纖維穩定劑在排水瀝青路面中的應用研究

王偉平

(中鐵交通投資集團有限公司 南寧 530021)

0 引 言

近年來，纖維材料在普通瀝青混合料中的應用已經逐漸被人們所認知，SMA路面結構的興起也在推動著人們更加深入地分析纖維在瀝青混合料中的作用機理[1-2].

排水性瀝青混合料的推廣受到的主要制約是耐久性，將纖維穩定劑引入到排水性瀝青混合料中來，如果確定有可觀的改善效果并積累相應的生產經驗，則有利于排水瀝青路面使用材料的體系形成，有望彌補排水瀝青路面的部分缺陷，對排水瀝青路面的推廣意義重大[3-4].

由于排水性瀝青混合料級配是比SMA更“粗”的級配，也就成為更容易產生瀝青析漏的級配[5].所以，將纖維用在排水性瀝青混合料中，同在SMA中類似，首先起到穩定瀝青的作用，同時，纖維在其他瀝青混合料中具有的加筋、分散、吸附瀝青、增粘等作用，在排水性瀝青混合料中是否也會有所表現及不同種類纖維的混合料性能如何區分還有待進一步通過設計相應的混合料試驗來分析驗證[6-7].

1 排水性瀝青混合料試驗分析

作為排水性瀝青混合料的穩定劑，纖維本身技術性質與瀝青混合料性能之間的關系十分密切.因此，有必要對有關纖維指標進行分析，以利于理解纖維在排水性瀝青混合料中的作用機理，也為纖維指標與混合料技術性質之間的關系研究提供必要的基礎數據[8].

同時，需要特別指出的是，即便是同一種纖維，由于瀝青混合料種類的不同，其表現出來的作用和功能往往不同甚至可能是大相徑庭的[9].因此，纖維應用到瀝青混合料中，需要根據試驗結果評價摻加纖維所帶來的性能改進情況.

目前，在瀝青路面工程中應用較多的是木質素纖維、聚合物化學纖維和礦物纖維.本次試驗用到的木質素纖維分別為JLS-SMA-1木質素纖維和肯特萊木質素纖維，用到的聚合物化學纖維有兩種，一種是DCPET聚酯纖維，一種是DOLANIT(德蘭尼特)AS聚丙烯腈綸纖維，采用的礦物纖維為加拿大福貝(Fibrox300)礦物纖維.試驗用瀝青性能指標見表1.

表1 試驗用瀝青性能指標表

文中首先對各種纖維進行了0.3%摻量下的性能試驗，以初步認識纖維用在排水性瀝青混合料中的各方面作用.然后，進行了變化纖維摻量的混合料性能對比試驗，以進一步確定各種纖維的合適摻量.考慮到試驗工作量和材料代表性，對五種纖維均進行了瀝青混合料析漏試驗；但其他物理力學試驗(馬歇爾試驗、劈裂試驗和車轍試驗)只對一種木質素纖維(JLS)、一種聚合物化學纖維(德蘭尼特聚丙烯腈纖維)和福貝礦物纖維進行對比試驗.

1.1 析漏試驗

試驗采用科氏PG76瀝青，級配B，試驗分為不摻纖維和纖維摻量均為0.3%(纖維質量與摻纖維前瀝青混合料質量的比).考慮到摻加纖維后析漏率肯定會有所減少，選取的油石比為4.5%，5%，5.5%，6%，6.5%.不摻纖維得到的油石比-析漏率關系見圖1，分別摻加五種纖維得到的油石比-析漏率關系曲線見圖2.

圖1 不摻纖維的油石比-析漏關系

由圖1可知，根據數據點連線的趨勢變化和經驗估計析漏率突變點，得到該組混合料的油石比拐點在4.9%.

圖2 不同纖維的油石比-析漏關系

由圖2可知：

1) 五種纖維的油石比-析漏關系圖大都存在明顯的拐點，因此，摻加纖維后，通過析漏試驗找拐點初步確定排水性瀝青混合料最佳瀝青用量的方法仍然適用，只是同不摻加纖維的情況相比，同樣油石比下對應的絕對析漏率有所減小.

2) 在同樣的油石比下，五種纖維的析漏率由小到大的順序為JLS<肯特萊<德蘭尼特

1.2 馬歇爾試驗和劈裂試驗

排水性瀝青混合料的馬歇爾穩定度、劈裂強度和勁度模量均小于密級配瀝青混合料.在排水性瀝青混合料的設計中，馬歇爾穩定度和劈裂強度均可以作為試驗參考指標.試驗采用級配B、科氏PG76瀝青進行馬歇爾穩定度和劈裂強度的性能驗證.試驗結果見圖3.

