不同纖維對新型生態排水瀝青混合料性能影響評價

袁祖光，梁維廣，吳飛富，張云霞，鄒 杰，許 斌，彩雷洲

(1.廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，南寧 530000；2.廣西交通投資集團有限公司,南寧 530000； 3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

0 引 言

排水瀝青混合料(Porous Asphalt Concrete,PAC)是一種具有連通空隙的開級配瀝青混合料，因其具有良好的排水抗滑性能而在國內外得以廣泛應用[1-2]。但排水瀝青混合料的高空隙率導致其抵抗外界侵蝕能力較差，易發生瀝青膜老化現象，且抗壓、抗剪切能力差，所以在地形復雜、地勢較陡或車流量較大地區較少使用[3- 4]。

近年來,纖維材料在普通瀝青混合料中的應用逐漸被人們所認知，瀝青瑪蹄脂碎石混合料(Stone Mastic Asphalt,SMA)路面結構的興起也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。Serin等[5]將鋼纖維加入SMA中，研究表明當瀝青和鋼纖維用量分別為5.5%和0.75%時，增強瀝青混合料具有最佳性能。Guo等[6]研究了玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維三種纖維對SMA低溫性能和抗裂性的影響，發現添加纖維后，瀝青混合料極限拉伸強度下降，壓縮模量和拉伸模量之間的間隙增加；此外，纖維的添加不僅改善了混合物的延展性，而且延遲了斷裂過程，使纖維瀝青混凝土具有更高的斷裂能和耗散蠕變應變能。Pirmohammad等[7]將不同長度和摻量的兩種天然纖維(洋麻和山羊絨)添加到SMA中研究其斷裂性能，研究表明洋麻和山羊絨纖維是用于制造瀝青路面的有前景的材料，由長度為8 mm的0.3%洋麻纖維和長度為4 mm的0.3%羊絨纖維增強的瀝青混合物顯示出最佳效果。馬峰等[8]將木質素纖維、玄武巖礦物纖維復合加入SMA中，結果表明復合纖維的高溫性能、水穩定性和低溫應變能較普通瀝青混合料有較大幅度增長，但兩種復合纖維的抗疲勞性能差異不大。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。所以，將纖維用在排水性瀝青混合料中，同在SMA中類似，在穩定瀝青的同時，纖維在排水瀝青混合料中具有加筋、分散、吸附瀝青、增粘等作用[9-11]，研究發現玄武巖纖維排水瀝青混合料在低溫抗裂和抗疲勞性能方面具有較好的表現，更適用于排水瀝青路面的材料選擇。王偉平[12]研究表明纖維在減少排水性瀝青混合料的析漏方面功能顯著,纖維的力學增強作用只有在摻量較大時才能體現出來。Wang等[13]將不同長度切碎的玄武巖纖維摻在排水瀝青混合料中，表明纖維能在排水瀝青混合料中形成三維網絡結構，因此添加切碎的玄武巖纖維通常可以改善多孔瀝青混合料的性能。使用木質素纖維能夠很好的改善排水性瀝青混合料對瀝青用量的敏感性，增加瀝青膜厚，減少、消除瀝青離析[14-16]。現階段纖維的研究和應用集中于 SMA 和其他密級配的瀝青混合料，將纖維應用于排水瀝青的相關研究較少，且主要集中在研究纖維的長度、某種纖維的摻量等，而纖維種類繁多，纖維的類型對排水瀝青混合料性能影響的對比研究也較為缺乏，工程上選擇纖維具有一定的盲目性與不確定性。

基于此，本文針對廣西降雨量較大地區和重要交通路段，分別選取三種不同纖維(聚合物纖維、木質素纖維、玄武巖纖維)加入排水瀝青混合料，首先對比優選品質最佳的三種不同纖維，通過體積指標、穩定度和流值、浸水馬歇爾穩定度等確定最佳摻量(質量分數，下同)，最后在最佳纖維摻量下，以殘留穩定度試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗、滲水試驗評價不同纖維對新型生態排水瀝青混合料路用性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

研究所用瀝青為殼牌70號基質瀝青、A-SBS(苯乙烯系熱塑性彈性體)改性瀝青以及SBS改性瀝青-高黏度改性瀝青(High Viscosity Modifiecl Asphalt,HVA)，其基本性能指標如表1所示。

