纖維對澆注式瀝青混合料性能的影響

陳華明，王志祥

(1.廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550；2.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

0 引言

澆注式瀝青混合料以高含量瀝青膠漿為主要特點，具有密水性好、抗疲勞及耐久性良、變形協調性優、施工不需碾壓的優勢，在橋面鋪裝中逐漸被推廣應用[1]。澆注式瀝青混合料本身的組成特點決定了其高溫抗永久變形能力較差，這給橋面鋪裝長期高質量的使用帶來了隱患，在保證澆注式瀝青混合料本身優良性能發揮的同時，提升其高溫抗車轍性能成了國內外學者關注和研究的重點[2-3]。部分專家學者通過對混合料設計、組合結構鋪裝優化、生產工藝、施工工藝等方面的改進來提升澆注式瀝青混合料乃至鋪裝層結構的抗高溫變形能力，但是效果不佳[4-6]。還有學者也通過采用纖維格柵來增強澆注式瀝青混合料的強度，但是施工工程較為繁瑣，施工質量難于有效控制[7]，而通過在拌和過程中添加纖維的方式改善其耐久性能成為不錯的選擇。纖維作為一種優良的穩定劑，在增強混合料性能方面，尤其在抗裂、抗變形性能方面有獨特的優勢[8-9]。劉福軍[10]、邱國洲等[11]、何靜[12]研究了玄武巖纖維對基質及天然瀝青瀝青膠漿流變性能、AC及SMA瀝青混凝土性能的影響。陳華鑫等[13]、張衛華[14]分析了纖維類別及摻量對熱拌瀝青混合料性能的影響及作用機理，并根據研究成果進行了試驗路鋪筑驗證。本研究嘗試通過工程上常用的纖維加強澆注式瀝青混合料性能，以彌補其高溫性能差的缺陷，為其推廣應用奠定基礎。

1 原材料及性能指標

1.1 瀝青

采用TLA湖瀝青與SBS改性瀝青復配的膠結料(質量比為6∶4)，性能指標見表1。

表1 膠結料性能指標Tab.1 Performance indicators of cementitious material

1.2 礦料

采用規格為5～10 mm，3～5 mm的輝綠巖集料； 0～3 mm的石灰石機制砂和石灰石礦粉，技術指標滿足規范要求。

1.3 纖維

試驗采用木質素、礦物、聚酯3種性質不同的纖維(外觀見圖1)，技術指標見表2。

表2 不同纖維的技術指標Tab.2 Technical indicators of different fibers

圖1 不同的纖維外觀Fig.1 Appearance of different fibers

2 級配設計

根據規范及文獻[6]，確定如表3所示的GA10級配。用油石比為7.2%%，7.4%，7.6%，7.8%，8.0%的拌制混合料(拌制方法：石料和礦粉加溫到(250±5) ℃，復合改性瀝青加溫到180 ℃，試驗拌和溫度達到230 ℃，拌和時間達到45 min)，成型瀝青混合料試件并分別進行230 ℃劉埃爾流動度(工作性能)、60 ℃貫入度(高溫性能)及-10 ℃(低溫性能)低溫彎曲試驗，測試結果見表4。基于均衡設計理念，綜合考慮施工和易性、高溫及低溫指標，確定最佳油石比為7.6%。

表3 GA10合成級配Tab.3 Composite gradation of GA10

表4 混合料性能試驗結果Tab.4 Performance test result of mixture

3 不同纖維對澆注式瀝青混合料路用性能的影響

纖維摻量按照瀝青混合料總質量的百分比計，摻量范圍0%～10%，間隔2%，按照提出的拌和工藝制備混合料，成型相關試件進行試驗，評價澆注式瀝青混合料施工性能、路用性能、長期耐久性能。

3.1 施工和易性

澆注式瀝青混合料的良好流動性是性能保障的關鍵。采用230 ℃劉埃爾流動度評價其施工流動性，測試結果如圖2所示。劉埃爾流動度表征落錘通過一定量具有流動性的混合料所需時間，其值越小表征混合料流動性越好。

圖2 不同纖維摻量的瀝青混合料的流動性Fig.2 Fluidity of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖2可以看出，隨纖維摻量的增加，澆注式瀝青混合料的流動性呈減弱的趨勢。纖維穩定澆注式瀝青混合料效果不盡相同，同等纖維摻量下，摻加木質素纖維的澆注式瀝青混合料的流動度最大，流動性最差；摻加聚酯纖維的澆注式瀝青混合料的流動度最小，流動性最好。除摻加10%木質素纖維的劉埃爾流動度23 s外，其他摻量纖維的澆注式瀝青混合料的流動度均滿足規范要求(5～20 s)。纖維的參與使得澆注式瀝青混合料流動性出現明顯的變化，纖維吸附固定了混合料中的自由瀝青使得混合料相對流動效率降低，流動性減弱。從對瀝青的作用看，相同摻量的木質素纖維對瀝青的吸附最多，其次是玄武巖纖維，聚酯纖維的最少。