圖3 不同纖維試驗對比

由圖3可知：

1) 總體上看，使用0.3%木質素(KJ)和有機纖維(KD)的組其馬歇爾強度和劈裂強度稍低于不使用纖維的組(KS)，而使用礦物纖維(KB)的組則明顯高于不使用纖維的組，特別是馬歇爾穩定度以及浸水穩定度，添加礦物纖維后，其絕對數值已經同SK高粘度一組相媲美.

2) 從殘留穩定度指標來看，摻加纖維的低于不摻加纖維的；從凍融劈裂強度比TSR來看，聚合物化學纖維和礦物纖維的組大于不加纖維的，也大于高粘度的SK組.兩個指標在規范里都是反映水穩性的指標，但是這里得到的規律卻是相反的.考慮到凍融劈裂是比浸水馬歇爾更為苛刻的水損條件，所以，可以認為，摻聚合物化學纖維和礦物纖維可以改善排水性瀝青混合料的水穩性.而對木質素纖維的摻加，無論哪個指標都顯示出其水穩性的下降.這是因為木質素纖維容易吸收水分，吸收的水分侵入到瀝青和集料作用的界面上，導致瀝青混合料的水損條件更趨嚴重所致.

1.3 車轍試驗

瀝青混合料的高溫抗車轍能力主要依賴于礦料的嵌擠作用.瀝青結合料對動穩定度的影響主要依賴于其高溫粘度和勁度模量；這也是為什么纖維應用在瀝青混合料中強調“增粘”作用的理由之一.因此，動穩定度的高低一是反映了排水性瀝青混合料骨架結構的構成情況，即粗集料間的摩阻力；二是反映了結合料同集料間的作用情況，即粘聚力.通過車轍試驗，摻纖維后的排水性瀝青混合料不摻相比在高溫穩定性方面總體趨勢、動穩定度對瀝青用量的敏感程度及不同纖維種類造成的差異如何有待研究.

用科氏PG76瀝青、級配B進行了摻加不同纖維的車轍試驗.纖維摻量統一采用0.3%.瀝青由馬歇爾擊實試驗得到混合料的毛體積密度后，計算得到車轍試件用料量.

同時，用SK高黏度改性瀝青、級配B做一組試件，以對比動穩定度的相對水平.結果見圖4.

圖4 摻加不同纖維的動穩定度比較

由圖4可知，同不加纖維的組相比，摻0.3%纖維的四組其動穩定度都稍有提高，但提高的幅度都不是很大.這是因為排水性瀝青混合料中細料過少，空隙較大，纖維同瀝青只能裹附在顆粒較大的粗集料表面上，無法起到交錯、搭接的加筋作用和對粗集料骨架的限制作用.考慮到試驗誤差的影響，摻加0.3%纖維對排水性瀝青混合料的動穩定度影響微小.

在車轍制件過程中，可以從直觀上對比摻與不摻纖維瀝青混合料的物理狀態：對普通的瀝青混合料，在油石比4.9%時已經有明顯的“油光發亮”現象，從拌和鍋中鏟出的混合料基本上呈自由流動態.而對5.2%～5.4%油石比的摻纖維混合料，則色澤暗淡，粘稠性較大，鏟料時需要較大力氣才能探到拌和鍋底部.鏟出的料有時候堆積、粘聚在一起，需要用適當外力才能將其分散開.而且，用肉眼仔細分辨，可以看到摻纖維的瀝青混合料表面有絨毛狀的根狀纖維嵌固.

2 纖維摻量的選擇

參考相關的國內外文獻和廠家建議值，并方便對比不同纖維的物理、力學性能，以上試驗都是在纖維摻量為0.3%的水平下進行的.事實上，由于纖維的品種各異，其化學成分導致的作用方式和機理會有所差異.在對混合料性能的改善上，各種纖維有各自擅長的領域.而且，即便是同種纖維，不同摻量的選擇也會影響這個問題.纖維使用量過少，起不到應有的或加筋或增粘或阻裂等目標作用；使用過多，則可能帶來結構上的松散等問題，而且勢必導致瀝青用量增多，進而導致成本的增加.成本的增加即便能夠帶來性能的一些進一步改善，但如果不能獲得全壽命意義上的效益回報，則仍然無法在工程領域獲得認可.根據前期試驗，無論哪種組合，馬歇爾試驗指標同劈裂試驗指標之間的相關性很好，呈現的規律往往一致.因此，選取馬歇爾強度指標和動穩定度指標來進行纖維摻量對排水性瀝青混合料性能的影響試驗.