表1 不同道路石油瀝青性能指標Table 1 Performance index of different road asphalts

1.2 試驗方法

本研究分別選取不同公司生產的木質素纖維、礦物纖維(玄武巖纖維)和聚合物纖維各三種，通過纖維指標(長度、斷裂伸長率、斷裂強度、耐熱性)、摻加纖維瀝青混合料指標(析漏損失185 ℃、肯塔堡標準飛散損失)，對比分析三種纖維的指標，優選出各方面性能最佳的三種纖維。隨后將三種最佳纖維按照不同摻量(考慮纖維摻量過大可能會造成排水瀝青混合料中空隙堵塞，因而選擇各類型纖維摻量(質量分數)為0.05%、0.10%、0.15%)加入到生態排水瀝青混合料中，根據性能指標結果優選出三種纖維各自最佳摻量，試驗方案如表2所示；最后通過最佳摻量對比分析不同纖維對生態排水瀝青性能影響，試驗方案如表3所示。試驗過程中生態排水瀝青混合料采用級配礦粉及集料各檔篩分如表4所示。

表2 第一步試驗方案Table 2 First step tests plan

表3 第二步試驗方案Table 3 Second step tests plan

表4 各檔集料篩分及合成級配匯總Table 4 Aggregate sieving and synthesis gradation summary

2 纖維品質的選擇與確定

2.1 纖維的選擇

2.1.1 聚合物纖維

三種不同公司生產的聚合物纖維A、B、C纖維指標(斷裂伸長率、斷裂強度)以及摻加纖維瀝青混合料指標(析漏損失185 ℃、肯塔堡標準飛散損失)如圖1和圖2所示。在耐熱性試驗(210 ℃，2 h)中，只有纖維B體積、顏色無明顯變化。

由圖1可知，聚合物纖維A、B、C中，聚合物纖維A、B、C的斷裂伸長率都滿足規范，但聚合物纖維B的斷裂伸長率最大；加入聚合物纖維A、B、C測定試件的飛散質量損失，聚合物纖維B的飛散質量損失最小，即加入聚合物纖維B的瀝青混合料抗飛散能力最好。

由圖2可知，聚合物纖維A、B、C的斷裂強度都滿足規范，其中聚合物纖維B的斷裂強度最高，聚合物纖維C耐熱性和飛散質量損失超限；總體來看，聚合物纖維B在各個指標上不僅符合規范，而且相比其他聚合物纖維A、C表現更好。因此，在聚合物纖維A、B、C中，聚合物纖維B更適合作為排水瀝青混合料的摻加纖維。

圖1 不同聚合物纖維指標對比圖Fig.1 Index comparison of different polymer fibers

圖2 不同聚合物纖維斷裂強度對比圖Fig.2 Breaking strength comparison of different polymer fibers

2.1.2 木質素纖維

對三種不同公司生產的木質素纖維A、B、C進行檢測，其含水率、吸油率及耐熱性試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，木質素纖維A含水率超限，木質素纖維B、C含水率符合規范要求，且木質素纖維C含水率更低，性能表現更好；木質素纖維A、B、C吸油率都滿足規范要求，其中木質素纖維C的吸油率是木質素纖維B的1.3倍；木質素纖維B的耐熱性超限，木質素纖維A、C的耐熱性符合要求，但木質素纖維C相比木質素纖維A具有更好的耐熱性能。總體來看木質素纖維C的各方面性能優于木質素纖維A和C，因此，在木質素纖維A、B、C中，木質素纖維C更適合作為排水瀝青混合料的摻加纖維。

2.1.3 玄武巖纖維

對三種不同公司生產的玄武巖纖維A、B、C進行檢測，其斷裂強度、含水率、浸潤劑含量試驗結果如圖4所示。

圖3 不同木質素纖維檢測指標對比圖Fig.3 Index comparison of different lignin fibers

圖4 不同玄武巖纖維檢測指標對比圖Fig.4 Index comparison of different basalt fibers

由圖4可知，玄武巖纖維A、C的斷裂強度超限，而玄武巖纖維B的斷裂強度符合要求；玄武巖纖維C的含水率超限，玄武巖纖維A、B的含水率符合規范要求，其中玄武巖纖維B的含水率更小；玄武巖纖維A、B、C的浸潤劑含量只有C超限，而玄武巖纖維A、B的浸潤劑含量皆滿足要求。綜上所述，玄武巖纖維B在各方面的性能表現均滿足規范要求，且大部分性能表現優于玄武巖纖維A和C。因此，在玄武巖纖維A、B、C中，玄武巖纖維B更適合作為排水瀝青混合料的摻加纖維。

