纖維加固瀝青混合料的路用性能試驗研究

朱先智

（深圳市城市規劃設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國交通運輸產業的爆發式增長，道路路面的使用壽命備受關注，探索具有長壽命及穩定性能的路面結構成為研究熱點[1]。瀝青路面的長期性能主要體現在對車輛及環境荷載效應的抵抗能力，車輛荷載對道路路面的作用取決于車輪壓力、交通流量、車輛速度等參量，而環境對道路的作用包括溫度效應、水作用、凍融循環等，為了提高瀝青路面的長期性能，可通過改善路面構造或者改進瀝青混合料性能等方法實現。

纖維瀝青路面是在瀝青混合料中摻入纖維素和聚合物形成復合材料，可以顯著提高瀝青路面的力學性能，從而提高其對車輛與環境荷載的抵抗能力，相對傳統瀝青路面具有更長的使用壽命。Serf ys和Sam anos[3]在瀝青混凝土中摻入石棉、巖棉、玻璃纖維和纖維素，研究發現可以顯著提高瀝青軟化點，改善抗裂性、抗疲勞性和防水性。陳華鑫等[2]開展了不同級配瀝青混合料的車轍試驗、低溫彎曲和彎曲蠕變試驗、疲勞和耐水試驗等，驗證了纖維良好的改善效應。黃春水和陳麗芳[4]研究了聚酯纖維瀝青混凝土的彎曲性能，說明通過改進纖維特征參量改變瀝青混凝土性能的方法。

這些研究證明纖維類型不同，對改善瀝青混凝土性能有所差異。石棉、聚酯和尼龍是國內三種典型的纖維類型，本文研究這三種纖維加固瀝青混合料的性能，開展試驗研究，為探索長期性能路面提供參考。

1 試驗設計

1.1 纖維的物理特性

該試驗通過在瀝青混合料中摻入纖維改善其力學及路用性能，所用瀝青混合料包含石灰石骨料和含量為60/70的純瀝青，所用纖維有三種，分別是石棉纖維和由廢棄輪胎回收的尼龍和聚酯。考慮到包含纖維的瀝青混合料主要用在道路面層的表面，因此選用名義最大尺寸19 m m的粗骨料粒徑，以提高其路用性能。尼龍和聚酯可以通過廢棄的輪胎提取，廢棄輪胎是環境重大污染源且難以降解，通過本研究可以更加明確廢棄輪胎的再利用方向。表1和表2分別給出了石棉纖維、回收聚酯和尼龍的物理特性參數。

表1 石棉纖維的物理特性

表2 聚酯和尼龍的物理特性

在纖維瀝青混合過程中，應該保證各類材料的混合均勻以確保材料各處的力學性能一致。相關研究表明[2-3]：60/70瀝青與骨料混合的最小和最大溫度應該是130℃和170℃，因此，在本文研究中瀝青容器首先加熱到140℃，然后再把纖維加入瀝青中拌合均勻。相對于聚酯和尼龍，石棉纖維的長度不一，因此能夠更均勻地混合到瀝青表面。

1.2 試驗內容及概述

為研究纖維對瀝青路面的影響，首先需要分析纖維對瀝青性能的影響，其次研究纖維對瀝青混凝土混合料性能的影響，從而研究纖維加固瀝青路面的設計方法。

首先，纖維含量摻入不同，相應的瀝青力學性能也有差異。為了掌握瀝青對纖維含量的敏感性，基于文獻調研結果，本文分別采用纖維對瀝青重量比為3%,6%,9%,12%的試樣進行軟化點和滲透性試驗，分析不同摻量對瀝青性能的影響。

其次，研究纖維對瀝青混凝土混合料的影響，就需要確定最優的纖維與瀝青混合料的配比。本文，采用ASTM D 1559-82方法進行馬歇爾配合比設計，試件的纖維含量分別為占混合料總重的0%,0.2%,0.4%和0.6%。

最后，按照AASH TO T 283-85進行干燥和潮濕條件下的間接拉伸試驗以測定瀝青混合料的拉伸強度和長期性能。對干燥和潮濕拉伸強度、潮濕和干燥韌性以及韌性損失進行計算。

