聚酯纖維摻量對透水性瀝青混合料水穩性影響＊

吳金榮 紀方利 馬芹永

（安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心 淮南 232001）

0 引 言

透水性瀝青混合料在雨天能夠及時排除路表面積水.排水時，水的流動會產生很大的動水壓力和沖刷力，破壞了瀝青與集料間的粘結性［1］，同時在長期有水的情況下工作，再加上其特有的大空隙結構，使得其更容易受到水的侵蝕而損壞，產生飛散、剝落等病害，進而影響其正常使用.因此，對透水性瀝青混合料進行水穩性研究十分必要.

透水性瀝青混合料的空隙率一般在20%左右，單獨使用改性瀝青不能滿足使用要求，必須外摻纖維［2］，增大集料的比表面積，使透水層的抗剪切能力得到增強，防止透水性瀝青混合料在生產、運輸和鋪筑過程中發生流淌現象，同時能夠增大瀝青膜厚，使其強度和耐久性得到增強.采用改性瀝青加纖維替代昂貴的高黏度改性瀝青，以達到降低透水性瀝青路面的造價、節約建設成本，同時又能保證透水性瀝青路面使用功能的目的.

以粗細集料、礦粉、改性瀝青和聚酯纖維配制透水性瀝青混合料，實施6種不同聚酯纖維摻量下的凍融劈裂試驗，研究聚酯纖維摻量對其水穩性的影響，并對其水損害的破壞機理進行分析，為透水性瀝青路面的推廣應用提供理論依據.

1 配合比設計

1.1 原材料

粗細集料均采用石灰巖集料；填料采用石灰巖磨細的礦粉，占集料總質量的4%；瀝青采用SBS改性瀝青［3］，纖維采用潤方路用聚酯纖維.各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40）的規定.

1.2 目標空隙率

透水性瀝青路面的目標空隙率與降雨強度緊密相關，表1給出了華東地區的降雨強度，以及空隙率要求［4］.

通過對交通事故的統計調查發現，降雨強度為小雨和中雨時，交通事故的發生率明顯高于大雨時的情況，因此透水性瀝青路面的空隙率應主要考慮小雨和中雨時的排水要求.由表1可知，此時的空隙率為14.1%～18.6%.透水性瀝青路面在使用過程中，灰塵雜物會堵塞空隙，同時經過車輛荷載的反復碾壓，空隙率會逐年下降，設計時空隙率一般取上限值.

透水性瀝青混合料的空隙率越大，透水性能越好，但是結構強度越低，耐久性越差［5］.反之，透水性瀝青混合料的空隙率越小，結構強度越高，耐久性越好，但透水性越差.設計時應綜合考慮透水性瀝青混合料的功能性和結構性，確定其目標空隙率.綜合考慮以上各種因素，透水性瀝青混合料的目標空隙率確定為20%左右.

表1 不同降雨強度的空隙率要求

1.3 礦料級配

根據道路等級、交通特點和降雨量，采用細粒式PAC－13型透水性瀝青混合料，級配見表2.

表2 礦料級配

1.4 最佳瀝青用量

最佳瀝青用量的確定分為2步，先選擇合理的瀝青膜厚，計算出初始瀝青用量；然后采用析漏試驗確定最佳瀝青用量，并用馬歇爾試驗進行校核.瀝青膜厚取14μm［6］，得到初始瀝青用量為4.9%.當不摻聚酯纖維時，由析漏試驗確定的最佳瀝青用量為4.95%；摻加纖維后，纖維摻量每增加0.5%，最佳瀝青用量增加0.05%.

2 試驗方法

凍融劈裂試驗設計的凍融溫差為78℃，凍的溫度為－18℃，融的溫度為60℃.將每種聚酯纖維摻量試件隨機的分成2組，每組4個.一組試件放在室溫的平臺上備用.另一組試件先進行飽水率試驗，然后取出試件放入裝有10mL水的塑料袋中，扎緊袋口，將試件放入－18℃的恒溫冰箱中冷凍（16±1）h；取出試件，撤去塑料袋，立即放入（60±0.5）℃的恒溫水槽中，保溫24h.最后將兩組試件都放入（25±0.5）℃的恒溫水槽中保溫不少于2h.注意保溫時試件之間應留有至少10 mm的間隙.完成上述步驟后即可以50mm／min的加載速率進行劈裂試驗，得到用于評價透水性瀝青混合料水穩性的凍融劈裂抗拉強度比.

