復摻纖維環氧瀝青混凝土的路用性能研究

肖青戰 , 張 超

（陜西工業職業技術學院 土木工程學院，陜西咸陽 712000）

環氧瀝青混合料最早應用在美國的San Mateo－Hayward大橋中，在該大橋中用作橋面鋪裝材料，自此之后，環氧瀝青混凝土由于其強度高、應用耐久等優點備受關注，并且在加拿大、澳大利亞等國家得到了大量的應用[1-3]。我國的南京長江二橋修建時應用規模也較大，應用效果達到了預期，但是隨著應用的普及發現環氧瀝青混凝土在應用中存在固化后較脆、易開裂等問題[4-5]。目前大多數研究側重于環氧瀝青混合料的抗裂性，錢振東等[6]研究表明將橡膠粉摻加在環氧瀝青混合料中可以提高環氧瀝青混合料的低溫變形能力和抗裂性能。汪林等研究結果表明[7]，在環氧瀝青混合料中摻入纖維可以提高混合料的抗疲勞性能和抗裂性能。

本文對不同復摻纖維摻量（1%、2%、3%、4%）的改性環氧瀝青進行了黏度試驗和BBR試驗，并對其混合料進行了低溫彎曲試驗和三分點加載疲勞試驗，推薦了改性環氧瀝青混合料的最佳復摻纖維摻量，以期為復摻纖維改性環氧瀝青混合料應用于路面工程提供技術支撐。

1 試驗材料及方法選擇

1.1 環氧瀝青及礦料

采用某公司生產的國產環氧瀝青，環氧瀝青包含組分A環氧樹脂、組分B石油瀝青及固化劑生成的均勻的勻質合成物，礦料要求干燥、不含風化顆粒，本研究中的礦料選擇玄武巖，并且根據相關的技術要求進行檢驗，各項指標全部符合要求。混合料的礦料級配件見表1，采用馬歇爾試驗確定油石比6.5%。

表1 礦料級配Table 1 Mineral aggregate gradation

1.2 纖維

纖維具有橋接和加筋的作用，并且還可以適應環氧瀝青混凝土在應用中的變形特性。聚酯纖維一般應用在混凝土面層路石的修補中，可以改善環氧瀝青混凝土的柔韌性能，本研究中選擇的纖維為聚酯纖維和聚丙烯纖維，兩種纖維的技術參數見表2。

表2 兩種纖維的技術參數Table 2 Technical parameters of two kinds of fibers

1.3 配合比及試件制作

纖維復摻環氧瀝青混凝土中，聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的體積總摻率為1%、2%、3%、4%，兩種纖維體積摻率比為1∶1，具體配合比見表3。

表3 試驗用配合比%Table 3 Test mix proportion%

在預熱好的攪拌鍋中倒入稱重好的粗集料和細集料，聚酯纖維和聚丙烯纖維根據摻入比例加入，加入之后干拌60s，使其混合均勻；再加入一定質量的環氧瀝青進行拌合，拌合時間為90s使其充分混合均勻；最后根據摻入比例加入稱重好的礦粉，拌合90s之后獲得纖維環氧瀝青混凝土，整個拌合過程為恒溫控制，控制溫度為140℃，出料溫度為145℃。利用該混合料制成馬歇爾試件或車轍板，試件成型之后在140℃的烘箱中進行固化，固化時間為5h，之后冷卻至室溫放置24h之后開展相關的路用性能研究。

1.4 試驗方法

為了比較不同復摻聚酯纖維的環氧瀝青混凝土的路用性能差異，選擇低溫抗裂性試驗、疲勞試驗、車轍試驗、馬歇爾試驗進行分析。

1.4.1 低溫抗裂性試驗方法

低溫抗裂性能不足對環氧瀝青混凝土使用壽命具有一定的影響，因此，通過低溫小梁彎曲試驗對試件的低溫抗裂性能進行分析。從車轍板上切割尺寸為250mm×30mm×35mm的小梁試件，參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的彎曲試驗相關流程，試驗前試件在-10℃的恒溫箱中放置最少4h，采用單點加載方式以50mm·min-1的速率進行加載，記錄破壞載荷和破壞應變，利用破壞應變指標對復摻纖維環氧瀝青混凝土的低溫抗裂性能進行評價。

1.4.2 疲勞試驗方法

從車轍板上進行小梁試件切割，切割尺寸為250mm×40mm×40mm，疲勞試驗進行中采用LDMT-25的控制應力模式、半正弦波、三分點加載方式進行加載控制，試驗溫度為15℃，應力比為0.3，加載頻率為10Hz，加載速率為50mm/min，試件兩個支點之間的有效跨徑為250mm，根據彎曲極限荷載與應力比確定荷載水平，得到疲勞作用次數用以表征復摻纖維環氧瀝青混凝土的抗疲勞性能。

1.4.3 車轍試驗

采用輪碾法制作車轍試件，車轍試件的尺寸為300mm×300mm×50mm，車轍試驗進行中溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，利用動穩定度對高溫穩定性進行表征。根據JTG E20-2011進行試驗。

1.4.4 馬歇爾試驗

試件采用標準擊實法制作，馬歇爾試驗瀝青混合料的制作方法根據JTGE20-2011中的流程，試件分成2組，一組高溫固化之后在60℃水浴中浸泡0.5h對試件的穩定度進行測試；一組高溫固化之后在60℃水浴中浸泡48h對試件的穩定度進行測試。

