纖維改性瀝青混合料綜合性能測試與評價

■李蘭健

（福建新路達交通建設監理有限公司，南平 353000）

瀝青路面作為一種無接縫的柔性路面，具有平整、駕駛舒適性高、減震降噪、少塵、耐磨、美觀、施工時間短、養護維修方便、可分期改造和再生利用等優點。然而隨著道路快速發展，交通量和軸載的不斷增加使得瀝青路面在通車使用后不久出現車轍、開裂、水穩定性等早期損害。近年來，纖維材料因其性能優良，施工簡單等優點，成為提高瀝青路面性能的新手段，受到了普遍的關注，在國內外瀝青路面工程中得到了廣泛的應用。

目前，瀝青路面中使用纖維的種類繁多，每種纖維對瀝青混合料性能改善程度和偏重點不盡相同。以往的研究多集中在纖維摻量、長度等設計參數對瀝青混合料路用性能影響的方面以及纖維作用機理[1]，而在對纖維瀝青混合料綜合性能量化說明方面研究相對匱乏，尤其是對于如何考量纖維成本的研究更是少見，這對于工程中科學選擇經濟適用的纖維改性材料是不利的。為此，本文以工程中最為常用的三種路用纖維[2-3]——木質素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維為例，對纖維改性瀝青混合料綜合性能進行評價。研究結果可以作為福建省瀝青路面工程纖維應用的參考依據。

1 原材料

（1）瀝青

基質瀝青混合料、三種纖維改性瀝青混合料所用膠結材料均為70號A級道路石油瀝青，瀝青各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）[4]要求。

（2）礦料及設計級配曲線

試驗集料采用福建省南平市當地石料廠生產的碎石和機制砂，礦粉為石灰巖磨制的石粉。四種瀝青混合料礦料級配類型相同，按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）中規定的AC-16C型瀝青混合料中值級配設計。

（3）纖維

本文所用纖維有木質素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維三種，見圖1，其特性和共同點如表1所示：

圖1 試驗用三種纖維

表1 纖維特性和共同點比較

2 混合料路用性能比較

（1）高溫穩定性能

參照《公路工程瀝青及瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）[5]規定的車轍試驗方法，對四種瀝青混合料高溫穩定性能進行評價，測試得到各瀝青混合料的動穩定度指標見圖2，動穩定度越大表明瀝青混合料的高溫穩定性能越好。

圖2 車轍試驗結果

從圖2中可知，相比基質瀝青混合料，纖維改性后的瀝青混合料動穩定度值均大幅提高，說明纖維有助于改善瀝青混合料高溫性能，改善效果最好的是玄武巖纖維，動穩定度值增加了接近2倍；即使改善效果最差的木質素纖維，也使得瀝青混合料動穩定度值增加了57%。

（2）低溫抗裂性能

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的-10℃下低溫彎曲試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性能，得到評價指標破壞應變試驗結果見圖3，破壞應變值越大表明瀝青混合料的高溫穩定性能越好。

從圖3中可知，相比基質瀝青混合料，纖維改性后的瀝青混合料破壞應變值均有不同程度的增加，說明瀝青混合料中加入纖維改善了瀝青混合料低溫性能，改善效果最好的是聚酯纖維，木質素纖維和玄武巖纖維的改善效果沒有明顯差距。

圖3 低溫彎曲試驗結果

（3）水穩定性能

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）規定的凍融劈裂試驗評價瀝青混合料水穩定性，得到評價指標凍融劈裂強度比試驗結果見圖5，凍融劈裂強度比越大表明瀝青混合料的水穩定性能越好。

從圖4可知，纖維改性的瀝青混合料的凍融劈裂強度比均高于基質瀝青混合料，按照提高幅度排序是聚酯纖維瀝青混合料略優于玄武巖改性瀝青混合料，而玄武巖纖維瀝青混合料優于木質素纖維瀝青混合料。

圖4 凍融劈裂試驗結果

（4）抗疲勞性能

本文采用應力控制模式進行疲勞試驗[6]，試件成型方法：首先輪碾法成型300mm×300mm×50mm車轍板試件，并將車轍板切割成250mm×40mm×40mm的試驗用小梁。應用疲勞試驗機在20℃下進行三點加載彎曲試驗測試各混合料的極限破壞應力σ，然后進行疲勞試驗，峰值荷載設置對應混合料破壞應力的0.2倍（0.2σ）這一應力水平，施加荷載頻率為10Hz的連續式半正弦波荷載，得到試件破壞時的加載次數，用于表征瀝青混合料抗疲勞性能，加載次數越多表明瀝青混合料的抗疲勞性能越好。

