马尚

（扬州市公路事业发展中心，江苏扬州225007）

0 引言

由于在运输过程中存在重载、超载等问题，导致路面出现各种早期损坏严重的现象，这为我国带来了巨大的经济损失[1]。研究表明，这种路面早期破损严重的现象除了与上述客观因素有关外，还与沥青混合料的抗剪性能有关[2]。相关试验及实践证明，添加纤维能够显著改善沥青混合料的路用性能，且能长时间保持，可降低道路后期的养护成本[3]。但目前的相关研究多集中在纤维类型、掺量等对沥青混合料其他路用性能的影响方面[4]。关于纤维对沥青混合料的抗剪强度，尤其是抗剪参数（内摩擦角和黏聚力）的影响的研究较少[5]。

在沥青混合料抗剪强度研究方面，孙立军基于既往研究总结了沥青混合料的抗剪性能及试验方法后，开发了单轴贯入试验方法[6]。Zhu.H等研究者提出了一种正应力条件下的扭剪试验方法[7]。其原理是通过齿条和齿轮将垂直力转化为扭矩，从而使圆形截面试样发生剪切。经理论分析和室内试验，试验的破坏模式为剪切破坏，可用于评价沥青混合料的剪切性能。邵显智对沥青混合料在不同条件下进行了单轴贯入试验，如集料性质、级配类型、沥青种类与温度变化等，同时研究了沥青混合料在不同因素条件下抗剪强度的变化[8]。杨军[9]、朱浩然[10]等研究者通过开展三轴剪切试验，认为剪切流动是车辙产生的主要原因，得出级配、最佳沥青用量、沥青黏度、试验温度对黏聚力和内摩擦角的影响规律。

因此，拟采用聚丙烯纤维和AC-13级配，研究纤维对沥青混合料剪切参数（抗剪强度、内摩擦角、黏聚力）的影响，这对理解和指导纤维沥青混合料设计具有一定的现实意义。

1 原材料

该试验采用成品SBS改性沥青（PG76-22）、聚丙烯纤维（由江苏某厂家提供，长度为6mm，直径为20μm）、石灰岩集料和石灰岩矿粉等材料，集料性能均满足相关规范要求（SBS改性沥青性能指标试验结果见表1）。

表1 SBS改性沥青性能指标及试验结果

2 沥青混合料组成设计

共设计四种纤维掺量的AC-13沥青混合料，纤维掺量分别为沥青混合料质量的0%、0.2%、0.3%和0.4%。以《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）为参考，对AC-13沥青混合料进行级配设计，根据反复调试，最终确定的级配如表2所示，四种沥青混合料的组成设计结果如表3所示。

表2 AC-13沥青混合料级配设计

表3 AC-13沥青混合料组成设计结果

3 试验方法

采取单轴贯入试验测试沥青混合料的抗剪强度，该方法由同济大学孙立军提出，操作方便，适用性强。单轴压缩试验相当于是围压为零时的三轴剪切试验，因此结合单轴贯入试验和单轴压缩试验，即可计算出沥青混合料的抗剪参数（内摩擦角和黏聚力）。

4 试验结果与分析

4.1 单轴贯入试验和单轴压缩试验结果与分析

该研究选用单轴贯入试验和单轴压缩试验分别对不同纤维掺量的AC-13沥青混合料进行测试，每种试样各制备三个平行试件，去除变异值后取其平均值作为极限荷载的最终值，试验结果如表4、表5所示。

表5 AC-13单轴压缩试验结果

由表4可知，相对于较普通的AC-13沥青混合料，当其中的聚丙烯纤维含量增加到0.2%、0.3%、0.4%时，AC-13沥青混合料的抗剪强度可增大8.8%、13.4%、24.1%。这是由于将聚丙烯纤维添加到沥青混合料中，会在其内部形成较为稳定的三维网状结构，沥青胶浆的黏结力会在一定程度上限制内部细小颗粒的移动，在纤维直径不变的情况下，纤维掺量增加，便会增加沥青混合料内部的纤维根数，从而加强三维网状结构，使混合料的抗剪强度明显提升。

表4 AC-13单轴贯入试验结果

由表5可知，与普通AC-13沥青混合料相比，掺加聚丙烯纤维的AC-13沥青混合料的压缩强度明显提高，当纤维掺量为0.2%、0.3%、0.4%时，压缩强度分别增加8.2%、13.5%、21.3%，即混合料的压缩强度随纤维掺量的增加而增加。这是因为聚丙烯纤维与沥青混合料有较好的黏合性，能有效阻止胶浆流动，纤维掺量增加，会更大程度地阻止胶浆流动，使混合料的压缩强度增加。可见，在沥青混合料中合理加入聚丙烯纤维可明显提高其压缩强度。

4.2 沥青混合料抗剪参数分析

根据抗剪强度和压缩强度数据，可计算不同纤维掺量下沥青混合料的黏聚力及内摩擦角，计算结果如表6所示。

表6 AC-13抗剪参数计算结果

由表6可知，与普通的AC-13沥青混合料相比，掺加聚丙烯纤维的AC-13沥青混合料的黏聚力（c）值有所提高。这是因为将纤维掺入沥青混合料，会形成纤维沥青胶浆，在一定程度上对混合物起到加强稳固的作用，从而提高混合物内部细小颗粒间的黏聚力。与普通的AC-13沥青混合料相比，聚丙烯纤维AC-13沥青混合料的内摩擦角增加范围在0%～0.4%，变化幅度很小，且不同纤维掺量下，混合料的内摩擦角并没有明显的变化规律。因此可得出：AC-13沥青混合料的黏聚力会随纤维掺入量的增加而增加，但纤维掺量的变化对内摩擦角的影响甚微。这主要是由于在AC-13沥青混合料中加入一定量的聚丙烯纤维，会在混合料内部形成三维网状结构，纤维对混合料中的胶浆有增黏作用，在一定范围内，纤维掺量越大，对混合料的增黏作用越强，从而会增强混合料的黏聚力；而AC-13沥青混合料是“悬浮-密实”结构，集料在其中无法形成骨架，故混合料的内摩擦角趋于稳定。

5 结论

就聚丙烯纤维对AC-13沥青混合料抗剪强度和抗剪参数（黏聚力和内摩擦角）的影响进行研究，得出如下结论：

第一，普通AC-13沥青混合料的最佳油石比确定为4.9%，纤维掺量分别为0.2%、0.3%和0.4%的沥青混合料的最佳油石比为5%、5%、5.1%，说明掺加纤维会提升AC13沥青混合料的最佳油石比。

第二，聚丙烯纤维能够提升AC-13沥青混合料的抗剪强度和压缩强度，当纤维掺量为0.2%、0.3%、0.4%时，抗剪强度分别增加8.8%、13.4%、24.1%，压缩强度分别增加8.2%、13.5%、21.3%，说明聚丙烯纤维在混合料内部形成三维网、与沥青有效黏结，可改善AC-13沥青混合料的力学性能。

第三，将聚丙烯纤维掺入AC-13沥青混合料中，可提高混合料的黏聚力，且黏聚力的提高与一定范围内的纤维掺量呈正相关，但纤维掺量对内摩擦角的影响甚微，这是由AC-13沥青混合料的“悬浮-密实”结构决定的。