2 復摻纖維環氧瀝青混凝土路用性能試驗結果

2.1 低溫抗裂性

復摻纖維環氧瀝青混凝土低溫抗裂性能試驗結果見表4，當聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的復摻量為1%時，纖維復摻環氧瀝青混凝土B抗彎拉強度比未摻纖維環氧瀝青混凝土A增大了8.5%、最大彎拉應變增大了7.0%；纖維復摻量為3%時，纖維復摻環氧瀝青混凝土D的抗彎拉強度最大、彎拉應變最大，由此可知，聚酯纖維和聚丙烯纖維對環氧瀝青混合料的低溫抗裂性具有改善作用，改善最佳的纖維復摻比為3%，這主要是因為當纖維的摻量不大時，聚酯纖維在環氧瀝青混合料中呈現出均勻分散的狀態，通過纖維的縱橫交錯作用提高了環氧瀝青混合料的整體強度，而隨著纖維摻量的不斷提高，混凝土的低溫抗裂性能進一步提高，彎曲勁度模量也不斷下降，當含量為3%時對于環氧瀝青混凝土的改性作用最佳，當纖維含量超過3%時，部分纖維在環氧瀝青混凝土中存在結團現象，不能均勻分散，纖維結團導致薄弱界面，界面易出現應力集中現象從而降低環氧瀝青混凝土的強度。

表4 纖維改性環氧瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Table 4 Low temperature bending test results of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.2 疲勞試驗結果

隨著聚酯纖維和聚丙烯纖維摻量的不斷提高，纖維摻量由0%增加到4%時，環氧瀝青混合料的疲勞對數擬合結果如圖1所示，當復摻纖維量為3%時，擬合曲線的K值最大，K值越大說明疲勞曲線的線位越高，代表著環氧瀝青混合料的疲勞壽命越大，四種復摻纖維的環氧瀝青混合料的疲勞壽命B、C、D、E高于未摻纖維環氧瀝青混凝土A。由此可知，摻入聚酯纖維和聚丙烯纖維之后可以明顯改善環氧瀝青混合料的抗疲勞性能，未摻纖維環氧瀝青混凝土A疲勞壽命短并且對應力變化比較敏感，分析原因主要如下：一是，環氧瀝青混合料中可能存在內部缺陷，在進行彎曲疲勞試驗時可能會出現應力集中應變的現象，從而產生微裂縫。在載荷的重復作用下，裂縫會進一步擴大，最終破壞環氧瀝青混合料的結構。二是，混合料中復摻纖維之后，由于纖維的分散作用在環氧瀝青混合料內部的裂紋和孔隙中形成橋架纖維，對裂紋的進一步擴大起到約束的作用，從而提高環氧瀝青混合料的裂紋自愈能力，提高混合料的疲勞壽命。三是，聚酯纖維和聚丙烯纖維的比表面積較大，直徑較小只有幾微米，與瀝青充分接觸，提高了瀝青的混合性能，最終提高瀝青混合料的抗疲勞壽命。

圖1 纖維改性環氧瀝青混合料疲勞曲線雙對數擬合結果Fig.1 Double logarithmic fitting results of fatigue curve of fiber modified epoxy asphalt mixture

2.3 國產車轍試驗結果

利用國產車轍儀對復摻纖維環氧瀝青混凝土B、C、D、E與未摻纖維環氧瀝青混凝土A進行車轍試驗，試驗結果見表5。

表5 國產車轍試驗結果Table 5 Results of domestic rutting test

根據表5可知，與未摻纖維環氧瀝青混凝土A相比，纖維復摻環氧瀝青混凝土B、C、D、E變形幅度較小，纖維復摻環氧瀝青混凝土D基本無變形；纖維復摻環氧瀝青混凝土B、C、D、E的動穩定度遠遠高于A，復摻纖維為3%時，環氧瀝青混凝土的高溫穩定性最好，這主要是因為纖維的加筋橋接作用使整個環氧瀝青混凝土體系更加穩定，提高了整個環氧瀝青混凝土體系的抗變形能力。

2.4 浸水馬歇爾試驗

根據表6的數據可知，纖維復摻環氧瀝青混凝土B、C、D、E的殘留穩定度要高于未摻纖維環氧瀝青混凝土A，這是因為增加纖維之后，兩種纖維的吸油作用會提高混合料的油石比，纖維與環氧瀝青作用之后形成結合力比較強的“結構瀝青”界面層，利于纖維與環氧瀝青固結為一體，從而提高水穩定性能。

表6 浸水馬歇爾試驗結果Table 6 Results of immersion Marshall test

3 結論

（1）聚酯纖維和聚丙烯纖維兩種纖維的復摻量為1%時，纖維復摻環氧瀝青混凝土B抗彎拉強度比未摻纖維環氧瀝青混凝土A增大了8.5%、最大彎拉應變增大了7.0%；聚酯纖維和聚丙烯纖維對環氧瀝青混合料的低溫抗裂性具有改善作用，改善最佳的纖維復摻比為3%。

（2）四種復摻纖維的環氧瀝青混合料的疲勞壽命B、C、D、E高于未摻纖維環氧瀝青混凝土A，聚酯纖維和聚丙烯纖維復摻量為3%時環氧瀝青混合料的疲勞壽命最好。

（3）與未摻纖維環氧瀝青混凝土A相比，纖維復摻環氧瀝青混凝土B、C、D、E變形幅度較小，纖維復摻3%環氧瀝青混凝土基本無變形。

（4）纖維復摻環氧瀝青混凝土B、C、D、E的殘留穩定度要高于未摻纖維環氧瀝青混凝土A。