纖維種類與摻量對微表處混合料路用性能的影響

劉建虎 韓素會

（平山縣暢通公路養護工程有限公司，河北 石家莊 050400）

道路工程運行質量和預防性養護工作的開展有著密切聯系，有效的預防性養護能夠延長道路工程使用壽命，提高路面行駛體驗，提高運行安全性。目前，我國道路養護里程數達到600萬公里以上，并且仍在不斷增加。如何有效開展預防性養護，成為道路養護工作者關注的重點問題。微表處預防性養護技術抗車轍能力較強，同時具有良好的耐磨損性能和防滑能力，在瀝青路面養護工程中具有廣泛應用。

20世紀80年代后，我國逐漸引入微表處技術，但并未第一時間推廣應用，直到90年代后該技術才逐漸應用到工程實踐中。2000年，微表處技術在“國家技術創新計劃”“西部交通建設科技項目計劃”等一系列文件中被強調，而后，經工程界、學界共同努力，研發出一系列改性乳化瀝青、改性劑和乳化劑，相關技術內容得到快速充實。2004年，《公路瀝青路面施工技術規范》中進一步明確了微表處技術的原料要求、技術方法及應用要求，規范了施工流程。

董志宏等[1]分析了復式加筋微表處中使用玄武巖纖維作為添加劑的應用效果，并在試驗路段中施工探究其具體性能，發現玄武巖纖維的摻入有效提升了微表處耐磨性能和抗車轍能力。姚曉光等[2]分析了纖維的摻量、種類、油石比等因素對纖維微表處施工效果的影響，結果顯示，摻入0.1%～0.25%纖維、選用7.0%～7.5%油石比時，微表處路用性能最佳。張爭奇[3]通過構建衰變方程分析了纖維微表處加鋪層性能，并比較普通微表處、玄武巖纖維和聚丙烯纖維微表處的路用性能差異，結果顯示，使用聚丙烯纖維加鋪磨耗層可以延長道路使用壽命。

劉軍營等[4]基于正交試驗分析纖維微表處路用性能的主要影響因素，開展輪轍變形試驗、濕輪磨耗試驗，結果顯示，纖維摻量是影響微表處路用性能的關鍵因素，并驗證了文獻[2][3]的結論。龍旭日[5]等人分析了瀝青微表處中添加外加劑種類對路用性能的影響，結果顯示，木質素纖維施工具有不穩定性，聚丙烯纖維施工便利但拌和時間較長。

我國引入應用微表處養護技術時間相對較短，但在工程界和學術界共同努力下，微表處技術應用得到快速發展，精表處、間斷型級配微表處、降噪型微表處和復合封層微表處等技術層出不窮[6]。

但近些年來瀝青工程應用微表處技術開展養護時發現，微表處混合料經常出現抗裂性能不足等問題。相較于傳統微表處而言，纖維微表處路用性能更強[7]。雖然目前學界已經針對纖維微表處開展大量研究，但針對不同類型纖維微表處的對比研究數量和質量均相對較少[8]。本文由此出發，通過室內試驗的方式分析對比了玄武巖纖維、木質素纖維和聚丙烯纖維在不同摻量條件下的路用性能水平，希望為纖維微表處預防性養護工程的實踐提供參考。

1 原材料

1.1 改性乳化瀝青

該試驗采用70#瀝青作為基質瀝青，摻入4%的SBS，選用慢裂快凝型陽離子瀝青乳化劑，獲得SBS改性乳化瀝青。該材料蒸發殘留物含量試驗為62.8%，大于60%規范值，篩余量為0.03%，在0.1%的規范要求以內，1d存儲穩定性和5d存儲穩定性分別為0.55、2.9，軟化點和延度、針入度分別為60℃、27cm和59mm，均符合標準要求。

1.2 礦料

試驗選用礦料為石灰石料，粒徑包含5mm～10mm、3mm～5mm和0mm～3mm，各組礦料性能水平均符合工程規范要求。

1.3 纖維

試驗選用纖維材料分別為聚丙烯纖維、木質素纖維和玄武巖纖維，長度均為6mm。其中，玄武巖纖維密度為2.64g/cm3，當量直徑為6mm，斷裂延伸率為3.2%，抗拉強度為1260MPa；木質素纖維密度為2.47g/cm3，當量直徑為10mm，斷裂延伸率為9.3%，抗拉強度為310MPa；聚丙烯纖維當量直徑為30mm～40mm，密度為0.92g/cm3，斷裂延伸率高于15%，抗拉強度大于270MPa。

1.4 填料

試驗填料包含石灰石礦粉、P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

2 纖維微表處混合料的配合比設計及其制備

2.1 配合比設計

使用MS-3型級配作為上述三種纖維混合料的級配類型，設定用水量、最佳油石比和水泥摻量分別為7%、0.2%和0.2%，使用不同纖維摻量，具體為0.3%、0.25%、0.2%、0.15%、0.1%、0.05%和0。具體級配如表1所示。

表1 纖維微表處混合料級配

2.2 微表處混合料試件制備

將前期準備的不同組纖維、礦粉和水泥加入粒徑為0mm～3mm的石灰石料中，攪拌均勻后再加入粒徑為3mm～5mm、5mm～10mm的石灰石料，分別攪拌均勻后加水，放入SBS改性乳化瀝青并繼續攪拌，直到所得混合料具有良好流動狀態為止，制備并測試試件路用性能。