從圖5可知，纖維改性瀝青混合料疲勞試驗的破壞加載次數均有大幅的增加，說明瀝青混合料中加入纖維大大改善了瀝青混合料抗疲勞性能，聚酯纖維和玄武巖纖維對疲勞性能提升幅度相差不大，但明顯好于木質素纖維的改善作用。

圖5 疲勞試驗結果

3 綜合性能系數計算比較

通過以上測試分析可知，三種纖維對瀝青改性各有優勢，為說明瀝青混合料綜合改性作用，參考文獻[7]中方法，以高溫性能、低溫性能、水穩性能和抗疲勞性能作為四項分項性能，對瀝青混合料的路用性能進行綜合量化。各分項路用性能系數計算方法如下：

式（1）中，x纖維為纖維改性瀝青混合料的動穩定度值，x基質為基質瀝青混合料的動穩定度。

以上處理相當于是一種歸一化的排序，是對纖維改性作用的相對值進行量化，按式（1）計算后，木質素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維的高溫性能系數分別為0.25、0.77和1。按相同的方法可以計算木質素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維的低溫性能系數，水穩性能系數和抗疲勞性能系數，見表2。

瀝青混合料的綜合路用性能系數，可以按式 （2）計算：

式（2）中，x1、x2、x3、x4分別為纖維改性瀝青混合料高溫性能系數、低溫性能系數、水穩性能系數和抗疲勞性能系數，r1、r2、r3、r4分別為各項性能系數對應的權重。

考慮不同地區對瀝青混合料服役環境不同，對路用性能要求也將有所不同，比如在我國東北地區更加注重低溫性能，而在南方地區普遍重視材料的高溫和水穩定性能。各項性能的權重系數可按瀝青路面氣候分區進行分配，根據我國《公路瀝青路面設計規范》氣候分區對應的權重系數見表2。

表2 氣候分區即權重系數分配表

以福建省為例，高溫分區為夏炎熱氣候分區，低溫為冬溫區，降雨分區為潮濕區，表明福建省瀝青路面對瀝青混合料高溫性能、水穩性能均比較重視，而對低溫性能要求并不高，所以福建省瀝青路面瀝青混合料高溫性能系數、低溫性能系數、水穩性能系數和抗疲勞性能系數分別為 4、1、4、4，帶入式（2）計算得到各瀝青混合料綜合路用性能系數見表3。從表3中可以看出，聚酯纖維的綜合路用性能系數最好，玄武巖纖維緊隨其后，木質素纖維與兩者有明顯差別。

表3 綜合性能系數計算過程表

進一步考慮纖維成本，綜合路用性能系數按式（3）計算，該指標表征每提升一噸混合料單位綜合路用性能系數所需額外付出的成本。

式（3）中，根據纖維的摻量和單價費用，可知因使用木質素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維每噸瀝青混合料增加的額外成本分別為10.5元、30元和24元。各纖維瀝青混合料綜合性能系數，見表3，由結果可知在滿足使用要求的前提下，考慮性價比時木質素纖維是福建省瀝青路面纖維改性劑中的一種很好選擇。

4 結論

（1）三種改性纖維瀝青混合料室內路用性能試驗結果表明，聚酯纖維改性瀝青混合料低溫抗裂性、水穩定性能和疲勞性能均為最優；玄武巖纖維改性瀝青混合料高溫性能最優，水穩性能和疲勞性能與聚酯纖維瀝青混合料差距并不明顯；木質素纖維瀝青混合料各項路用性能提升不如以上兩種混合料顯著。

（2）考慮瀝青路面氣候分區，從技術性能考慮聚酯纖維最適合福建省瀝青路面，進一步考慮成本，木質素纖維具有最高的性價比。

[1]封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究[D].南京：東南大學，2006.

[2]黃彭.木質素纖維在瀝青混合料中的應用[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2005.

[3]郭乃勝，趙穎華，李剛.聚酯纖維瀝青混凝土的低溫抗裂性能分析[J].沈陽建筑工程學院學報（自然科學版），2004.

[4]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術規范.

[5]JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程.

[6]劉峰，李宇峙，黃云涌.瀝青混合料疲勞試驗中兩種控制模式的選擇分析[J].中外公路，2005，25（4）：192-195.

[7]郝飛.多聚磷酸改性瀝青及其混合料技術性能研究[D].長安大學，2012.