纖維摻量對聚酯纖維瀝青混合料路用性能的影響研究

周 群，榮 浩，吳昌霞

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

目前，我國正在大力投資基礎建設，其中高等級公路是建設的重點。在已建成的公路之中，瀝青路面結構的公路已接近高等級公路比例的九成左右。為了改善瀝青路面的使用性能，就必須提高瀝青混合料的路用性能，降低路面的破損率。一般來說，瀝青混合料的路面使用性能劃分為表面性能、低溫抗裂性能和高溫性能[1]。但以上三種使用性能之間相互矛盾，并且采用傳統筑路材料建成的路面存在較多通病[2]，所以研發能夠提高道路表面的耐用性，提升交通使用感受，提高道路投資回報率的路面材料迫在眉睫。近些年來，參考國外的發展動態和做法[3-4]，路用性能好、施工技術簡單的纖維加強瀝青混凝土引起國內學者的廣泛關注[5-8]。在我國的瀝青路面中，應用最為廣泛的、為大部分人所熟悉的是木質素纖維[9]。鋼纖維及石棉纖維在瀝青混凝土中的應用相對就少了很多。而在合成纖維中，聚酯纖維表現出了良好的抗高溫性和抗拉伸性[10-12]，將聚酯纖維應用到瀝青混凝土作為加強筋使用，能夠提高瀝青路面的力學性能[13]。

配合比設計是瀝青路面施工前最為重要的一個環節，合理的配合比設計往往是決定路面質量好壞的一個前提。為了研究聚酯纖維瀝青混凝土在路面中的使用效果，作者開展了加入聚酯纖維瀝青拌和料配合比的總體設計原則研究，研究纖維摻量對混合料性能的影響規律，利用馬歇爾試驗進行了配合比設計及試驗，對聚酯纖維瀝青混合料的高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性進行了試驗分析，研究纖維摻量對聚酯纖維瀝青混合料路用性能的影響，以期可以提供一個合理的聚酯纖維瀝青混合料配合比設計方法。

1 纖維性能指標要求及試驗方法

瀝青膠結料的技術指標包括耐熱穩定性、吸水率、平均析出量等，本次研究選取了最常用的路孚8000及路伏特兩類道路專用聚酯纖維作為試驗對象。所采用的試驗方法參照現行《瀝青及瀝青混合料試驗規程》操作[14]，具體進行了如下試驗：

1.1 耐高溫試驗

以混合料拌和的具體工程施工為例，其釋放的溫度可達近200 ℃，所以對于纖維的耐高溫性能要求非常高，必須做到高溫受熱不能產生物理和化學反應，保證其正常使用效用。所以針對所用纖維的耐高溫穩定性試驗是非常必要的。

具體試驗步驟：取兩類等量纖維(路伏特及路孚8000)作為試樣，分別倒入相同大小指定容器，放入烘箱，溫度設置為163 ℃，放置5 h，檢驗其外觀及內部化學反應。

1.2 吸水性試驗

眾所周知，瀝青混合料的性能受纖維的吸水性影響很大，纖維的吸水性可以通過檢測纖維的外觀變化和吸水率的有效測定反映出來。

具體試驗步驟：取兩類等量纖維(路伏特及路孚8000)作為試樣，各取3份放于相同大小指定容器，稱取兩份容器及內部纖維質量，然后將兩個容器放入同一保濕箱，設置好指定溫濕度(溫度200 ℃，相對濕度90%)，選取抽樣時間觀察其質量變化和內部纖維外觀變化并記錄，檢測其纖維的吸水性。

1.3 瀝青析出試驗

檢測在指定溫度環境中纖維瀝青析出數量，從而檢測纖維對瀝青的可持能力。

具體試驗步驟：選擇兩類等量纖維(路伏特及路孚8000)各10 g，各放入100 g瀝青中，在150 ℃的高溫環境中攪拌至均勻，之后冷卻操作，穩定后取樣各40 g放置到網孔大小為0.25 mm的網籃中，恒溫放置2 h，每0.5 h檢測瀝青的掉落數量，并記錄。

