不同纖維瀝青混合料耐久性評價

陶明路

摘要 文章選取木質纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、PVA（聚乙烯醇高強高模纖維）作為混合料穩定劑，通過模擬瀝青混合料不同時長熱老化，對四種纖維瀝青混合料進行室內老化，運用馬歇爾穩定度、浸水飛散、凍融劈裂、三點小梁彎曲等試驗探究纖維對瀝青混合料的高溫耐久性、抗水損害耐久性、低溫抗開裂耐久性的影響。

關鍵詞 纖維;瀝青混合料;耐久性;高速公路

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0107-03

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瀝青混合料內部與外界直接接觸面積較大，容易受陽光、水、空氣等環境因素影響。安徽夏季氣溫較高，瀝青混合料老化速度快，瀝青路面的耐久性往往得不到保障。國內外研究表明纖維作為穩定劑分散在瀝青混合料中，有吸附、增粘、加筋等作用，能夠增強瀝青混合料的耐久性能，延長道路使用壽命[1]。

1 纖維穩定劑

工程中應用的纖維，一般分為兩類：天然纖維和聚合物纖維。天然纖維是通過天然高聚物化學處理后，機械加工制得，原材料來源廣泛，包括棉、麻、木材等，常用的有木質纖維、玄武巖纖維等，其中木質纖維在SMA路面中得到了廣泛應用[2];聚合物纖維是利用高分子物質作為原料，經過特殊化學處理與加工制造而成，常見的聚合物纖維有聚酯纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等。該文考慮到選擇多樣性，故分別選擇兩種天然纖維：木質纖維和玄武巖纖維，兩種聚合物纖維：玻璃纖維和PVA纖維作為添加劑，以期提高瀝青混合料的耐久性。

2 瀝青混合料老化評價方法

瀝青混合料的老化是指瀝青路面受到氣候、行車荷載等因素長期作用，瀝青膠結料性質和結構逐步損失，性能劣化，不能滿足路面技術要求，路面結構破壞。瀝青混合料老化分為長期和短期兩個階段，短期老化在路面建成之前，包括拌合站拌和、儲存、運輸，攤鋪壓實等，在攤鋪結束，路面降至自然溫度后，老化結束;長期老化是指路面在運營期間，長時間受到外界環境因素作用，瀝青膠結料性質逐漸縮減，路面性能不斷衰減，老化至路面性能不能滿足行車要求指標結束。

2.1 短期老化評估方法

借鑒SHRP取得研究成果，短期老化的試驗方法能夠模擬瀝青混合料在拌和、運輸、壓實情況下，受熱后瀝青的輕質組分揮發，并發生一定程度氧化的過程，評價方法主要有延時拌和法、烘箱加熱法、微波加熱法三種，比較后發現烘箱加熱法設備常規操作難度較小，有可行性，模擬施工條件的老化也較為真實可靠，而延時拌和法只能模擬拌和期間的老化，具有一定局限，微波加熱法設備不夠常規，使用經驗也較少。因此，將烘箱加熱法用作瀝青混合料短期老化方法較好。

2.2 長期老化評估方法

瀝青混合料長期老化方法能反映路面在長期受外界環境作用下，發生的一系列的化學、物理反應，其中最重要的是氧化反應。SHRP擬定的長期老化包括延時烘箱加熱、加壓氧化處理和紅外/紫外加熱處理。比較來看，加熱養護氧化操作較為復雜，安全性也需要注意，延時烘箱能達到與加壓氧化類似的氧化程度，溫度較一般自然條件要高，紅外線、紫外線難以模擬野外條件，并且設備不夠常規，操作難度較大。因此，將烘箱加熱法作為瀝青混合料長期老化方法較為可行。借鑒SHRP的老化評估方法，試驗采用烘箱加熱法模擬瀝青混合料不同時長老化，加熱時間分別設定為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h。