纖維的劑量選取0.2%，0.4%，0.6%三個水平，瀝青用量分別在不使用纖維時油石比的基礎上增加0.2%，0.4%和0.6%，即按照每0.1%的纖維能夠多吸附0.1%的瀝青來考慮.結合不摻加纖維時(即纖維摻量為0%)的性能參數，希望得到混合料性能隨不同纖維摻量的變化規律.

2.1 馬歇爾試驗分析

分別對三種纖維進行了不同摻量下的標準馬歇爾試驗.試驗采用級配A，瀝青為埃索SBS.結果見圖5.

圖5 不同纖維不同摻量的馬歇爾穩定度比較

結合圖5分析三種纖維不同纖維摻量下的馬歇爾穩定度變化規律如下.

1) 木質素纖維的添加對馬歇爾強度的影響基本上是負面的.纖維摻量從0.4%增加到0.6%時，拌和出來的纖維瀝青混合料已經看不到“油光”現象，幾乎呈現“干態”，擊實后的試件表面布滿毛發狀的松散纖維.由于過多的纖維將瀝青吸附在表面，纖維瀝青一起填充在粗集料間隙中間，使得粘結瀝青偏少，導致馬歇爾強度并沒有繼續上升，反而略有下降.木質素纖維會降低排水性混合料水穩性，而馬歇爾試驗是60 ℃水浸養生后的強度試驗，過干的狀態勢必導致混合料在高溫、水浸狀態下的整體性下降，馬歇爾強度降低.

為此，試驗在纖維摻量為0.4%下進行了變化瀝青用量的馬歇爾試驗.選取5.0%，5.5%，6%三個油石比，試驗得到的馬歇爾穩定度分別為5.32，5.50，6.24 kN.說明瀝青用量對馬歇爾強度的影響是明顯的.如果適當增加瀝青用量，摻加木質素纖維的瀝青混合料馬歇爾強度也能得到提高.但這已經不是按照析漏試驗規律得到的最佳瀝青用量OAC，而此處的性能橫向對比須采用該OAC進行.

2) 隨著纖維摻量增加，德蘭尼特聚丙烯腈纖維對馬歇爾強度稍有提高，但提高的幅度不大.

3) 礦物纖維對馬歇爾強度的提高明顯，特別是摻量在0.2%～0.4%，增加摻量換來的強度增長幅度很大.

2.2 車轍試驗分析

分別對三種纖維進行了不同摻量下的普通車轍試驗.試驗采用級配A，瀝青為埃索SBS.結果見圖6.

圖6 不同纖維不同摻量的動穩定度比較

由圖6可知：

1) 在摻量較少時，纖維的添加對動穩定度影響較??；隨著摻量增大(從0.2%～0.4%)，對動穩定度的提高效果急劇上升.在0.4%摻量上再提高，增加的幅度有所減緩.

2) 在0.4%摻量時，同不摻加纖維相比，礦物纖維將動穩定度提高了70%，德蘭尼特纖維提高了43%，JLS木質素纖維提高了48%.

3) 由于排水性瀝青混合料的大孔隙性，纖維在其中的作用機理同在密級配中有很大區別：在密級配中，纖維同瀝青以及細集料結合成一體填充在粗集料的空隙中間，其加筋增強作用主要是通過與細料的搭接、交錯作用實現.在排水性瀝青混合料中，纖維、瀝青和少量的細料主要是裹覆在粗集料的表面，纖維的加筋作用同粗集料的嵌鎖作用相比，是很弱的；但是，由纖維分散瀝青和細料帶來的粗集料與粗集料之間接觸面面積的增大，以及增粘作用帶來的粘聚力的增大卻是可觀的，分散作用和粘聚力的增大有效阻礙了瀝青在較高溫度下的游離，從而改善混合料的高溫穩定性.纖維用量增大時，其分散作用和粘聚力也隨之增大，因此，動穩定度隨著纖維用量增大而增大.

3 結 論

1) 從析漏試驗結果來看，木質素纖維的抗析漏效果最好.聚合物化學纖維次之，礦物纖維又次之.從對馬歇爾穩定度和劈裂強度的改善效果來看，礦物纖維最優，聚合物化學纖維次之，木質素纖維又次之.

2) 馬歇爾試驗同車轍試驗表現出來的與纖維摻量的規律基本是一致的：纖維較低摻量時效果甚微；在0.4%摻量時強度和動穩定度均優，再增加用量改善效果減弱.

3) 在纖維品種的橫向對比上，礦物纖維優于聚合物化學纖維，而木質素纖維的強度改善功能最弱.

4) 在纖維效果顯現后(0.4%摻量后)，礦物纖維的馬歇爾穩定度和動穩定度高出別的纖維許多.