受試驗條件限制，無法對擬采用的聚酯纖維的各項性能指標進行檢測，直接采用生產廠家提供的聚酯纖維性能指標，詳見表1。

表1 纖維性能指標表Tab.1 Fiber performance index

2 聚酯纖維瀝青混合料配合比方案設計

2.1 級配曲線方案

針對聚酯纖維瀝青混合料進行配合比方案設計，其合成級配及級配曲線如圖1所示。

圖1 試驗用級配曲線Fig.1 Gradation curves for testing

2.2 瀝青最佳用量的確定方法

采用馬歇爾試驗確定瀝青最佳用量的方法是使用自動馬歇爾儀雙面擊實75次[15]。馬歇爾試驗在研究分析纖維的長度、細度、劑量以及同一標準瀝青用量和不同類別纖維混合后影響程度時，其試驗試件均可達到75次。針對凍融劈裂試驗，要先進行試擊實，得出不同擊實次數-孔隙率的曲線圖，然后通過擊實次數-孔隙率曲線圖得出孔隙率8%時的擊實次數。

表2 試驗用級配表Tab.2 Fiber curves for testing

首先，需要確定瀝青最優使用量和礦料級配，根據馬歇爾法得出的時間體積和毛體積密度可得出車轍試件的重量，然后再乘以1.005的系數即可。通過輪碾法制作50 mm×300 mm×300 mm的板材，溫度設置為介于160 ℃～170 ℃之間，板材成型后立即對混有纖維混合料裝模碾壓，次數控制在12次左右，直至測試樣本齊平，在碾壓過程中控制盡量不讓混合料溢出，同時確保碾壓后密實度達到馬歇爾標準擊實密度的(100±1)%。

按表2的級配，纖維摻量、拌和方法采用4%～6%的油石比，間隔0.5%的5組配合比設計。依據纖維的使用數量及用料類別，礦料種類及標準瀝青使用數量范圍，通過使用馬歇爾方法完成最優瀝青使用數量的確定，確定兩種纖維(路伏特及路孚8000)的計量結果為：0.25%、0.5%，而所用的礦料級配如表2所示，其馬歇爾物理力學指標的要求見表3。

表3 馬歇爾物理力學指標要求Tab.3 Marshall’s test physical and mechanical index requirements

值得注意的是，添加了纖維的混合料在拌制過程中應該有以下幾點需要注意：

2.2.1 混合料拌和時溫度設置

根據試驗規范說明，對拌和溫度的定義是：針對普通瀝青拌合料，選取運動粘度為150～190 mm2/s時的溫度作為瀝青的拌和溫度，加入纖維后的溫度往往會高于沒有加入纖維的基質瀝青。而瀝青的拌和溫度會低于粗集料、細集料及礦粉的溫度15 ℃上下。所以綜上，可以選取180 ℃作為纖維瀝青混合料的拌和溫度，設定瀝青在試驗中的拌和溫度取值為170 ℃，設定礦料的預熱溫度為185 ℃。

2.2.2 混合料擊實溫度設置

通過實踐經驗，隨著纖維的加入，瀝青混合料的礦料間隙率會隨之增加，混合料的密度會隨之減少。而隨著溫度降低，瀝青混合物會出現擊實效果不明顯的現象，所以混合物完成之后應迅速裝入模具進行擊實操作，以免出現上述現象。另外，在進行車轍試驗、馬歇爾試驗過程中用到的試模應在烘箱里預熱大于1 h后才能使用。

2.2.3 混合料拌和工序和時間

根據拌和方式區分，可將纖維瀝青混合料細化為濕法拌合和干法拌合兩種方式。濕法拌和的第一道工序是纖維瀝青膠體的制作，是按一定的比例和數量將瀝青和纖維進行混合，然后使用常規瀝青混合料的拌和方法攪拌而形成；而與之對應的干法拌和是首先將礦料和纖維拌和約1.5 min，目測攪拌均勻后投入瀝青，攪拌約1.5 min，再加入礦粉攪拌1 min，整個攪拌用時約為3.5 min。需要注意的是，拌和時間取決于拌和料中的礦料和纖維的疏密度。要掌握拌和時間的度，拌和時間太短會不利于纖維的均勻分布，時間太長會改變纖維及瀝青的性能，所以注意拌和時間不應大于4 min。本文主要以干法拌和進行試驗操作。