3 試驗結果與分析

將粗集料、細集料、改性瀝青、礦粉，摻加0，0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%的聚酯纖維按設計級配拌制透水性瀝青混合料，采用擊實法雙面擊實50次成型標準馬歇爾試件，試件直徑為101.6mm，高度為63.5mm.試件按照聚酯纖維摻量的不同分為6組，每組8個試件，其中4個試件用于未凍融劈裂試驗，其余4個試件用于凍融劈裂試驗.總共48個試件.試驗結果均為4個試件的平均值.

3.1 聚酯纖維對飽水率影響

飽水率是衡量瀝青混合料試件在規定的真空條件下吸水能力的指標，是試件真空飽水后的表干質量與試件干質量的比值.透水性瀝青混合料的飽水率與聚酯纖維摻量的關系見圖1.

圖1 飽水率與聚酯纖維摻量關系

由圖1可知，透水性瀝青混合料的飽水率隨著聚酯纖維摻量的增大呈現先減小后增大的變化規律.當聚酯纖維摻量由0增大至0.4%時，試件飽水率由2.87%下降至2.12%；當聚酯纖維摻量繼續增大并達到0.5%時，飽水率不再下降，而是隨著聚酯纖維摻量的增大而增大，由2.12%增大至2.85%，接近于不摻纖維時的飽水率2.87%.摻聚酯纖維的透水性瀝青混合料的飽水率均低于不摻聚酯纖維的飽水率，說明摻加聚酯纖維能夠減小透水性瀝青混合料的飽水率，但并不是聚酯纖維摻加的越多，飽水率就越小.與不摻纖維時相比，其飽水率分別下降了15.0%，15.7%，26.1%，5.2%，0.7%，聚酯纖維摻量小于0.4%的飽水率下降幅度明顯高于摻量大于0.4%，在聚酯纖維摻量為0.4%時達到最大的降幅26.1%，此時飽水率也達到最小值2.12%.

3.2 聚酯纖維對劈裂抗拉強度影響

透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強度與聚酯纖維摻量的關系見圖2.

圖2 劈裂抗拉強度與聚酯纖維摻量關系

由圖2可知，透水性瀝青混合料的凍融前后劈裂抗拉強度均隨著聚酯纖維摻量的逐漸增大而呈現先增大后減小的變化規律.透水性瀝青混合料中摻加的聚酯纖維不是越多越好，而是存在一個最佳摻量，為0.4%，對應的凍融前后劈裂抗拉強度也達到最大值，分別為1.06，1.00MPa.無論聚酯纖維的摻量是多少，透水性瀝青混合料凍融前后劈裂抗拉強度均大于不摻纖維.當聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，凍融前劈裂抗拉強度與不摻纖維的0.64MPa相 比，分 別 提 高 了31.3%，62.5%，65.6%，29.7%，26.6%；凍融后劈裂抗拉強度與不摻纖維的 0.36MPa 相 比，分 別 提 高 了102.8%，158.3%，177.8%，63.9%，52.8%.從分析數據可以看出，凍融后劈裂抗拉強度提高的幅度要大于凍融前劈裂抗拉強度，說明摻加聚酯纖維能夠提高透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強度，特別是凍融后劈裂抗拉強度.

3.3 聚酯纖維對凍融劈裂抗拉強度比影響

凍融劈裂抗拉強度比是指進行凍融循環時，瀝青混合料試件受到水損害前后劈裂破壞的強度比，用TSR表示，主要用于評價瀝青混合料的水穩定性［7］.透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比與聚酯纖維摻量的關系見圖3.

