多級配下纖維摻量對瀝青混合料性能影響研究

朱旭志

（新疆大學建筑工程學院）

新疆地區年、日溫差大，冷熱懸殊，形成了大溫差地區，其中最熱和最冷的路面面層溫差達100℃以上[1]，區域氣候復雜多變。隨著國家“一帶一路”等項目的開展，新疆公路交通量不斷增長，重載交通占比逐年提高[2]，極易產生路面車轍、低溫開裂、疲勞損害等病害[3]，降低公路服役年限，增加道路維修養護費用。因此對于改善瀝青路面有效使用壽命、合理利用材料性能、使瀝青路面經濟效益達到最優等問題顯得十分重要。纖維是一種加固材料，具有強度高、耐磨耐用和重量輕等優點，已被普遍用于瀝青道路工程中[4～7]。已有研究表明，纖維對瀝青混合料具有增粘、穩定、加筋作用等[8～10]，能夠提高瀝青混合料的整體路用性能強度。可見，國內外學者大多研究纖維對瀝青混合料性能的影響，缺乏纖維性能與經濟效益的對比研究，而密級配抵抗惡劣環境更強[11]。本文基于室內試驗將礦物纖維（玄武巖纖維）和聚合物纖維（聚酯纖維）摻入兩種密級配（AC-13 和AC-25）系統的研究在保證其路用性能條件下纖維級配與經濟效益的關系，為實際施工應用提供數據參考。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

采用新疆克拉瑪依90#石油瀝青，粗、細集料均為石灰巖，纖維選擇玄武巖纖維和聚酯纖維。原材料各項性能指標見表1～表4，各項性能滿足相關規范[12]要求。

表1 集料技術指標

表2 礦粉技術指標

表4 纖維技術指標

1.2 試驗設計

選擇AC-13 和AC-25 瀝青混合料，選用聚酯纖維和玄武巖纖維，大量文獻表明纖維摻量在0.3%附近[13～15]，故在兩種級配的瀝青混合料纖維摻量均設置為0、0.15%、0.3%、0.45%，研究纖維種類、摻量和級配對瀝青混合料路用性能及經濟效益影響規律。方案見表5。

表5 試驗設計方案

2 試驗結果及分析

2.1 高溫穩定性能

為研究纖維摻量及級配對瀝青混合料高溫性能的影響，采用車轍試驗評價瀝青混合料高溫穩定性能，試驗依據參考規范[16]，試驗在60℃下進行。車轍試驗動穩定度數據及纖維摻量變化曲線見圖1，圖中虛線為規范[17]要求標準。

圖1 車轍試驗動穩定度試驗結果及纖維摻量變化曲線

由圖1 可知，各試驗分組的高溫穩定性能均能滿足要求。與不摻入纖維的試驗組相比，各試驗組的動穩定度均有較明顯的提高，但隨著纖維摻量的不斷提高，動穩定度性能呈現先增大再減小的趨勢，這是因為低摻量的纖維能夠很好的混合在瀝青和集料中，從而增強了瀝青混合料的整體性，起到增強增韌的作用。但隨著纖維摻量不斷增大時，相較于集料，纖維分配不均勻更容易優先吸附瀝青產生“團聚”現象，且在最終試件成型后很可能出現薄弱位置從而使車轍動穩定度下降，總體來說纖維還是能夠是瀝青混合料抗車轍變形能力得到有效增強。當纖維摻量分別達到0.2%、0.3%時，纖維對瀝青混合料的動穩定度效果最好。與不摻纖維的瀝青混合料相比，AC-13 聚酯纖維和AC-13 玄武巖纖維車轍動穩定度分別提升了84.9%和64.5%。AC-25 聚酯纖維和AC-25 玄武巖纖維車轍動穩定度分別提升了41.2%和53.4%。可以看出在AC-13 級配中，對瀝青混合料的高溫抗車轍性能提升最佳的是聚酯纖維；AC-25 級配中，玄武巖纖維對瀝青混合料高溫性能的提升效果最好。可以看出在纖維摻量為0.25%和0.3%時，各試驗分組的車轍動穩定度性能趨向一致，當纖維摻量繼續增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢，因此纖維摻量在0.25%附近時，性能與經濟效益的性價比最好。

2.2 低溫抗裂性能

本文采用小梁彎曲試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性能，首先通過輪碾儀成型車轍板試件后，切割成規范規定尺寸的棱柱體小梁試件，在-10℃試驗溫度加載速率為50mm/min 下進行試驗。低溫彎曲最大彎拉應變試驗數據及纖維摻量變化曲線見圖2，圖中虛線為規范要求標準。

