纤维加固沥青混合料的路用性能试验研究

2018-10-09朱先智

城市道桥与防洪 2018年9期

朱先智

（深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

随着我国交通运输产业的爆发式增长，道路路面的使用寿命备受关注，探索具有长寿命及稳定性能的路面结构成为研究热点[1]。沥青路面的长期性能主要体现在对车辆及环境荷载效应的抵抗能力，车辆荷载对道路路面的作用取决于车轮压力、交通流量、车辆速度等参量，而环境对道路的作用包括温度效应、水作用、冻融循环等，为了提高沥青路面的长期性能，可通过改善路面构造或者改进沥青混合料性能等方法实现。

纤维沥青路面是在沥青混合料中掺入纤维素和聚合物形成复合材料，可以显著提高沥青路面的力学性能，从而提高其对车辆与环境荷载的抵抗能力，相对传统沥青路面具有更长的使用寿命。Serf ys和Sam anos[3]在沥青混凝土中掺入石棉、岩棉、玻璃纤维和纤维素，研究发现可以显著提高沥青软化点，改善抗裂性、抗疲劳性和防水性。陈华鑫等[2]开展了不同级配沥青混合料的车辙试验、低温弯曲和弯曲蠕变试验、疲劳和耐水试验等，验证了纤维良好的改善效应。黄春水和陈丽芳[4]研究了聚酯纤维沥青混凝土的弯曲性能，说明通过改进纤维特征参量改变沥青混凝土性能的方法。

这些研究证明纤维类型不同，对改善沥青混凝土性能有所差异。石棉、聚酯和尼龙是国内三种典型的纤维类型，本文研究这三种纤维加固沥青混合料的性能，开展试验研究，为探索长期性能路面提供参考。

1 试验设计

1.1 纤维的物理特性

该试验通过在沥青混合料中掺入纤维改善其力学及路用性能，所用沥青混合料包含石灰石骨料和含量为60/70的纯沥青，所用纤维有三种，分别是石棉纤维和由废弃轮胎回收的尼龙和聚酯。考虑到包含纤维的沥青混合料主要用在道路面层的表面，因此选用名义最大尺寸19 m m的粗骨料粒径，以提高其路用性能。尼龙和聚酯可以通过废弃的轮胎提取，废弃轮胎是环境重大污染源且难以降解，通过本研究可以更加明确废弃轮胎的再利用方向。表1和表2分别给出了石棉纤维、回收聚酯和尼龙的物理特性参数。

表1 石棉纤维的物理特性

表2 聚酯和尼龙的物理特性

在纤维沥青混合过程中，应该保证各类材料的混合均匀以确保材料各处的力学性能一致。相关研究表明[2-3]：60/70沥青与骨料混合的最小和最大温度应该是130℃和170℃，因此，在本文研究中沥青容器首先加热到140℃，然后再把纤维加入沥青中拌合均匀。相对于聚酯和尼龙，石棉纤维的长度不一，因此能够更均匀地混合到沥青表面。

1.2 试验内容及概述

为研究纤维对沥青路面的影响，首先需要分析纤维对沥青性能的影响，其次研究纤维对沥青混凝土混合料性能的影响，从而研究纤维加固沥青路面的设计方法。

首先，纤维含量掺入不同，相应的沥青力学性能也有差异。为了掌握沥青对纤维含量的敏感性，基于文献调研结果，本文分别采用纤维对沥青重量比为3%,6%,9%,12%的试样进行软化点和渗透性试验，分析不同掺量对沥青性能的影响。

其次，研究纤维对沥青混凝土混合料的影响，就需要确定最优的纤维与沥青混合料的配比。本文，采用ASTM D 1559-82方法进行马歇尔配合比设计，试件的纤维含量分别为占混合料总重的0%,0.2%,0.4%和0.6%。

最后，按照AASH TO T 283-85进行干燥和潮湿条件下的间接拉伸试验以测定沥青混合料的拉伸强度和长期性能。对干燥和潮湿拉伸强度、潮湿和干燥韧性以及韧性损失进行计算。

2 试验结果

2.1 沥青试验

针对纤维对沥青软化点和渗透度的影响分别开展了试验，如图1所示，结果显示不同的纤维对沥青重量比值对沥青软化点和渗透度具有显著影响。图1（a）显示随着纤维掺入量增加沥青的软化点逐渐提高，以石棉纤维为例，其软化点从无纤维掺入的51℃提高到12%纤维掺入量的89℃；图1（b）显示随着纤维掺入量增加沥青的渗透度逐步降低，同样以石棉纤维为例，其渗透度从无纤维掺入的65 m m降低到12%纤维掺入量的26 m m。说明，随着纤维掺入量的提高，沥青的物理性能得到逐步改善。

图1 不同纤维掺入量对沥青性能的影响

更详细的：石棉沥青具有最低的渗透点和最高的软化点，聚酯沥青则具有最高的渗透点和最低的软化点。导致上述差别的原因包括尺寸、形状、纤维数量和吸收侧面积、表面的物理状态（粗糙还是光滑）和纤维类型。聚酯纤维表面光滑均匀，石棉表面粗糙使得其引起的横向表面更大；石棉纤维的长度是可变的，但尼龙纤维的长度是恒定的，可变长度的石棉纤维导致比其他混合物更均匀的分布。因此纤维会导致沥青硬化。