3 老化后抗高溫性能

采用馬歇爾試驗對不同老化程度下的四種纖維混合料高溫性能進行比較，試驗級配采取貝雷法設計得到的合成級配，考慮到木質纖維體積較大，吸油能力較強，其摻量選用0.2%，其他纖維摻量選擇慣用的0.3%，由析漏和飛散試驗得到木質纖維混合料的最佳油石比為4.9%，其余纖維瀝青混合料最佳油石比均在4.8%左右，空隙率均能維持在21%左右。試驗結果如表1所示。

由表1可知，四種纖維混合料穩定度均隨著老化時間的延長逐漸增大，這說明隨著老化的加深，瀝青混合料的強度不斷增大，高溫穩定性得到提升。分析其原因主要在于加熱老化使瀝青內部飽和分、芳香分等輕質組分逐漸揮發，瀝青中的活性組分吸收氧氣形成極性含氧基團，并且不斷搭接，形成高分子膠團，破壞了瀝青原有的組分和結構，瀝青質增多，瀝青逐漸變硬，宏觀表現為瀝青混合料有更高的強度。

從表1來看，老化時長內，四種纖維混合料的穩定度大小順序沒有發生更迭，均為玄武巖纖維>玻璃纖維>木質纖維>PVA纖維。從數值來看，老化0 h時PVA纖維混合料的略小于5 kN，從試驗來看可能是由于其空隙率稍大于21%所造成，其余纖維瀝青混合料均滿足規范對于穩定度大于5 kN的要求，說明纖維對于混合料強度起到了一定積極作用。

玄武巖混合料的馬歇爾穩定度從開始就遠大于其他三種纖維混合料，在沒有老化時為6.28 kN，老化8 h后為7.83 kN，高溫性能表現優異，這也與玄武巖纖維具有最高的抗拉強度形成對應關系。玻璃纖維的破壞強度隨老化時間的延長速度加快，沒有老化時穩定度為5.26 kN，老化8 h后提升至7.56 kN，但仍小于玄武巖瀝青混合料。

4 老化后抗水損壞性能

瀝青混合料由于大空隙的特征，當降雨時，雨水可以借助內部連通空隙排出到路兩邊的排水渠道，對防止水損壞起到了積極作用，但瀝青內部也存在較多的半開口空隙，在潮濕多雨的地區，空氣中的氣態水和地下水長期存在半開口空隙中，在行車荷載的作用下，瀝青粘度降低，在沖刷作用下，形成動水壓力，破壞路面結構。瀝青有排水的功能特性，是易受水損壞的路面類型之一，對其水損壞性能研究很有必要。

當前測試瀝青混合料的水穩定性試驗包括浸水馬歇爾、浸水飛散，凍融劈裂試驗等，根據實際經驗，浸水飛散、凍融劈裂試驗無論是便利性還是準確性都較為突出，采用浸水飛散試驗和凍融劈裂試驗，模擬老化和水損壞共同作用下纖維混合料的性能表現。

4.1 浸水飛散試驗

浸水飛散試驗的試驗結果如表2。

由表2可知，隨著老化時間的延長，四種纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率均呈現不同幅度增長，這說明瀝青與集料之間的粘附作用下滑，老化降低了纖維瀝青混合料的抗水損害能力。當老化時間從0 h提高至8 h，玄武巖纖維和PVA瀝青混合料的浸水飛散損失率增長幅度相對較小，兩者表現出相對優異的抵抗水損壞能力，其中玄武巖纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率從3.68%增大到7.43%，共增長3.75%，PVA從4.53%增大到8.01%，共增長3.48%。木質纖維和玻璃纖維瀝青混合料的飛散損失率增大速度較快，其中木質纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率從6.15%增大到12.21%，共增長6.06%，PVA纖維瀝青混合料從3.96%增大到11.58%，共增長7.62%，兩者在老化時長為8 h的浸水飛散損失均超過了10%，抗水損壞耐久性能下降明顯，這兩種纖維瀝青混合料受長期水熱損壞的影響較大。