圖2 最大彎拉應變試驗結果及纖維摻量變化曲線

由圖2 知，14 組試驗均滿足規范要求，且與不摻纖維瀝青混合料試驗組相比，各試驗分組的最大彎拉應變均有較明顯的提升，最大彎拉應變隨著纖維的摻量先增加后減小。這是因為纖維的加入使瀝青和集料之間的結合更加緊密，限制了裂縫的發生和擴展，降低了應力水平的敏感性，纖維摻量過多的結果與2.1 節類似。當纖維摻量分別為0.15%、0.3%時，對應的瀝青混合最大彎拉應變達到最高點。與不摻纖維的瀝青混合料相比，AC-13聚酯纖維和AC-13玄武巖纖維最大彎拉應變分別提升了22.7%和50.3%。AC-25 聚酯纖維和AC-25 玄武巖纖維最大彎拉應變分別提升了14.8%和38.9%。可以看出AC-13 級配玄武巖纖維低溫性能提升最好，AC-25級配玄武巖纖維低溫性能提升最好。可以看出在纖維摻量為0.25%時，各級配的低溫性能趨向一致，當纖維摻量繼續增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢，因此該纖維摻量下低溫性能和經濟效益的性價比最好。

2.3 水穩定性能

本文采用凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩定性能，參考規范，試件通過馬歇爾擊實儀獲得，循環完成后在25℃和50mm/min加載速率下進行試驗。凍融劈裂強度比試驗數據及纖維摻量變化曲線見圖3，圖中虛線為規范要求標準。

圖3 凍融劈裂強度比試驗數據及纖維摻量變化曲線

由圖3 可知，14 組試驗結果均滿足規范性能要求，且各試驗組合相較于不摻纖維，凍融劈裂強度均有較明顯的提升，且隨著纖維摻量不斷增加，瀝青混合料的凍融強度比先增大后減小。AC-13 級配中聚酯纖維的摻量為0.25%、玄武巖纖維為0.3%時，AC-25級配中聚酯纖維的摻量為0.3%、玄武巖纖維為0.35%時，對應的瀝青混合凍融強度比最大，瀝青混合料水穩定性能最好。與普通瀝青混合料相比，AC-13 級配下聚酯纖維瀝青混合料和玄武巖纖維的凍融劈裂強度比分別提升了5.9%和4.3%。AC-25 級配下聚酯纖維瀝青混合料和玄武巖纖維的凍融劈裂強度比分別提升了9.4%和8.7%。可以看出纖維摻量在0.3%附近時，各級配凍融劈裂強度比性能趨向一致，當纖維摻量繼續增加后，性能提升不明顯且有下降趨勢，因此纖維摻量為0.3%的性能與經濟效益的性價比最好。

綜上所述，高溫性能方面，摻入聚酯纖維的瀝青混合料效果比摻入玄武巖纖維的瀝青混合料性能好，低溫性能方面摻入玄武巖纖維的瀝青混合料性能比摻入聚酯纖維的性能好，水穩定性能和材料性能方面，兩種纖維相比提高性能效果差距不大。

3 結論

本文通過對聚酯纖維和玄武巖纖維瀝青混合料路用性能的系統研究，得出如下結論：

⑴在高溫穩定性和低溫抗裂性能方面，摻入纖維的瀝青混合料相較于不摻纖維提高效果較為明顯，與不摻纖維相比，摻入聚酯纖維和玄武巖纖維的AC-13 級配分別最高可提升84.9%和64.5%的動穩定度、22.7%和50.3%的最大彎拉應變，AC-25 級配分可提升41.2%和53.4%的動穩定度、14.8%和38.9%的最大彎拉應變。

⑵聚酯纖維和玄武巖纖維能增強瀝青混合料的水穩定性，與不摻纖維相比，AC-13 級配摻入纖維提升瀝青混合料的性能不太明顯，摻入0.35%的聚酯纖維和玄武巖纖維的AC-13 級配分別可提升5.9%和4.3%的凍融強度比，AC-25級配性能提升明顯分可提升9.4%和8.7%的凍融強度比。

⑶綜合分析纖維摻量及類型對不同級配瀝青混合性能影響，應充分考慮經濟效益影響，纖維摻量應控制在合理范圍內，不宜過低或過高。