2 試驗結果

2.1 瀝青試驗

針對纖維對瀝青軟化點和滲透度的影響分別開展了試驗，如圖1所示，結果顯示不同的纖維對瀝青重量比值對瀝青軟化點和滲透度具有顯著影響。圖1（a）顯示隨著纖維摻入量增加瀝青的軟化點逐漸提高，以石棉纖維為例，其軟化點從無纖維摻入的51℃提高到12%纖維摻入量的89℃；圖1（b）顯示隨著纖維摻入量增加瀝青的滲透度逐步降低，同樣以石棉纖維為例，其滲透度從無纖維摻入的65 m m降低到12%纖維摻入量的26 m m。說明，隨著纖維摻入量的提高，瀝青的物理性能得到逐步改善。

圖1 不同纖維摻入量對瀝青性能的影響

更詳細的：石棉瀝青具有最低的滲透點和最高的軟化點，聚酯瀝青則具有最高的滲透點和最低的軟化點。導致上述差別的原因包括尺寸、形狀、纖維數量和吸收側面積、表面的物理狀態（粗糙還是光滑）和纖維類型。聚酯纖維表面光滑均勻，石棉表面粗糙使得其引起的橫向表面更大；石棉纖維的長度是可變的，但尼龍纖維的長度是恒定的，可變長度的石棉纖維導致比其他混合物更均勻的分布。因此纖維會導致瀝青硬化。

2.2 馬歇爾試驗

通過馬歇爾試驗確定不同纖維類型的最佳混合料油石比，圖2給出纖維摻入比例是0,0.2%,0.4%和0.6%下最佳瀝青配比的變化，該纖維比例是纖維對混合料的比重。可以看到總體上最優瀝青含量隨著纖維含量的增加而增加，這是因為在纖維瀝青混合料中瀝青需要增加到纖維表面并將其包圍涂層。同時，石棉纖維相對尼龍和聚酯具有更高的最優瀝青含量，因為石棉纖維具有更多的側邊面、高吸收（中空纖維）和粗糙表面，相對于其他纖維具有最高水平的最佳瀝青配比。纖維瀝青混凝土中的最高和最低的最佳瀝青含量配比是0.6%石棉纖維和0.2%聚酯纖維。試驗結果說明瀝青厚度增加，提高了混合物分離的抵抗性，使路面具有更好抗裂性。

圖2 不同纖維比例下最佳瀝青配比

圖3給出了最佳瀝青配比下不同纖維占混合料的比例對混合料馬歇爾穩定度的影響，含纖維的瀝青混凝土樣本相對于對照組具有較低的馬歇爾穩定性，降低12.3～26%不等。隨著纖維含量增加，由于最優瀝青含量高，馬歇爾穩定性下降。馬歇爾穩定性的最大和最小值分別是含有0.2%石棉纖維和0.6%尼龍纖維的樣本，根據相關規范重載交通路面的瀝青混合料馬歇爾穩定性最小控制值為6 672 N，滿足要求。

圖3 不同纖維比例下的馬歇爾穩定度

表3給出了最佳瀝青配比下瀝青混合料的馬歇爾試驗樣本的結果，可以看出含有纖維的瀝青混凝土的馬歇爾流動性比對照樣本要大（7.3～48.8%），且當纖維含量增加時，馬歇爾流動性也隨著增加。馬歇爾流動性最大值和最小值分別是含有0.6%聚酯纖維和0.2%石棉的樣本。同樣根據規范，瀝青混凝土混合料的馬歇爾流動性最小值和最大值分別是8%和16%。因此，所有的瀝青混凝土混合物流動性，除了含有0.6%的聚酯混合物，均滿足要求。

