混雜纖維瀝青混合料路用性能試驗研究

李向陽 胡軍安 陳月順 蔣雷鳴

[摘 要]將水鎂石纖維和海泡石纖維單獨及混合摻入AC-13 瀝青混合料中，通過車轍試驗、小梁彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗研究了0.3%纖維總摻量下瀝青混合料的路用性能。結果表明，纖維的加入可以提高瀝青混合料的高溫、低溫和水穩定性能；并且混摻纖維瀝青混合料的性能優于單摻的。水鎂石和海泡石纖維以質量比2∶3的比例混合摻入時，高溫和低溫性能最好；當纖維以3∶2的比例混合摻入時，水穩定性能最好。引入功效系數法確定了最佳性價比的纖維摻入方案。水鎂石與海泡石纖維以1∶4的比例加入到混合料時性價比最高。

[關鍵詞]瀝青混合料；混摻纖維；路用性能

[中圖分類號]U414[文獻標識碼]A

瀝青混凝土路面是我國公路普遍采用的一種路面形式，具有噪音低、穩定性高、易維護、抗損害能力強等優點。隨著交通運輸行業的快速發展，瀝青混凝土的固有缺陷，如石屑剝落、低溫開裂、高溫車轍病害等，嚴重影響了道路的使用壽命和人們的出行體驗。雖然目前在高等級的公路中，改性瀝青混凝土路面得到了廣泛的應用；但在城鎮次干道、輔路、人行道和鄉鎮公路，普通瀝青混凝土路面仍然被大量使用。

為了有效降低路面病害，纖維瀝青混合料成為常采用的改善路面性能的材料之一^[1]。纖維由于其各自不同的特性，可以在瀝青混合料中發揮橋接阻裂、界面增強效應和穩定瀝青的作用^[2]。本文選用的水鎂石纖維以氫氧鎂石為主要生產原料，在中國、俄羅斯等國家均有豐富儲量，纖維易從其中分離、產出量大，作為當前石棉纖維的首選替代用品及性能優異且價格低廉的一種礦物纖維，目前在瀝青路面的應用較少^[3]；海泡石纖維是一種可以在自然情況下獲得的礦物纖維，具有比表面積大、吸放濕性好、吸附性強、阻燃隔熱、耐高溫，并且在使用過程中不會因為環境原因而發生腐蝕^[4]。查閱相關文獻可知^[5-7]，水鎂石纖維由于橋聯加筋作用對瀝青混合料的高溫穩定性有明顯的性能改善，而海泡石纖維由于比表面積大對瀝青表現極強吸持能力，可以有效調節瀝青與膠漿的含量，對瀝青混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性均有較好的改善。

因此，將兩種纖維混合摻入到瀝青混合料中，探究其對路面的性能改善效果，為提高普通瀝青混凝土路面質量提供參考，并進一步探究其性價比。

1 試驗

1.1 原材料的選擇

瀝青選用湖北某公司生產提供的A級70^#普通瀝青，其主要性能指標，見表1。

集料采用湖北京山開采的石料，礦粉來源為石灰巖碾細過篩得到。本研究選用的水鎂石纖維和海泡石纖維由河北省靈壽縣一家企業提供。纖維原材料見圖1。兩種纖維性能指標見表2。

1.2 礦料級配

試驗采用AC-13配比瀝青混合料，礦料級配見表3。合成級配曲線如圖2所示。

1.3 試驗方法

本試驗的試件共設計為七個組別。分別為不摻纖維，單摻0.3%水鎂石纖維，單摻0.3%海泡石纖維，水鎂石與海泡石纖維占瀝青混合料總重的0.3%的前提下以1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的比例摻入^[8]。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011） ^[9]，采用車轍試驗、小梁彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗對七組瀝青混合料試件進行高溫、低溫和水穩定性試驗。

1.3.1 高溫性能測試 依照試驗規程^[9]中T0703-2011介紹的方法制作成型7組瀝青混合料車轍試件，每組3塊。車轍板試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試件成型后需在室溫條件下冷卻12 h，試驗溫度為60 ℃，車轍板試件保溫5 h后進行車轍試驗，輪壓為0.7 MPa，輪碾速率為42次/min。試件成型過程如圖3所示。

