不同纖維對排水瀝青混合料路用性能的影響研究

基金項目：

2021年度廣西交通運輸行業重點科技清單項目“廣西綠色高性能瀝青路面廠拌熱再生關鍵技術研究與示范”（交辦科技函〔2021〕148號）

作者簡介：

駱俊暉（1985—），博士，高級工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：為探究不同纖維穩定劑對排水瀝青混合料路用性能的影響，文章選用聚丙烯腈纖維、聚酯纖維和木質素纖維，通過高溫車轍試驗、凍融劈裂試驗、肯塔堡浸水飛散試驗與標準滲水試驗，研究三種纖維對排水瀝青混合料高溫性能、水穩定性能與滲水性能的影響。結果表明：聚丙烯腈纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果最明顯，與不摻纖維的對照組相比，其動穩定度增加超過50%、凍融劈裂強度比增加約6%、浸水飛散損失量減少近4%；木質素纖維對排水瀝青混合料路用性能的改善效果相對較差；摻入纖維后混合料的滲水性能有小幅度降低，但其滲水系數仍然在91 mL/s以上。綜合考慮路用性能，推薦采用聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩定劑。

關鍵詞：纖維；瀝青混合料；高溫性能；水穩定性能；滲水性能

中圖分類號：U416.03 A 01 001 3

0 引言

排水瀝青路面采用空隙率較大的瀝青混合料進行鋪筑，能有效排出雨水，減少水霧，提高路面抗滑性能，保證行車安全，具有很好的路用性能與降噪功能［1］。為了滿足排水功能的需求，在進行瀝青混合料設計時，需要減少細集料用量，增加粗集料用量，從而形成連鎖骨架結構，使其空隙率達到20%左右［2］。這種混合料結構的內摩擦阻力較高，但粘聚力較低，為保證排水瀝青混合料的路用性能，需要使用高黏瀝青，并添加纖維穩定劑。

目前，關于不同纖維對排水瀝青混合料性能的影響，許多學者已展開了研究，其中包括玄武巖纖維，玻璃纖維、聚酯纖維以及復摻纖維等［3-7］。但這些研究多集中于纖維摻量，各項研究表明，纖維摻量為0.4%時，排水瀝青混合料的綜合性能最好。但是，在相同摻量下，針對不同纖維對瀝青混合料路用性能的影響的研究還相對較少。為此，本文通過高溫車轍試驗、凍融劈裂試驗、肯塔堡浸水飛散試驗和標準滲水試驗，比較同一摻量下聚丙烯腈纖維、聚酯纖維與木質素纖維對排水瀝青混合料高溫穩定性、水穩定性與滲水性能的影響，確定最佳纖維穩定劑，為排水路面的設計和施工應用提供參考。

1 試驗原材料與方法

1.1 瀝青原材料

1.1.1 瀝青

試驗采用高黏瀝青，其技術指標見表1。

1.1.2 集料

上面層采用OGFC-13瀝青混合料，集料規格為15～25 mm、10～15 mm、5～10 mm的輝綠巖碎石，0～5 mm的石灰巖機制砂。其各項性能均符合規范要求。

1.1.3 纖維穩定劑

試驗采用聚丙烯腈纖維、聚酯纖維與木質素纖維，其各項技術指標見下頁表2，參考文獻［8］中的纖維用量，本文采用的摻量為0.4%。

1.1.4 礦粉

采用石灰巖礦粉，性能符合規范要求。

1.2 級配設計

排水路面一般用于路面上面層，本文選用OGFC-13作為研究對象，進行混合料級配組成設計。對所選集料進行水篩后，按規范推薦的方法進行配合比設計，得到合成級配如表3所示。各材料比例為15～25 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉=12∶25∶25∶36∶2。

1.3 試件的制備

根據設計級配，在攪拌鍋中加入配好的集料并攪拌90 s，加入高黏瀝青攪拌90 s，再摻入礦粉與纖維攪拌90 s，將攪拌好的混合料成型，即為試驗需要的試樣。為對比不同纖維對混合料路用性能的影響，本文設置了一個對照組（不摻纖維）進行對比研究。

2 結果與討論

2.1 不同纖維對排水瀝青混合料高溫性能的影響

高溫穩定性能指的是瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。高溫性能不足則極易導致路面出現車轍等病害，影響路面使用性能。本節通過高溫車轍試驗對排水瀝青混合料的高溫性能進行研究，試驗結果如圖1所示。

由圖1的車轍試驗結果可以看出，不摻纖維對照組的動穩定度＜6 000次/mm；摻入纖維以后，試件的動穩定度均在7 000次/mm以上。說明纖維的摻入能明顯增強排水瀝青混合料的高溫性能。纖維在混合過程中能吸附瀝青，形成較堅固的瀝青膜，使得混合料中的自由瀝青相對減少，防止瀝青混合料在運輸、攤鋪過程中出現流淌現象，具有良好的施工穩定性。

通過對比三種纖維對排水瀝青混合料的影響發現，聚丙烯腈纖維的高溫性能改善效果最明顯，其動穩定度＞8 000次/mm，相比對照組，其動穩定度增長幅度超過50%，而木質素纖維的改善效果相對較低。這是由于聚丙烯腈纖維的抗拉強度高，性能比其他兩種纖維好，能更好地提升瀝青混合料高溫性能。