2.3 最佳油石比試驗結果

根據上述試驗方案，考慮不同工況進行試驗，各項物理力學指標與油石比的關系曲線見圖2—圖6。

圖2 密度與油石比的關系Fig.2 Relation between density and oil-stone ratio

圖3 空隙率與油石比的關系Fig.3 Relation between void fraction and oil-stone ratio

圖4 飽和度與油石比的關系Fig.4 Relation between saturation and oil-stone ratio

圖5 穩定度與油石比的關系Fig.5 Relation between stability and oil-stone ratio

圖6 流值與油石比的關系Fig.6 Relationship between flow value and oil-stone ratio

根據各項馬歇爾指標與油石比之間的關系曲線，最終確定不摻纖維的最佳油石比為5.2%；摻入0.25%路伏特聚酯纖維的最佳油石比為5.4%；摻入0.5%路伏特聚酯纖維的最佳油石比為5.5%；摻入0.25%路孚聚酯纖維的最佳油石比為5.4%；摻入0.5%路孚聚酯纖維的最佳油石比為5.5%。

3 聚酯纖維瀝青混合料性能試驗

3.1 纖維瀝青混合料路用性能驗證

通過馬歇爾試驗得到的最佳油石比，對5組配合比的高溫穩定性和水穩定性進行了驗證，其結果如表4所示。

從表4中試驗結果看，以上5組配合比的高溫穩定性均滿足規范要求，而隨纖維摻量的增加，動穩定度也隨之增加。水穩定性能方面，浸水馬歇爾試驗的殘留穩定度均達到90%以上，凍融劈裂強度比也達到90%以上，但是兩者的變化不是與纖維摻量成正比增加。通過配合比設計驗證得出，以上5組配合比都是合格的。

3.2 纖維對混合料體積指標的影響

根據上述的試驗結果，按最佳油石比成型5組試件，其各項物理力學性能指標見表5。

下面從5組配合比的體積指標和力學指標兩個方面進行分析。

3.2.1 聚酯纖維種類的對比分析

本次試驗對未摻纖維和路伏特和路孚8000兩種聚酯纖維在0.25%和0.5%摻量情況下的配合比進行了設計。從試驗結果可以看出，路伏特和路孚8000在摻入量相同時，最佳油石比基本相同；且在最佳油石比情況下馬歇爾物理力學各項指標差別不大。由于本次研究著重于不同摻量的纖維對聚酯纖維瀝青混合料路用性能的影響，因此考慮使用路伏特和路孚8000兩種聚酯纖維，以提高研究代表性，對不同聚酯纖維類別之間的差異不作展開探討。

表4 高溫穩定性和水穩定性驗證結果Tab.4 Verification results of high temperature stability and water stability

表5 最佳油石比情況下馬歇爾物理力學指標Tab.5 Marshall’s test physical and mechanical index under the optimal ratio of oil to stone

3.2.2 最佳油石比

在礦料和添加劑確定，要求的瀝青膜厚度一致的情況下，影響最佳油石比的最主要的因素就是集料和添加劑的比表面積，比表面積越大，最佳瀝青用量越大。由于纖維的直徑只有20 μm左右，密度大約在1.36 g/cm3，長度約6 mm，通過計算可以得到1 g聚酯纖維中約含40萬根纖維。按混合料的0.3%的摻量，一個馬歇爾試件約(1 200 g)約含144萬根纖維。雖然只有混合料的千分之幾的摻量，但是也在很大程度上增加了集料的比表面積，由于比表面積的增加，油石比增加是理所當然的。通過試驗，由于比表面積的增加，每增加0.1%的纖維，最佳油石比的就要增加0.05%左右。