2.2 纖維最佳摻量確定

研究所采用瀝青為高粘瀝青，油石比為4.8%，聚合物纖維采用聚合物纖維B，木質素纖維采用木質素纖維C，玄武巖纖維采用玄武巖纖維B。分別以0%、0.05%、0.1%、0.15%纖維摻量(質量分數)進行體積指標(空隙率和密度)、穩定度和流值、浸水馬歇爾穩定度測定。再根據以上指標選定的聚合物纖維的最佳摻量，探究殘留穩定度試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗、滲水試驗對排水瀝青混合料性能的影響。

2.2.1 聚合物纖維摻量對排水瀝青混合料性能影響

不同聚合物纖維摻量試驗結果如表5、6所示。

表5 不同聚合物纖維摻量指標測定表Table 5 Index determination of different polymer fiber content

表6 0.1%聚合物纖維摻量下排水瀝青混合料路用性能指標Table 6 Performance index of PAC at 0.1% polymer fiber content

由表5可知，加入聚合物纖維B后對混合料的密度影響較小，根據四種摻量的聚合物纖維B成型的馬歇爾試件測定，馬歇爾密度最大相差0.035。纖維加入后馬歇爾試件的空隙率仍然保持在(22±1)%的允許范圍內；在不同纖維摻量的馬歇爾試件穩定度中，加入0.1%聚合物纖維后，穩定度出現較大提高，相比于未加纖維的馬歇爾穩定度提高12%，相比于加入0.05%聚合物纖維穩定度提高23%，相比于加入0.15%聚合物纖維穩定度提高21%。加入聚合物纖維后整體流值都出現降低，而且浸水后流值也出現降低，尤其是加入0.1%聚合物纖維后，浸水后流值低于其他三種摻量。此外，加入聚合物纖維后飛散質量損失大大降低，相比于未加入纖維時飛散質量損失最大降低35%，且加入0.1%和0.15%時質量飛散損失非常接近，但摻量相差0.05%，出于經濟考慮，0.1%聚合物纖維摻量更加符合實際使用。綜上所述，加入四種摻量的聚合物纖維B后，排水瀝青混合料的性能有了較大提升，尤其是抗飛散能力，其中0.1%的聚合物纖維摻量下排水瀝青混合料更加符合經濟和質量要求。

由表6可知，0.1%聚合物纖維B摻量下的排水瀝青混合料四個指標完全滿足規范要求，殘留穩定度相比于規范最低要求提高16%左右；凍融強度比相比于規范最低要求提高10.7%，證明加入0.1%聚合物纖維B的排水瀝青混合料抗水損害性能完全符合要求。加入0.1%聚合物纖維B的排水瀝青混合料動穩定度為10 865，比規范最低要求高兩倍多，證明加入0.1%聚合物纖維B的排水瀝青混合料高溫穩定性非常好，完全可以滿足高溫地區的耐高溫能力實際需要。滲水系數相對于規范最低要求提高18%，證明排水瀝青路面完全可以滿足多雨地區的高排水要求。綜上所述，加入0.1%的聚合物纖維B能夠有效提高排水瀝青混合料的抗水損害能力、耐高溫能力和排水能力。

2.2.2 木質素纖維摻量對排水瀝青混合料性能影響

不同木質素纖維摻量試驗結果如表7、8所示。

由表7可知，加入木質素纖維C后對混合料的密度影響較小。空隙率波動較小，連通孔隙率全部維持在18%左右，證明木質素纖維C的加入并不會對體積指標有巨大影響。但是當木質素纖維摻量達到0.15%時，體積指標出現相對而言比較大的波動；在不同纖維摻量的馬歇爾試件穩定度中，加入木質素纖維后，流值出現降低，相對于未加入纖維最大降低幅度達到30%。浸水48 h后穩定度相對于未加入纖維提高較大，當木質素纖維摻量為0.1%時，浸水48 h后穩定度提高幅度最大。此外，加入木質素纖維后飛散質量損失大大降低，相比于未加入纖維時飛散質量損失最大降低22%，且加入0.1%和0.15%時質量飛散損失非常接近，但摻量相差0.05%，出于經濟考慮0.1%木質素纖維摻量更符合實際使用。