2.2 不同纖維對排水瀝青混合料水穩定性能的影響

常用的水穩定性試驗方法包括浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和肯塔堡浸水飛散試驗等，本節考慮瀝青混合料的排水功能，選用凍融劈裂試驗與肯塔堡浸水飛散試驗來評價排水瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見圖2和圖3。

由圖2可知，三種纖維對排水瀝青混合料的水穩定性均有所提升，其中聚丙烯腈纖維的提升幅度最大，其凍融劈裂強度比接近95%，相比對照組增加了6%，而木質素纖維劈裂強度相對較低。因木質素纖維吸水率較高，用作排水瀝青混合料的纖維增強劑會在保溫過程中充分吸收水分，使排水瀝青混合料劈裂強度降低，而聚丙烯腈纖維、聚酯纖維是高分子材料，其吸水性遠小于木質素纖維，對應的混合料劈裂強度大于木質素纖維。

由圖3可知，不摻纖維的排水瀝青混合料經過浸水飛散后，飛散損失量＞10%，其水穩定性能較差，而在摻入纖維后，可以顯著減小排水瀝青混合料的飛散損失量。在三種纖維中，聚丙烯腈纖維混合料的飛散損失量最少，在6%左右，相比對照組降低近4%；木質素纖維混合料的飛散損失量最大，為9%左右。因肯塔堡浸水飛散試驗需要進行泡水保溫處理，在保溫過程中木質素纖維混合料會充分吸收較多的水分，使其飛散損失量相對較大。

綜上所述，木質素纖維作為一種天然材料，經加工后，可作為瀝青混合料中的纖維穩定劑，但吸水率較大，其混合料水穩定性相對較差，不太適用于排水瀝青混合料。聚丙烯腈纖維、聚酯纖維是高分子材料，其吸水性遠小于木質素纖維，對應的瀝青混合料水穩定性較好。

2.3 排水瀝青混合料滲水性能研究

排水瀝青混合料空隙率較大，從而保證其具有良好的排水性能。排水功能的發揮與滲水性能密切相關，因此需要研究排水瀝青混合料的滲水性能。本文采用常用的滲透系數來評價瀝青混合料的滲水性能，試驗結果見表4。

由表4可知，對照組與摻纖維的排水瀝青混合料的滲水系數均較大，超過了91 mL/s。滲水系數與混合料的連通空隙密切相關，而排水瀝青混合料的連通空隙率較大，連通空隙越大則有效空隙越大，排水能力就越好，滲水系數就越大。四種排水瀝青混合料中，滲水系數從大到小依次為未摻纖維、聚丙烯腈纖維、聚酯纖維、木質素纖維。因此，摻入纖維會小幅度降低排水瀝青混合料的滲水系數，但對混合料的排水功能影響較小。

綜上所述，聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩定劑時，可以使混合料兼顧良好的高溫性能和水穩定性能，同時滲水性能也較好。因此，本文推薦聚丙烯腈纖維作為排水瀝青混合料的纖維穩定劑。

3 結語

（1）車轍試驗結果表明，纖維的摻入可明顯改善排水瀝青混合料的高溫性能，動穩定度均＞7 000次/mm。纖維對排水瀝青混合料高溫性能改善效果依次為：聚丙烯腈纖維＞聚酯纖維＞木質素纖維。聚丙烯腈纖維的抗拉強度最高，對高溫性能的改善效果最明顯，動穩定度＞8 000次/mm。

（2）通過分析凍融劈裂與肯塔堡浸水飛散試驗結果可知，摻入纖維可提高排水瀝青混合料的凍融劈裂強度，減小浸水飛散損失量。纖維對排水瀝青混合料水穩定性改善效果依次為：聚丙烯腈纖維＞聚酯纖維＞木質素纖維。聚丙烯腈纖維可提高凍融劈裂強度近6%，降低浸水飛散損失量近4%，改善效果最優。木質素纖維吸水率較高，改善水穩定性能效果有限。

（3）纖維會吸收水分，尤其是木質素纖維，可能會阻礙水分排出，小幅度降低混合料的滲水系數。纖維對排水瀝青混合料滲水系數影響程度依次為：木質素纖維＞聚酯纖維＞聚丙烯腈纖維。但總體上，摻入纖維對排水瀝青混合料滲水性能影響較小。

（4）綜合考慮高溫性能、水穩定性以及滲水等路用性能，摻入聚丙烯腈纖維的排水瀝青混合料綜合性能最佳。因此，建議采用聚丙烯腈纖維為排水路面混合料的纖維穩定劑。

參考文獻

［1］李飛揚.排水瀝青混合料的水穩定性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2017.

［2］羅 凱，張云霞，鄧娟華，等.空隙特征對排水路面殘留飽水度的影響［J］.公路，2021，66（8）：49-55.

［3］王 利.市政道路玄武巖纖維排水瀝青混合料配合比設計及應用［J］.智能城市，2020，6（10）：179-180.

［4］吳清舟，朱玉風，高 穎，等.玻璃纖維對排水瀝青混合料路用性能影響分析［J］.交通節能與環保，2020，16（5）：110-114.

［5］高 穎，朱玉風，和燕超，等.玻璃纖維改性排水瀝青混合料路用性能分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2020，36（4）：690-696.

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［7］焦江華.纖維改善排水瀝青混合料性能試驗研究［J］.合成材料老化與應用，2021，50（1）：71-73.

［8］盧志遠.木質素纖維對透水瀝青混合料路用性能的影響研究［J］.西部交通科技，2022（1）：40-43.

收稿日期：2022-11-20