3.2.3 毛體積密度

當纖維摻量為0.25%時，混合料的毛體積密度比不摻纖維小，但是在纖維摻量達到0.5%時，毛體積密度又有所回升，但是幅度不是很大，基本上維持在2.25左右。這種現象在加入兩種不同的聚酯纖維的情況都是一樣，說明這不是偶然的。

在纖維摻量為0.25%時，混合料的毛體積密度減小0.01 g/cm3以上，相當于混合料的孔隙率增加0.5%以上。這主要是由于纖維的加入導致混合料的礦料間隙率增加，雖然增加了瀝青含量，加入了纖維，但是纖維和瀝青的密度都只有1 g/cm3左右，導致了混合料的密度變小。同時，由于纖維的添加，纖維、礦粉和瀝青組成的膠漿粘度增大，擊實難度增加，混合料的空隙率有所增加，毛體積密度減小。

在纖維摻量為0.5%時，密度基本上與纖維摻量為0.25%時維持在同一水平上。由于最佳油石比的進一步增加，瀝青用量增大，瀝青和纖維較小密度對試件毛體積密度的影響，同時油石比和纖維摻量進一步增加導致擊實難度下降和孔隙率減小而增加試件的毛體積密度。兩者之間影響趨于平衡，其結果是毛體積密度和纖維摻量在0.25%時基本維持在同一水平。

3.2.4 孔隙率

孔隙率在纖維摻量分別為0.25%和0.5%時有一個先增大后減小的過程。在0.5%纖維摻量的情況下的孔隙率比不摻纖維時稍微小一些。孔隙率和密度是兩個相對應的指標，孔隙率大相應的密度就小，反之亦然。其原因和密度變化是對應的，這里就不再詳述。

3.2.5 飽和度及礦料間隙率

可以從表5的數據中看到，在纖維摻量為0.5%時，混合料的瀝青飽和度比纖維摻量為0.25%時增加較大，說明瀝青、纖維對礦料間隙填充更加充分。在礦料間隙率維持在同一水平，設計孔隙率保持不變時，混合料的密度會隨著瀝青含量的提高、飽和度的提高而提高，同時由于摻加的瀝青和纖維量增加、膠漿粘度也增大，導致密度的減小。

3.2.6 流值和穩定度

試驗結果表明，混合料的穩定度會隨著纖維加入數量的增加而增加，但是當摻入量在0.5%之后穩定度會隨之降低；瀝青用量直接影響著流值，流值體現了試件的抗沖擊變形能力，尤其當試件達到破壞荷載門限后，假如此時的變形值能持續更久時間則更能體現瀝青混合料的抗沖擊變形能力。當然，流值的大小受纖維摻量的多少所影響：混合料中的瀝青含量會隨著纖維加入量的增大而增多，同時，加入纖維后，混合料的抗變形能力會有效加強。在試驗過程當中，未加入纖維的混合料都比較脆弱，試件在最大破壞荷載時立刻松散或者劈裂。由于纖維的加入，增加了混合料韌性，提高了混合料的變形能力，導致混合料的流值增多。

4 結論

1)混合料瀝青的最優使用量與纖維的加入數量成正比例關系，會隨著纖維加入數量的提升而升高，但加入量超過一個門限值時，瀝青的最優使用量便不再變化。

2)混合料密度會隨著加入纖維而降低，但空隙率會提高，其中纖維的含量越大這種現象越顯著。

3)混合料的穩定度和流值會隨著摻入兩種纖維后而提高，其中加入聚脂纖維混合料增加幅度尤其明顯。

4)對纖維瀝青混合料，配合比設計過程中需要注意以下幾方面內容：第一是拌和混合料時由于纖維的加入拌和時間和拌和溫度都要有所增加，干拌時間增加30 s左右，拌和溫度提高5 ℃～10 ℃。第二是混合料設計指標中VMA應比規范要求提高0.5%，穩定度提高到不小于10 kN，流值適當放寬到2～5 mm。