表7 不同木質素纖維摻量下試驗結果Table 7 Test results of different lignin fiber content

表8 0.1%木質素纖維摻量下排水瀝青混合料路用性能Table 8 Performance index of PAC at 0.1% lignin fiber content

由表8可知，0.1%木質素纖維C摻量下的排水瀝青混合料四個指標符合規范要求，殘留穩定度相比于規范最低要求提高16.8%，凍融強度比大于規范最低要求，證明加入0.1%木質素纖維C的排水瀝青混合料抗水損害能力達到規范要求并有較大提高。排水瀝青混合料動穩定度為9 600，比規范最低要求高近兩倍，證明加入0.1%木質素纖維C的排水瀝青混合料高溫穩定性能夠滿足高溫地區耐高溫能力的實際需要；滲水系數相對于規范最低要求提高9.9%，證明排水瀝青路面能夠滿足多雨地區的高排水要求。綜上所述，加入0.1%的木質素纖維C能夠有效提高排水瀝青混合料抗水損害能力、耐高溫能力和排水能力。

2.2.3 玄武巖纖維摻量對排水瀝青混合料性能影響

不同玄武巖纖維摻量試驗結果如表9、10所示。

表9 不同玄武巖纖維摻量下指標測定表Table 9 Test results of different basalt fiber content

表10 0.1%玄武巖纖維摻量下排水瀝青混合料路用性能Table 10 Performance index of PAC at 0.1% basalt fiber content

由表9可知，加入玄武巖纖維后，馬歇爾試件的密度增大，最大幅度達到1.8%，但當纖維摻量為0.05%和0.1%時，密度最大幅度為1.4%，相對于玄武巖纖維摻量0.15%密度降低22%；纖維加入后馬歇爾試件的空隙率受到影響，空隙率不高于21%，證明玄武巖纖維會較大影響馬歇爾試件的體積指標。當玄武巖纖維摻量為0.1%時，空隙率為21%，但連通空隙率為18.4%達到設計要求；在排水瀝青混合料中加入玄武巖纖維時，不論纖維摻量大小，馬歇爾穩定度都提高3.5%～12%，浸水48 h后馬歇爾穩定度提高3.1%～4.7%，但是當玄武巖纖維摻量為0.05%時，穩定度比數據超標，分析由于馬歇爾試件在60 ℃水中保溫48 h，高溫水浴和時間增加了瀝青與集料之間的粘結力，數據應不做參考。除此之外，加入玄武巖纖維后飛散質量損失大大降低，抗飛散能力提高，提高范圍為26.7%～40.2%。而玄武巖纖維摻量為0.1%和0.15%時質量飛散損失非常接近，抗飛散能力提高幅度只相差4.9%，但是纖維摻量增加50%，出于經濟考慮，0.1%玄武巖纖維摻量更符合實際需要。綜上所述，加入四種摻量的玄武巖纖維B后，排水瀝青混合料的性能有了較大提升，尤其是抗飛散能力，其中0.1%的玄武巖纖維摻量下更加符合質量和經濟要求。因此，玄武巖纖維B的四種摻量應該優選0.1%為最佳摻量，以便于下一步研究。

由表10可知，0.1%玄武巖纖維B摻量下排水瀝青混合料的四個指標符合規范要求，殘留穩定度相比于規范最低要求提高14.1%，凍融強度比大于規范最低要求24.6%，加入0.1%玄武巖纖維B的排水瀝青混合料抗水損害能力表現出極大提高。排水瀝青混合料動穩定度為13 216，高于規范最低要求兩倍以上，證明加入0.1%玄武巖纖維B的排水瀝青混合料高溫穩定性和高溫抗變形能力充分滿足高溫地區的耐高溫需要；滲水系數相對于規范最低要求提高24.4%，排水能力強，證明排水瀝青路面的排水能力高于多雨地區的排水要求。綜上所述，加入0.1%的玄武巖纖維B能夠有效提高排水瀝青混合料抗水損害能力、耐高溫能力和排水能力。