1.3.2 低溫性能測試 小梁試件通過試驗規程^[9]制作的車轍試件切制而來，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，小梁跨徑為200 mm。試驗溫度-10 ℃，中點加載，加載速率為5 cm/min。小梁彎曲試驗如圖4所示。

1.3.3 水穩定性能測試 依據試驗規程^[9]成型瀝青混合料的浸水馬歇爾試件。文獻[10]研究表明，采用浸水馬歇爾試驗時，試件是否達到飽水狀態對馬歇爾殘留穩定度有較大影響，而試件的飽和狀態取決于浸水時間和空隙率。本文成型的馬歇爾試件的空隙率在3%～5%之間，空隙率在4%以下的試件采用試驗規程^[9]規定浸水48h，空隙率在4%以上的試件則浸水72 h后檢驗其水穩定性。具體做法是將試件隨機分成兩組，一組放入60℃的水浴保溫箱浸泡0.5 h，另一組相同條件下水浴48 h或72 h，分別測定兩組試件的馬歇爾穩定度，試驗過程如圖5所示。

2 試驗結果分析

2.1 高溫性能

水鎂石和海泡石纖維的摻入對瀝青混合料動穩定度和相對變形率的影響見圖6和圖7。與普通瀝青混合料相比，摻入纖維后的瀝青混合料動穩定度增大（圖6），車轍試件相對變形率減小（圖7），高溫穩定性能得到不同程度的提升。單摻水鎂石纖維時，瀝青混合料的動穩定度提高35.3%，相對變形率降低15.4%；單摻海泡石纖維時，瀝青混合料的動穩定度提高27.8%，相對變形率降低23.0%；當水鎂石與海泡石纖維以2∶3的比例混合摻入時，其動穩定度和相對變形率指標達到最優，這種情況下的高溫穩定性能最好，其中動穩定度比不加纖維試件組提高48.4%，相對變形率比不加纖維試件組降低30%。

2.2 低溫性能

水鎂石和海泡石纖維摻量對瀝青混合料的低溫性能試驗結果如表4和圖8所示。

由表4和圖8可知：纖維的加入使小梁試件的抗彎拉強度和最大彎拉應變得到不同程度的提高。與不摻纖維的試件相比較，單摻海泡石纖維試件的抗彎拉強度和最大彎拉應變提升比單摻水鎂石纖維要大，抗彎拉強度提升11.2%，最大彎拉應變提升14.3%；混摻纖維的小梁試件的抗彎拉強度和最大彎拉應變的提升則更加明顯，其中以2∶3混摻水鎂石纖維和海泡石纖維時小梁的抗彎拉強度和最大彎拉應變提升效果最好，比未摻加纖維時抗彎拉強度提升12.7%，最大彎拉應變提升23.0%。

2.3 水穩定性

浸水馬歇爾試驗下，瀝青混合料的殘留穩定度結果如表5和圖9所示。

由表 5和圖9可知，與浸水前相比，浸水后標準馬歇爾試件的穩定度均有不同程度的下降。與未添加纖維的情況相比，纖維的摻入對瀝青混合料水穩定性均有所改善，但改善效果不明顯，改善幅度約為4%～7%。其中水鎂石與海泡石纖維以3∶2和1∶4的比例混合摻入時，穩定性下降的比例最小，均為10%，但對于3∶2混合摻入的瀝青混合料，浸水前后的穩定度均高于1∶4混合摻入的瀝青混合料，因此水鎂石和海泡石纖維以3∶2混合摻入瀝青混合料的水穩定性最好。

由上述試驗結果知：水鎂石纖維和海泡石纖維加入瀝青混合料后，可能是由于纖維的橋聯加筋、吸附等作用，發揮了正混雜效應，使瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性能得到了提高。

3 成本性能分析

利用功效系數法，結合總成本以及路用性能兩個因素確定最佳的纖維摻入方案^[11]。對各項指標按照公式1進行合成，得出總功效系數（圖10）?？偣π禂档臄抵翟酱?，表示混合料的性價比越高。

