玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究及應用

張晉龍

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國經濟及公路事業的快速發展，現代公路對行車荷載、行車速度、通行量及服務壽命的要求越來越高。瀝青混凝土路面作為高等級路面被廣泛地應用于公路事業的建設中，但傳統的瀝青混凝土路面在使用過程中容易出現早期破損、車轍、開裂及使用壽命短等技術和質量問題。國內外學者經過大量研究發現，在傳統瀝青混合料中摻入纖維可改善瀝青混合料的性能，解決傳統瀝青混凝土路面的不足[1]。

纖維是一種抗拉強度高、質量輕、耐久性好的外添增強材料。國外從20世紀60年代開始對纖維增強瀝青混凝土的性能進行研究，其最初的目的是控制路面的反射裂縫[2]。1962年，Edelmann K等通過研究發現，在瀝青混合料中添加石棉纖維可以更好地提高瀝青混凝土路面的路用性能。Aysar NAJD[3]通過摻入玻璃纖維來改善瀝青混合料的性能，研究發現，在瀝青用量相同的條件下，加入玻璃纖維后的瀝青混合料，其強度、高溫穩定度及變形性能有較好的提高。并證明了摻入玻璃纖維后的瀝青混合料能夠有效地抵抗裂縫的擴展，但抗開裂能力沒有明顯提高。Abdelaziz MAHREZ[4]通過對玻璃纖維改性SMA瀝青混合料的劈裂試驗、蠕變試驗、疲勞荷載試驗研究發現，玻璃纖維的摻入能夠有效提高疲勞壽命。我國對纖維瀝青混凝土的研究開始于20世紀90年代中期，呂偉民[5]通過研究發現，木纖維的摻入對SMA瀝青混合料沒有加筋作用，只起吸收瀝青作用。而聚酯纖維的摻入對普通瀝青混合料具有較好的加筋作用。郭乃勝[6]通過低溫劈裂試驗發現，摻入聚酯纖維后的瀝青混合料，其劈裂強度有顯著提高。楊振才[7]對纖維瀝青混合料進行了等速加載彎曲試驗，得出摻入纖維后的瀝青混合料其應力松弛能力有較好的提高，且低溫抗裂性能好。

分析可知，國內外對于纖維增強瀝青混合料的機理未形成統一的理論體系，對于纖維瀝青混合料的路用性能研究有待完善。本文通過室內試驗，對玻璃纖維增強瀝青混合料的路用性能進行了研究，并通過工程實例對玻璃纖維在瀝青混凝土路面中的應用進行評價與分析。

1 室內試驗

1.1 試驗材料

a）玻璃纖維 試驗采用的玻璃纖維為短切無堿原絲，其長度均取6 mm。玻璃纖維物理、力學性能如表1所示。

表1 玻璃纖維的物理力學性能指標

b）瀝青 試驗瀝青采用重交90號A級道路石油瀝青，其性能指標如表2所示。

表2 瀝青的性能指標

c）集料 試驗所用粗集料為石灰巖碎石、細集料采用天然中砂與石灰巖石屑，礦粉作為填料。粗集料的物理性質指標如表3所示，粗細集料與礦料的表觀密度如表4所示。

表3 集料的物理性質指標 %

表4 不同粒徑下的礦料表觀密度 g/cm3

1.2 配合比設計

1.2.1 礦料級配

采用AC-13型制備瀝青混合料，根據篩分試驗，確定礦物混合料的配合比為：粗碎石∶中粗碎石∶砂∶石屑∶礦粉=22∶34∶15∶24∶5。按照相關技術規范要求的級配中值[8]，對瀝青混合料的礦料進行級配組成設計，如表5所示。