表3 最佳瀝青配比下瀝青混合料的馬歇爾試驗結果

2.3 間接拉伸試驗

開展了干燥和潮濕環境下的間接拉伸試驗，以評估纖維瀝青混合料的力學性能及長期性能。

圖4繪制了0.4%纖維含量干燥狀態下不同纖維類型的拉伸強度與位移變化關系。可知在干燥狀態下含纖維的瀝青混合料抗拉強度小于對照樣品（1～26.3%）；當纖維量增加，拉伸強度下降，這是因為瀝青混合料具有比無纖維混合物更大的靈活性。此外，在同等纖維含量下，含有石棉瀝青混合料相比含有尼龍和聚酯的混合物在干燥狀態下有更高的抗拉強度，形成該結果的原因是石棉纖維的長度具有變化性，因此與瀝青等混合更加均勻，且石棉纖維的粗糙表面提高了瀝青混合料的抗拉強度。聚酯纖維與尼龍纖維瀝青混凝土的抗拉強度差異不顯著。然而，含纖維的瀝青混合料在潮濕狀態下最大抗拉強度大于控制樣品（除0.6%的尼龍和聚酯纖維的混合物）。因為含有纖維的混合物比控制樣品有更高的最佳瀝青含量，增加最佳瀝青含量的百分比會增加瀝青涂層的厚度。

表4給出了不同含量的石棉、尼龍和聚酯纖維與控制樣本的瀝青混凝土混合物的拉伸強度比的變化。抗拉強度越大說明瀝青混凝土在環境條件下的耐久性越高。表中可見含纖維混合物的抗拉強度大于對照試樣。最大和最小的拉伸強度對應的摻入量分別是0.6%的石棉纖維和0.6%的聚酯纖維。研究還發現隨著石棉纖維的增加，石棉纖維混合料拉伸強度也增加，但對于聚酯和尼龍纖維規律則相反。這是因為對于聚酯和尼龍而言，含有纖維混合物比對照樣品有更多的孔隙，空氣和水的混合物容易滲透導致拉伸強度降低。說明對于石棉應該增加纖維以提高其長期性能，但對于聚酯和尼龍則可以適當控制纖維量以提高其長期性能。

圖4 干燥狀態下纖維瀝青混凝土的拉伸強度與位移變化關系

表4 不同纖維含量下瀝青混合料拉伸強度

影響瀝青路面長期性能的主要因素是水損害，因此除了上述的拉伸強度和拉伸強度摻入量比之外，也對韌性和韌性損失等參量進行了分析。應力應變曲線下的面積越大則瀝青混合料的韌性（能量吸收能力）也更高。根據圖4計算其韌性，結果如表5所示，可以看出，含有纖維的瀝青混合料的干和濕韌性均高于對照樣品，且隨著纖維增加韌性增加。這是因為纖維增加使得瀝青混合料更柔韌，因此其變形增加，拉伸強度變形曲線下的區域較大，從而韌性增加。此外，隨著纖維含量增加，瀝青混合料韌性損失的百分比減小，它表明抵抗由水分引起的損害，隨著瀝青骨料的纖維涂層的厚度增加而增加。根據間接拉伸試驗結果（曲線延伸下降比率的間接比值），發現纖維的最佳比例分別為含有0.6%石棉纖維，0.4%尼龍和0.4%聚酯。

5 結論

本文研究了纖維加固瀝青混合料的長期性能，通過采用石棉、尼龍和聚酯纖維，分析了其摻入量對瀝青及瀝青混合料的性能影響，從而確定了最佳纖維摻入量及其設計方法，主要結論如下：

（1）隨著纖維摻入量增加，瀝青的軟化點提高而滲透度降低，瀝青路面硬度增加。

（2）通過馬歇爾試驗明確了纖維摻入量對瀝青混合料物理性能的影響，纖維摻入量為0.2～0.6%情況下瀝青混合料性能都能滿足設計標準要求，可以進行路面設計。

（3）通過間接拉伸試驗分析了纖維摻入量對瀝青混凝土力學性能的影響，試驗表明摻入纖維后所有樣本拉伸強度和干濕韌性都得到提高，說明摻加纖維使路面穩定、開裂減少、水損害降低，耐久性提高。

（4）石棉、尼龍和聚酯等纖維摻加量的最佳比例分別為0.6%,0.4%和0.4%，由于含聚酯纖維的瀝青含量低且成本低，建議在進一步研究中使用聚酯纖維。