式中：D為總功效系數d^w_ii為加權后的系數；w_i為權數。

由圖10可以看出，當水鎂石纖維和海泡石纖維以1∶4的比例加入時，總功效系數最大，性價比最高。

4 結論

本文研究了水鎂石纖維和海泡石纖維單獨及混合摻入對于瀝青混合料高溫，低溫，水穩定性能的影響，主要得出以下結論：

1）與不摻或單獨摻加水鎂石或海泡石纖維相比，混摻水鎂石／海泡石纖維可提升瀝青混合料的路用性能。

2）在所有七組不同配比中，水鎂石與海泡石纖維以2∶3混合摻入時，瀝青混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性能最好，與未摻加纖維相比，瀝青混合料的動穩定度、抗彎拉強度和最大彎拉應變分別提升48.4%、12.7%、23.0%。

3）水鎂石和海泡石纖維的摻入對于瀝青混合料的水穩定性提升效果不明顯，效果最好的是水鎂石和海泡石纖維以3∶2混合摻入瀝青混合料的試件組，其馬歇爾試件的殘留穩定度與沒有加入纖維的試件組相比提高7.1%。

4）引入功效系數法對其路用性能和總成本進行分析。得到水鎂石纖維與海泡石纖維以1∶4的比例加入到混合料中時性價比最高。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張爭奇，胡長順.纖維加強瀝青混凝土幾個問題的研究和探討[J].西安公路交通大學學報，2001（01）：29-32.

[2] 倪良松，陳華鑫，胡長順，等.纖維瀝青混合料增強作用機理分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2003（05）：1033-1037.

[3] 楊曉凱.煤矸石粉/水鎂石纖維復合改性瀝青混合料路用性能研究[D].西安：長安大學，2016.

[4] 王長遠，王功勛，陶濤，等.海泡石功能化綠色建材研究進展與應用現狀[J].硅酸鹽通報，2017，36（10）：3285-3291.

[5] 郭振華，尚德庫，鄔翠蓮，等.海泡石/玄武巖纖維復合瀝青混合料性能研究[J].河北工業大學學報，2005（01）：5-10.

[6] 王偉.基于不同礦物纖維瀝青混合料路用性能試驗研究[J].湖南交通科技，2017，43（02）：112-115.

[7] 熊銳，劉子銘，楊曉凱，等.煤矸石粉/水鎂石纖維改性瀝青混合料路用性能[J].筑路機械與施工機械化，2017，34（02）：71-75.

[8] 馬峰，潘健，傅珍，等.纖維瀝青混合料最佳纖維摻量的確定[J].河南理工大學學報（自然科學版），2019，38（05）：138-145.

[9] JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[10]周亮，栗培龍，邱欣，等.飽水狀態對浸水馬歇爾試驗結果的影響[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2008（04）：619-622.

[11]張鐵志，王立久，劉霖.混摻纖維瀝青混合料路用性能試驗研究[J].公路，2018，63（06）：249-253.

Experimental Study on Road Performance of Brucite Fiber

and Sepiolite Fiber Asphalt Mixture

LI Xiangyang¹，HU Junan¹，CHEN Yueshun¹，JIANG Leiming²

（1 School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China;

2 China Construction First Bureau（Group） Co.， Ltd. Northwest Company， Xian 710065，China）

Abstract：Brucite fiber and sepiolite fiber were separately and mixed into AC-13 asphalt mixture. The pavement performance of asphalt mixture with 0.3% total fiber content was studied by rutting test， trabecular bending test and soaking Marshall test. The results show that the high temperature， low temperature and water stability of asphalt mixture can be improved by adding fiber. The performance of mixed fiber asphalt mixture is better than that of single mixture. When brucite and sepiolite fibers are mixed at a mass ratio of 2∶3， their properties are the best at high and low temperatures. Water stability is best when fibers are mixed in a ratio of 3∶2. In addition， the efficiency coefficient method was introduced to determine the optimal fiber incorporation scheme. The ratio of brucite to sepiolite fiber was 1∶4 when it was added to the mixture.

Keywords：asphalt mixture; mixed fibers; pavement performance

[責任編校：裴 琴]