表5 瀝青混合料各粒徑礦料的級配組成（AC-13） %

1.2.2 最佳瀝青用量

玻璃纖維的摻入量取0%、0.1%、0.2%、0.3%。采用馬歇爾試驗分別確定不同玻璃纖維摻入量下的普通密集配瀝青混凝土AC-13的最佳瀝青用量。

按照相關規范對AC-13瀝青用量范圍的規定[8]，以4.2%+0.3%的幅度作為瀝青用量的變化，由已確定的礦物混合料級配配比制備試件。分別進行5組試驗，每組試驗的試件個數為5個，對試件進行24 h標準養護后脫模，對試件進行相關物理-力學性能測定，結果如表6所示。

表6 AC-13瀝青混凝土馬歇爾試驗物理-力學性能測定結果

根據表6所示結果，分別繪制瀝青用量與空隙率、密度、馬歇爾穩定度、流值、飽和度的關系曲線如圖1所示。

圖1 馬歇爾試驗瀝青用量與各指標的關系

分析圖1可知，當玻璃纖維摻入量為0%時，最佳瀝青用量為4.6%。按照同樣的方法，可確定不同玻璃纖維摻入量下，瀝青最佳用量如表7所示。其中，當玻璃纖維摻入量由0%增加到0.2%后，最佳瀝青用量沒有增加。

表7 不同玻璃纖維摻入量下瀝青混合料的最佳瀝青用量 %

1.3 試驗方法

根據相關規范標準[9]，對以不同玻璃纖維摻入量制備的AC-13瀝青混凝土試件分別進行車轍試驗、小梁彎曲試驗及凍融劈裂試驗，從而對不同玻璃纖維摻入量下密級配瀝青混凝土的高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性進行分析與研究。

2 室內試驗結果分析

2.1 玻璃纖維對高溫穩定性的影響

纖維瀝青混合料車轍試驗時的溫度為60℃，將30 cm×30 cm×5 cm的試件在恒溫箱養生6 h后，以輪壓為0.7 MPa反復沿成型碾壓方向以42±1次/min的速度行走23±1 cm的距離。不同玻璃纖維摻入量下的密級配瀝青混凝土試件的車轍試驗結果如表8所示。

表8 不同玻璃纖維摻入量下的車轍試驗結果

圖2 車轍試驗動穩定度

由圖2所示結果可知，隨著纖維的摻入，瀝青混合料的高溫穩定性得到了顯著的改善。當纖維摻入量為0.1%、0.2%、0.3%時，瀝青混合料的動穩定度分別提高了52.5%、86.6%、81.9%，當纖維摻入量大于0.2%后，動穩定度有所降低，永久變形漸趨于穩定。

2.2 玻璃纖維對低溫抗裂性的影響

該試驗采用MTS材料試驗機。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁，梁的跨徑為200 mm，由輪轍碾壓成型，試驗時的溫度為-10℃，調整機器的加載速率為50 mm/min。小梁彎曲破壞的試驗結果如表9所示。

表9 纖維瀝青混合料彎曲破壞試驗結果

由表9可知，玻璃纖維的摻入使得瀝青混合料的彎拉應變有較好的提高。其中，當玻璃纖維的摻入量為0.2%時，其提高的彎拉應變值最大，提高了10.0%，當玻璃纖維摻入量為0.1%、0.3%時，彎拉應變分別提高了2.0%、6.1%。這主要是因為玻璃纖維的摻入分擔了部分瀝青膠漿的拉應力，從而阻止了瀝青混合料微小裂縫的產生與發展，但纖維的摻入量不是越多越好，當摻入量大于0.2%，使得瀝青的稠度低于一定值后，相反會降低瀝青混合料的彎拉應變。

2.3 玻璃纖維對水穩定性的影響

采用馬歇爾試件來進行凍融劈裂強度試驗，試樣制備時，應將試樣雙面各擊實50次，以50 mm/min速率加載。試件分為兩組，一組采用室溫養護，在25℃水中浸水養護2 h后進行試驗；另一組試件真空飽水15 min后，放入-18℃冰箱里16 h后置于60℃水浴養護25 h，最后在25℃水中浸泡2 h后進行試驗測試。試驗結果如表10、圖3、圖4所示。