3 纖維種類對排水瀝青混合料性能的影響

圖5 三種纖維排水瀝青混合料空隙指標對比圖Fig.5 Void indexes comparison of PAC with three fibers

以0.1%纖維摻量為三種纖維的最佳纖維摻量。在保證相同纖維摻量下對混合料的各項指標進行對比分析，試驗結果如圖5～圖8所示。

由圖5、圖6可知，加入不同纖維后穩定度、抗飛散能力都得到提升，但是體積指標有比較小的降低。纖維增加了瀝青與礦料的粘附性，通過油膜的粘結，提高集料之間的粘結力，減少析漏，使得穩定度、抗飛散能力都得到提升。三種加入纖維的混合料相比之下，加入聚合物纖維和玄武巖纖維的瀝青混合料密度增大0.036，空隙率下降1.2%，但加入玄武巖纖維的瀝青混合料連通空隙率較大，因此不同纖維對體積指標的負面影響程度排序為：木質素纖維>聚合物纖維>玄武巖纖維。從加入不同纖維的標準馬歇爾穩定來看，聚合物纖維最好，玄武巖纖維次之，木質素纖維最差，但是加入玄武巖纖維瀝青混合料48 h后馬歇爾穩定度最大，而木質素纖維48 h后穩定度劇增，數據表現異常，參考價值低。因此不同纖維對瀝青混合料穩定度提高程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維。而不同纖維對瀝青混合料抗飛散能力提高程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維，其中玄武巖纖維和聚合物纖維差距并不大。這是由于玄武巖纖維單絲直徑小,同摻量下纖維數更多,形成了更密集的整體網絡,穩定性更好。

圖6 三種纖維排水瀝青混合料穩定度指標和 飛散質量損失對比圖Fig.6 Stability and flying mass loss rate comparison of PAC with three fibers

圖7 不同纖維排水瀝青混合料路用 性能對比圖Fig.7 Road performance comparison of PAC with three fibers

圖8 不同纖維排水瀝青混合料路用性能對比圖Fig.8 Road performance comparison of PAC with three fibers

由圖7、圖8可知，加入不同纖維后高溫穩定性以及抗水損害能力都得到提升，對滲水性能也影響微小。一方面，纖維在混合料中以一種三維的分散相存在，起到加筋作用，同時可以吸附以及吸收瀝青從而使瀝青用量增加，瀝青油膜變厚，提高了排水瀝青混合料的高溫穩定性。另一方面，纖維使瀝青膜處于比較穩定的狀態，尤其是夏天的高溫天氣，瀝青受熱膨脹，纖維內部的空隙還將成為一種緩沖的介質，避免成為自由瀝青而泛油，從而使得排水瀝青混合料抗水損害能力提升。

三種加入纖維后的瀝青混合料殘留穩定度相比差距較小，加入木質素纖維瀝青混合料的殘留穩定度最好，加入聚合物纖維和玄武巖纖維的瀝青混合料殘留穩定度次之，但加入玄武巖纖維的瀝青混合料凍融劈裂強度比較大，因此不同纖維對瀝青混合料抗水損害能力的提高程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維。加入不同纖維對瀝青混合料動穩定度提高程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維，其中聚合物纖維和木質素纖維相差較小。而不同纖維對瀝青混合料滲水能力影響程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維，其中三種纖維差距并不大，數據隨機性較強。綜上所述，玄武巖纖維對排水瀝青混合料各方面性能提高最為顯著。

4 結 論

(1)聚合物纖維A、B、C中聚合物纖維B性能指標最好，木質素纖維A、B、C中木質素纖維C性能指標最好，玄武巖纖維A、B、C中玄武巖纖維B性能指標最好；三種不同的纖維在摻量0.05%、0.1%、0.15%時，對排水瀝青混合料性能最好的摻量均為0.1%。

(2)三種不同的纖維以最佳摻量摻加時，對混合料的體積指標有較小影響，體現在空隙率減小1.2%左右，密度增大0.037左右；而對其他指標尤其是抗飛散性能、耐高溫性能有巨大提高，表現在抗飛散能力提高35%左右，動穩定度提高2倍左右。

(3)木質素纖維和聚合物纖維對排水瀝青混合料體積指標產生較大消極影響，玄武巖纖維對瀝青混合料穩定度和抗飛散能力提高較為明顯，表現出更好的高溫穩定性。

(4)玄武巖纖維在對抗水損害能力和動穩定度方面的提高程度優于其他兩種纖維，其中聚合物纖維和木質素纖維相差較小。不同纖維對瀝青混合料滲水能力影響程度排序為：玄武巖纖維>聚合物纖維>木質素纖維，其中三種纖維差距并不大，數據隨機性較強。綜上所述，玄武巖纖維對排水瀝青混合料各方面性能提高最為顯著。