圖3 凍融劈裂抗拉強度比與聚酯纖維摻量關系

由圖3可知，透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現先增大后減小的趨勢.當聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，其凍融劈裂抗拉強度比分別為86.9%，89.4%，94.3%，71.1%，67.9%，但其增大的幅度明顯小于減小的幅度，達到最大凍融劈裂抗拉強度比后，其值下降的較快.與不摻纖維時的凍融劈裂抗拉強度比56.3%相比，其凍融劈裂抗拉強度比分別提高了54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.說明摻加聚酯纖維能夠顯著提高透水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比，也就是能夠顯著提高透水性瀝青混合料的水穩性.

4 水穩性破壞機理

透水性瀝青混合料中摻加聚酯纖維后，聚酯纖維分散在結構內部，會形成界面層，界面層使聚酯纖維分散在瀝青中，其表面積成為浸潤瀝青的界面，界面上的聚酯纖維能夠吸附大量瀝青，形成具有一定厚度的新的相，稱為“界面層”.界面層上的結構瀝青比界面層外的自由瀝青粘度大，同時聚酯纖維與瀝青一起裹覆在集料表面，增大了瀝青膜厚度，這樣使聚酯纖維的加筋和橋接作用得到充分發揮，進而使其強度逐漸增大.因此摻加的聚酯纖維越多，結構瀝青就越多，瀝青膜就越厚，加筋和橋接作用就越強，其強度就越大.但當聚酯纖維摻量超過最佳值0.4%繼續增大時，由于聚酯纖維摻加的較多，不能均勻分散，產生結團和纏結，纖維之間的作用力增大，其加筋和橋接作用就不能充分發揮，進而使其強度逐漸減小.聚酯纖維摻量的最佳值為0.4%，凍融前后的劈裂抗拉強度達到最大值，分別為1.06，1.00MPa.只要摻加聚酯纖維，無論是多還是少，均會有部分聚酯纖維起到加筋和橋接作用，使透水性瀝青混合料的劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度均高于不摻纖維.水侵入到透水性瀝青混合料的界面層是其產生水損害的主要原因.

5 結 論

1）透水性瀝青混合料的飽水率隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現先減小后增大的趨勢.摻加纖維的飽水率明顯小于不摻纖維，說明摻加聚酯纖維能夠降低透水性瀝青混合料的吸水能力.

2）透水性瀝青混合料凍融前后的劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度比均隨著聚酯纖維摻量的增大而呈現先增大后減小的趨勢.說明透水性瀝青混合料中摻加的聚酯纖維不是越多越好，而是存在最佳摻量，在此次試驗中，這個最佳摻量為0.4%，其對應的凍融前后劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度比分別達到最大值1.06MPa，1.00 MPa，94.3%.

3）與不摻纖維時的凍融劈裂抗拉強度比56.3%相比，當聚酯纖維摻量分別為0.3%，0.35%，0.4%，0.45%，0.5%時，其凍融劈裂抗拉強度比分別提高了 54.4%，58.8%，67.5%，26.3%，20.6%.說明聚酯纖維摻量是影響透水性瀝青混合料水穩性的主要因素，能夠明顯提高透水性瀝青混合料的水穩性.

4）水損害主要原因是水侵入到透水性瀝青混合料中的界面層，削弱了瀝青與集料的粘結力.

［1］CHO D W，KIM K.The mechanisms of moisture damage in asphalt pavement by applying chemistry aspects［J］.Journal of Civil Engineering，2010，14（3）：333－341.

［2］程 成，馬 翔，劉松玉.排水性瀝青混合料路用性能改善措施［J］.建筑材料學報，2013，16（1）：164－169，184.

［3］徐希娟，戴經梁.改性瀝青在排水性瀝青路面中的應用［J］.長安大學學報：自然科學版，2009，29（3）：27－31.

［4］郭 勇.高速公路排水性瀝青混合料應用研究［D］.南京：東南大學，2006.

［5］馬 翔，倪富健，沈 恒.排水性瀝青混合料強度影響因素分析［J］.東南大學學報：自然科學版，2007，37（6）：1087－1090.

［6］黨延兵，李愛國，李會娟，等.排水性瀝青混合料配合比設計優化研究［J］.公路，2009（6）：147－151.

［7］馬芹永，吳金榮，秦 凱.氯鹽對瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強度影響的試驗與分析［J］.冰川凍土，2013，35（5）：1202－1208.