3.2 高溫穩定性

3.2.1 貫入度

貫入度指標表征了瀝青混合料在高溫及荷載耦合作用下的抗變形能力，其值越小，高溫穩定性越好。試驗在60 ℃環境下進行，結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同纖維摻量的瀝青混合料的貫入度Fig.3 Penetrations of asphalt mixture with different fiber dosages

圖4 不同纖維摻量的瀝青混合料的貫入度增量Fig.4 Penetration increments of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖3、圖4可以看出，隨纖維摻量的增加，澆注式瀝青混合料的貫入度先降低后增大，貫入度增量有相同的規律。澆注式瀝青混合料中的瀝青一部分存在膠漿中，確保混凝土黏結性和延展性；另一部分以自由瀝青的形式存在，保證混合料良好的工作性。在未摻加纖維之前，混合料中自由瀝青較多，骨料間的相對滑移較為容易，荷載與高溫耦合作用下抗變形能力較弱。隨纖維的增加，纖維固定吸收一定的自由瀝青，使得骨料間滑動約束增大，同時纖維的加筋作用使得瀝青混合料形成穩定的整體，這使得瀝青混凝土的抗高溫性能不斷增強。但是這種增強作用不是持續增加的，當纖維摻量達到一定量時，纖維將過度吸收自由瀝青，甚至有可能剝奪膠漿中的瀝青，這將導致混合料整體的流動性能和黏結性能下降，即使有纖維的加筋作用也無濟于事。不同的纖維都有一個最佳摻量，此時對混合料的高溫性能改善作用最大，木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為4%，6%，8%，貫入度分別比不添加纖維時降低36.4%，42.6%，33.3%。在最佳摻量下，玄武巖纖維對澆注式瀝青混合料高溫性能的提升作用優于其他2種纖維，這可能是由于玄武巖纖維增強的澆注式瀝青混合料的空間網狀結構更加穩固，骨料間的相對滑移約束力增大，同時能夠把荷載應力迅速分散，使得荷載、溫度等耦合條件下瀝青混合料的整體抗破損能力得到改善[14-15]。

3.2.2 車轍試驗

在60 ℃溫度下對纖維增強的澆注式瀝青混合料進行車轍試驗，結果見圖5。

圖5 不同纖維摻量的混合料車轍動穩定度Fig.5 Rutting dynamic stabilities of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖5可以看出，澆注式瀝青混合料抗高溫變形能力較差，車轍動穩定度只有457次/mm，這與其配合比組成相關[16]。澆注式瀝青混合料高溫性能的提升作用并不是隨纖維摻量的增加持續增加，而是先增大后減小，但是在纖維摻量試驗設計范圍內對混合料的性能是改善的。木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維分別在最佳摻量4%，6%，8%下對混合料的抗變形能力改善作用最大，此時高溫性能比不添加纖維分別提升71.8%，93.7%，44%。玄武巖纖維改善效果最為顯著，一方面是因為玄武巖纖維物理柔韌性較好，抗拉伸性能較強，纖維加筋在瀝青膠漿與集料之間，使得整體結構較為穩定；另一方面，該纖維吸附、釋放、分散特性良好，能夠將瀝青的黏結作用發揮到最大，確保混合料耐久性能。而木質素纖維在拌和過程中拌和溫度已經達到其熔點230 ℃，部分木質素纖維可能失效，其改善作用稍弱，需要謹慎使用。

3.3 低溫小梁彎曲試驗

澆注式瀝青混合料不僅要有抵抗低溫開裂的性能，而且要能夠抵抗荷載作用下橋面板負彎矩引起的拉應力的作用，因此在-10 ℃進行小梁彎曲試驗，結果見圖6～圖7。

圖6 不同纖維摻量的瀝青混合料車的極限彎拉應變Fig.6 Ultimate flexural strains of asphalt mixture with different fiber dosages

圖7 不同纖維摻量的瀝青混合料的抗彎拉強度Fig.7 Flexural strengths of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖6、圖7可以看出，纖維穩定的澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能增強，但是不隨纖維摻量的增加而持續增強。木質素纖維的最優摻量為混合料質量的4%，極限彎拉應變是3 885 με，玄武巖纖維的最優摻量為混合料質量的6%，極限彎拉應變是4 105 με，聚酯纖維的最優摻量為混合料質量的8%，極限彎拉應變是3 775 με，玄武巖纖維對提升澆注式瀝青混合料的低溫性能效果最佳。

3.4 水穩定性

為了研究水對澆注式瀝青混合料抗水損壞性能的影響，試驗準備了淡水和濃度為13%的飽和NaCl鹽溶液[17-18]，分別測試其在不同水環境下的穩定性。每種混合料按照規范制備3組馬歇爾試件，第1組室溫下備用；第2組試件先在真空中飽水15 min后放置在淡水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的水中保溫24 h；第3組試件先在真空中飽水15 min后放置在鹽水中15 min，然后在-18 ℃下保持16 h，在60 ℃的鹽水中保溫24 h。將3組試件在25 ℃的水中保溫2 h后分別進行劈裂試驗，結果見圖8及表5。