3 纖維微表處混合料路用性能分析

以《微表處和稀漿封層技術指南》為依據，對三組纖維微表處混合料開展濕輪磨耗試驗，其中抗磨耗能力評價指標以1h濕輪磨耗值為依據，抗水損害能力評價指標以6d磨耗值為依據[9]。

3.1 抗磨耗性能

對三組材料開展1h濕輪磨耗試驗，結果顯示，三種纖維微表處混合料1h濕輪磨耗值均隨纖維摻量增加而表現出先增加后降低的趨勢，其中，纖維微表處磨耗值在纖維摻量0.3%時快速增長，且增長均超出《微表處和稀漿封層技術指南》明確的540g/m2，究其原因在于，摻入適量纖維時，纖維材料吸附了微表處混合料中存在的過量瀝青，有效提升了集料黏聚力，進而提高了微表處混合料抗磨耗能力[10]。而隨著纖維摻量進一步增加，瀝青已經難以完全包裹纖維材料，降低了集料黏聚力，宏觀表現為微表處混合料抗磨耗性能下降。

3.2 抗水損性能

對三組材料開展6h濕輪磨耗試驗，具體結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著纖維摻量增加，三種纖維微表處混合料6d濕輪磨耗值的變化趨勢均為先減小后增加。其中，纖維摻量從0%增加至0.1%時，三組纖維微表處混合料6d磨耗值均有所降低，原因在于在混合料中摻入適量纖維后，混合料內部多余瀝青包裹纖維，強化黏結力的同時降低磨耗值。而當混合料中纖維摻量增加至0.3%時，纖維微表處磨耗值顯著增加，其中，聚丙烯纖維、玄武巖纖維磨耗值均小于800g/m2，符合相關規定要求[11]。該線性原因在于摻入過量纖維后瀝青已經難以完全包裹纖維材料，纖維分散性能下降，最終表現為材料抗水損能力下降。

3.3 抗輪轍變形能力

以《微表處和稀漿封層技術指南》中描述為依據，對三種纖維微表處混合料開展抗輪轍變形試驗，結果如圖2所示。

圖2 纖維微表處混合料輪寬變形率變化曲線

由圖2可知，纖維摻量相同條件下，玄武巖纖維微表處變化最小，聚丙烯纖維微表處和木質素纖維微表處依次增大。該結果說明玄武巖纖維微表處具有最強的抗車轍變形能力。究其原因在于木質素纖維吸油量曲線呈分散性排布，且吸油量較大，而聚丙烯纖維、玄武巖纖維吸油量呈線性排布，吸油量較小，因而具有較強的抗車轍變形能力[2]。三組微表處混合料輪轍寬度變形率隨纖維摻量增加均表現出先降低后增加的發展趨勢。其中，纖維摻量從0%提升至2%的過程中，三組纖維微表處混合料車轍寬度變形率就有所降低，而纖維摻量進一步增加至0.3%時，車轍寬度變形率顯著提升，原因在于摻加適量纖維后，纖維吸附混合料中存在的自由瀝青，增加了集料表面瀝青膜厚度，進一步提高了微表處抗車轍變形能力。而瀝青摻量增加后，混合料中瀝青不能完全包裹集料，降低瀝青膜寬度的同時，削弱了微表處混合料抗車轍變形能力。

3.4 低溫抗裂性能

使用MTS室內小梁彎曲試驗機測試纖維微表處混合料低溫抗裂性能，將試驗機加載速度設定為50mm/min，處理三組纖維微表處混合料后獲得其彎拉強度、最大拉應力變化情況，如圖3、圖4所示。

圖3 彎拉強度

圖4 最大彎拉應力

由圖4可知，隨纖維摻量增加，三種纖維微表處混合料彎拉強度和最大彎拉應力均不斷增大。其中，未摻加纖維微表處混合料最大彎拉應力為3248μ∈，抗彎拉應力為3.49MPa。摻加纖維量達到3%時，聚丙烯纖維、玄武巖纖維和木質素纖維的抗彎拉強度分別提高至5.31MPa、5.47MPa和4.65MPa，最大彎拉應力分別提升至5059μ∈、4937μ∈和4326μ∈。這一結果表明，在微表處混合料中摻入纖維，能夠有效改良其低溫抗裂性能。究其原因在于摻入適量纖維后，微表處混合料裂紋擴展得到抑制，混合料抗變形能力、韌性都顯著提升，進而強化了微表處低溫抗裂性能。

4 結束語

微表處混合料抗水損性能、抗磨耗性能和抗車轍變形能力均會隨纖維摻量增加而表現出先降低后增加的變化，其中，摻加0.1%纖維時，混合料的抗水損性能、抗磨耗性能達到最高值，摻加0.2%纖維時，混合料微表處抗車轍變形性能達到最大值。纖維含量提升，微表處混合料低溫抗裂性能不斷提升，原因在于纖維的摻入限制了微表處混合料裂紋發展。結合低溫抗裂性能測試、抗車轍變形能力測試、抗水損性能和抗磨耗性能來看，摻加0.2%玄武巖纖維的微表處混合料具有最好的路用性能，推薦應用該材料開展預防性養護工程。