表10 凍融劈裂試驗結果（平均值）

圖3 未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強度變化曲線

圖4 凍融循環試驗后試件劈裂抗拉強度比變化曲線

試驗結果表明，當玻璃纖維的摻入量為0.1%、0.2%時，未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強度及抗拉強度比均有不同程度的增加。其中，玻璃纖維摻入量為0.2%時，試件未凍融、凍融后強度與凍融循環后的抗拉強度比增加的幅度最大，分別增長了5.4%、11.8%、4.1%。因此，纖維的摻入量為0.2%時，試件的水穩定得到了明顯的提高。

但當玻璃纖維的摻入量為0.3%時，相比于摻入量為0.2%時的試件，其未凍融、凍融后強度與凍融循環后的抗拉強度比有明顯的降低，分別降低了2.5%、10.6%、8.7%，其中未凍融強度、凍融循環試驗后的抗拉強度比未摻入玻璃纖維的試件還要低，這是因為玻璃纖維摻入量過高時，多余的玻璃纖維相互纏繞、重疊，降低了瀝青混合料之間的連接與整體性，從而降低了瀝青混合料的水穩定性。

3 玻璃纖維瀝青混合料的工程應用

3.1 工程概況

本文以省道太高線二級公路路面大修展開研究，該公路K49+130—K49+230為試驗路段，長度為100 m，路面寬為11 m，該路段跨越區域地質良好，原路面結構設計為上面層3 cm厚的SMA13，下面層為4 cm厚的AC20。征得設計單位同意后，上面層改為鋪筑3 cm厚的纖維瀝青混凝土，纖維瀝青混合料的材料與配合比均同室內試驗一致，玻璃纖維的摻入量為0.2%。

3.2 玻璃纖維瀝青混合料施工要點

玻璃纖維瀝青混合料的路面施工流程基本與其他瀝青面層的施工流程相似。包括進場材料檢驗、選擇拌合設備并拌合、運輸、攤鋪及碾壓。施工過程中應注意如下要點。

3.2.1 玻璃纖維的摻入與拌合

施工時玻璃纖維摻入瀝青混合料中應拌合均勻，特別應注意按順時針（或逆時針）一個方向拌合，以確保玻璃纖維在混合料中成一個方向排列，確保彎拉應變得到最大的提高。

3.2.2 碾壓

玻璃纖維瀝青混合料的碾壓次數應比普通瀝青混合料多碾壓1～2遍，復壓時也相應多復壓兩遍，以確保壓實度。

3.3 施工檢測與評價

施工過程中對各流程的施工工藝進行了嚴格的控制，并對施工現場的K49+130—K49+230試驗路段纖維瀝青混合料取樣進行試驗檢測。經檢測，施工現場纖維瀝青混合料的穩定度為12.28 kN，流值為2.66 mm，車轍為1161次/mm，所測的數據均滿足相關規范標準。

經觀測，試驗路段建成通車后3年內，經歷了不利的季節與氣候影響，以及復雜的行車荷載，該試驗路段表現出良好的路用性能，未發現病害產生。因此，玻璃纖維瀝青混凝土路面具有良好的路用性能，具有較好的使用與研究價值。

4 結論

a）隨著玻璃纖維的摻入，瀝青混合料的高溫穩定性得到了顯著的改善。

b）玻璃纖維的摻入使得瀝青混合料的彎拉應變有較好的提高。當玻璃纖維的摻入量為0.2%時，其彎拉應變的增長幅度最大。工程應用中，建議玻璃纖維的最佳摻入量取0.2%。

c）當玻璃纖維的摻入量為0.1%、0.2%時，未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強度及抗拉強度比均有不同程度的增加。玻璃纖維摻入量為0.2%時，瀝青混合料的水穩定性最好。

d）玻璃纖維瀝青混合料施工過程中應嚴格施工工藝、玻璃纖維的摻入精度、混合料的溫度。同時，應選擇良好的拌合設備，使得玻璃纖維瀝青混合料拌合均勻。工程實例表明：玻璃纖維瀝青混凝土路面具有良好的路用性能，具有較好的使用價值。