圖8 不同纖維摻量的瀝青混合料的凍融劈裂比Fig.8 Freeze-thaw splitting ratios of asphalt mixture with different fiber dosages

由圖8和表5可知，對澆注式瀝青混合料的抗劈裂性能的提升作用跟纖維的種類及摻量有較大的關系。每種纖維對混合料水穩定性的提升作用都是隨摻量的增加先增大后降低，存在最佳摻量對其性能提升作用最大。聚酯纖維、玄武巖纖維、木質素纖維的最佳摻量分別為8%，6%，4%。在鹽水更為苛刻的環境下，澆注式瀝青混合料的劈裂強度比比在淡水添加下降低11.1%，這是鹽分析出、溶脹等力學破壞造成的。無論是在淡水還是鹽水環境下，纖維對澆注式瀝青混合料的水穩定性改善作用表現出相同的規律，在最佳纖維摻量下改善作用由小到大依次是玄武巖纖維、木質素纖維、聚酯纖維。

表5 鹽水條件相對于淡水條件凍融劈裂強度降低比Tab.5 Reduction ratio of freeze-thaw splitting strength under salt water condition compared to that under fresh water condition

3.5 疲勞性能

在上文研究的纖維最佳摻量下，基于UTM對不同纖維增強的澆注式瀝青混合料進行四點彎曲疲勞試驗。選用600，700，800，900，1 000 με 5個應變控制水平，荷載頻率為10 Hz，溫度為15 ℃，試驗結果見圖9。

圖9 不同纖維增強的瀝青混合料的疲勞試驗結果Fig.9 Fatigue test result of different fiber-reinforced asphalt mixtures

由圖9可知，隨應變水平的增加，澆注式瀝青混合料的疲勞壽命呈指數函數遞減趨勢，并且擬合函數相關系數R2均大于0.95。在相同應變水平下，加6%玄武巖纖維的澆注式瀝青混合料的疲勞壽命最長，在600 με水平下，疲勞壽命高達730萬次，在800 με水平下，疲勞壽命高達100萬次。而沒有纖維增強的澆注式瀝青混合料，在600 με水平下，疲勞壽命只有300萬次，在800 με水平下，疲勞壽命高達50萬次。這是因為纖維均勻分散在澆注式瀝青混合料中，通過加筋作用使得整體混合料結構更加穩固，更能抵抗荷載的破壞作用，具有更好的抗疲勞開裂性能。

3.6 耐久性能

作為密水性優良的澆注式瀝青混合料常被用在橋面鋪裝的下面層，起到防水、保護橋面板的作用，制備組合試件(上面層3.5 cmSMA13+下面層3 cmGA10)，采用南非MMLS1/3加速加載試驗模擬服役期內澆注式瀝青混合料的受荷狀態，研究最佳摻量下纖維增強瀝青混合料的耐久性能，試驗水溫60 ℃，輪胎接地壓強0.7 MPa，加載頻率30 Hz，試驗結果見圖10。

圖10 不同纖維增強的澆注式瀝青加速加載試驗結果Fig.10 Accelerated loading test result of different fiber-reinforced gussasphalt

由圖10可以看出，隨著加載次數的增加，車轍深度逐漸增加，而增長速度逐漸減小，這符合壓密變形、疲勞變形車轍2階段的變化規律。在相同加載次數下，摻加纖維的澆注式瀝青混合料的車轍變形更小，長期耐久性能更好。加6%玄武巖纖維的澆注式瀝青混合料的耐久性能最優，其次是加4%木質素纖維和加8%聚酯纖維，這是因為混合料中瀝青在高溫、荷載作用下不斷老化，纖維吸收瀝青不斷釋放將改善混合料的耐久性能，木質素纖維雖然對瀝青的吸附作用比較大，但是其拌和溫度230 ℃已經達到了其熔點，拌和時間45 min，在拌和過程中難免有一些木質素纖維在高溫下失效，其改善作用部分無法發揮，所以其耐久性能不如玄武巖纖維，聚酯纖維本身吸收瀝青的能力較弱，在試驗過程中吸附的自由瀝青釋放速度也快，相應的混合料的耐久性能也較差。4種瀝青混合料的加載次數和車轍深度的回歸方程滿足y=alnx+b的指數關系(a，b為擬合參數)，擬合優度R2均大于0.99，擬合相關性良好，可以作為準確預測橋面鋪裝結構耐久性能的方法。

4 結論

通過研究不同種類及摻量的纖維對澆注式瀝青混合料常規、疲勞、耐久性能的影響，得到以下結論：

(1)纖維能夠改善澆注式瀝青混合料的路用性能及耐久性能，尤其可以改善抗永久變形能力。

(2)對澆注式瀝青混合料性能的改善作用受纖維類別及摻量的影響，木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維的最佳摻量分別為4%，6%，8%。

(3)相比于木質素纖維、聚酯纖維，玄武巖纖維對澆注式瀝青混合料的性能改善效果最佳。

(4)加速加載試驗結合數值分析方法能夠較為準確地預測鋪裝結構的車轍變形，為建立耐久性能預估模型提供借鑒。