性瀝青混合料和聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料殘留穩定度變化規律一致。

（2）聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失最小，聚酯纖維改性瀝青混合料次之。隨纖維摻量增加，聚酯纖維改性瀝青混合料和聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失先降低后增大，0.2%摻量的纖維改性瀝青混合料浸水飛散損失最??；木質素纖維摻量增加0.1%，瀝青混合料浸水飛散損失降低10.2%。

（3）聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比最大。隨纖維摻量增加，瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比呈線性降低，木質素纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維摻量分別增加0.1%，瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比分別降低3.2%、2.1%、2.1%。