2.2 马歇尔试验

通过马歇尔试验确定不同纤维类型的最佳混合料油石比，图2给出纤维掺入比例是0,0.2%,0.4%和0.6%下最佳沥青配比的变化，该纤维比例是纤维对混合料的比重。可以看到总体上最优沥青含量随着纤维含量的增加而增加，这是因为在纤维沥青混合料中沥青需要增加到纤维表面并将其包围涂层。同时，石棉纤维相对尼龙和聚酯具有更高的最优沥青含量，因为石棉纤维具有更多的侧边面、高吸收（中空纤维）和粗糙表面，相对于其他纤维具有最高水平的最佳沥青配比。纤维沥青混凝土中的最高和最低的最佳沥青含量配比是0.6%石棉纤维和0.2%聚酯纤维。试验结果说明沥青厚度增加，提高了混合物分离的抵抗性，使路面具有更好抗裂性。

图2 不同纤维比例下最佳沥青配比

图3给出了最佳沥青配比下不同纤维占混合料的比例对混合料马歇尔稳定度的影响，含纤维的沥青混凝土样本相对于对照组具有较低的马歇尔稳定性，降低12.3～26%不等。随着纤维含量增加，由于最优沥青含量高，马歇尔稳定性下降。马歇尔稳定性的最大和最小值分别是含有0.2%石棉纤维和0.6%尼龙纤维的样本，根据相关规范重载交通路面的沥青混合料马歇尔稳定性最小控制值为6 672 N，满足要求。

图3 不同纤维比例下的马歇尔稳定度

表3给出了最佳沥青配比下沥青混合料的马歇尔试验样本的结果，可以看出含有纤维的沥青混凝土的马歇尔流动性比对照样本要大（7.3～48.8%），且当纤维含量增加时，马歇尔流动性也随着增加。马歇尔流动性最大值和最小值分别是含有0.6%聚酯纤维和0.2%石棉的样本。同样根据规范，沥青混凝土混合料的马歇尔流动性最小值和最大值分别是8%和16%。因此，所有的沥青混凝土混合物流动性，除了含有0.6%的聚酯混合物，均满足要求。

表3 最佳沥青配比下沥青混合料的马歇尔试验结果

2.3 间接拉伸试验

开展了干燥和潮湿环境下的间接拉伸试验，以评估纤维沥青混合料的力学性能及长期性能。

图4绘制了0.4%纤维含量干燥状态下不同纤维类型的拉伸强度与位移变化关系。可知在干燥状态下含纤维的沥青混合料抗拉强度小于对照样品（1～26.3%）；当纤维量增加，拉伸强度下降，这是因为沥青混合料具有比无纤维混合物更大的灵活性。此外，在同等纤维含量下，含有石棉沥青混合料相比含有尼龙和聚酯的混合物在干燥状态下有更高的抗拉强度，形成该结果的原因是石棉纤维的长度具有变化性，因此与沥青等混合更加均匀，且石棉纤维的粗糙表面提高了沥青混合料的抗拉强度。聚酯纤维与尼龙纤维沥青混凝土的抗拉强度差异不显著。然而，含纤维的沥青混合料在潮湿状态下最大抗拉强度大于控制样品（除0.6%的尼龙和聚酯纤维的混合物）。因为含有纤维的混合物比控制样品有更高的最佳沥青含量，增加最佳沥青含量的百分比会增加沥青涂层的厚度。

表4给出了不同含量的石棉、尼龙和聚酯纤维与控制样本的沥青混凝土混合物的拉伸强度比的变化。抗拉强度越大说明沥青混凝土在环境条件下的耐久性越高。表中可见含纤维混合物的抗拉强度大于对照试样。最大和最小的拉伸强度对应的掺入量分别是0.6%的石棉纤维和0.6%的聚酯纤维。研究还发现随着石棉纤维的增加，石棉纤维混合料拉伸强度也增加，但对于聚酯和尼龙纤维规律则相反。这是因为对于聚酯和尼龙而言，含有纤维混合物比对照样品有更多的孔隙，空气和水的混合物容易渗透导致拉伸强度降低。说明对于石棉应该增加纤维以提高其长期性能，但对于聚酯和尼龙则可以适当控制纤维量以提高其长期性能。

图4 干燥状态下纤维沥青混凝土的拉伸强度与位移变化关系

表4 不同纤维含量下沥青混合料拉伸强度

影响沥青路面长期性能的主要因素是水损害，因此除了上述的拉伸强度和拉伸强度掺入量比之外，也对韧性和韧性损失等参量进行了分析。应力应变曲线下的面积越大则沥青混合料的韧性（能量吸收能力）也更高。根据图4计算其韧性，结果如表5所示，可以看出，含有纤维的沥青混合料的干和湿韧性均高于对照样品，且随着纤维增加韧性增加。这是因为纤维增加使得沥青混合料更柔韧，因此其变形增加，拉伸强度变形曲线下的区域较大，从而韧性增加。此外，随着纤维含量增加，沥青混合料韧性损失的百分比减小，它表明抵抗由水分引起的损害，随着沥青骨料的纤维涂层的厚度增加而增加。根据间接拉伸试验结果（曲线延伸下降比率的间接比值），发现纤维的最佳比例分别为含有0.6%石棉纤维，0.4%尼龙和0.4%聚酯。