從飛散損失率大小來看，當老化時間為0 h時，四種纖維瀝青混合料的浸水飛散損失率為均小于7%，纖維的添加對瀝青混合料內部材料具有較好的約束作用，分散在瀝青混合料中的纖維形成的網狀結構提高了瀝青混合料的整體性。綜合老化時長，四種纖維瀝青混合料的抗水損害能力由高到低分別為玄武巖纖維>PVA纖維>玻璃纖維>木質纖維。

4.2 凍融劈裂試驗

不同纖維、不同老化時長的瀝青混合料凍融劈裂試驗結果如表3所示。

由表3可知，瀝青混合料隨老化時長增加，其劈裂強度比提高，但提高幅度不明顯，老化一定程度上縮小了凍融循環前后的強度差距。根據劈裂強度的試驗結果也可發現，老化提高了瀝青混合料的整體強度原因是瀝青老化破壞了原有的瀝青組分和結構，瀝青質增多，瀝青變硬，粘度增大，表現出了更高的劈裂強度。從纖維瀝青混合料種類來看，四種纖維瀝青混合料的強TSR由高到低分別為玄武巖纖維>PVA纖維>玻璃纖維>木質纖維，這與浸水飛散試驗的試驗結果形成對應。

5 低溫抗開裂性能

裂縫是瀝青路面的常見病害之一，初期裂縫對路面的使用無明顯影響，但在交通荷載、環境等多種因素影響下，裂縫逐步擴展、稠密、復雜，最終使路面結構發生破壞。

安徽多數區縣晝夜溫差大，秋冬季節夜間氣溫較低，瀝青路面容易因交通荷載和溫度變化等因素導致開裂，故對瀝青混合料低溫的抗變形能力也有所要求，利用小梁彎曲試驗對四種纖維混合料進行低溫性能測試。

試驗采用SANS萬能試驗機，試件為250 mm×30 mm×35 mm小梁，跨徑為（200±0.5）mm，試驗溫度采用（?10±0.5）℃，加載速率為50 mm/min。四種纖維混合料的彎曲試驗結果見表4。

瀝青混合料抗彎拉強度越大，氣溫降低時，瀝青路面因收縮產生的拉應力允許值就越大，路面抵抗低溫開裂能力就越高。由表4可知，四種纖維瀝青混合料的抗拉應力均能夠達到6 MPa以上，纖維的加入使透水瀝青路面表現出較好的抗彎拉強度，原因在于纖維以三維分散相分布在瀝青混合料中，起到了加筋作用，提高了對集料的約束力，并且纖維也吸收了部分拉伸應力，增強了混合料強度和韌性。四種纖維混合料抗彎拉強度中，玄武巖纖維表現最好，達到8.58 MPa，相比其他三種纖維瀝青混合料，差距不大。對于安徽較為寒冷的高速公路罩面養護，添加纖維是瀝青混合料是避免低溫下韌性，強度不足的有效手段。

由表4看出，四種纖維瀝青混合料在?10℃下的抗彎拉變形能力均較為出色，能夠達到4 000 με左右，表現出優異的低溫拉伸能力，能夠承受路面因溫縮產生的較大變形。從抗彎拉應變能力大小來看，PVA纖維混合料在試件受力破壞時的最大拉應變遠大于其他三種，達到5 226 με，超過木質纖維、玄武巖纖維及玻璃纖維瀝青混合料的抗彎拉應變1 000 με以上，分析其原因在于PVA纖維的原材料聚乙烯醇平均分子量較高，可以達到60 000～150 000，但其熱分解溫度和熔點較低，僅在190～210 ℃左右，這使得PVA纖維宏觀表現為質地柔軟，耐熱、耐水能力相對較低，而排水瀝青混合料使用的高粘改性瀝青對瀝青混合料拌和和壓實溫度要求都較高，其中礦料溫度需要達到185～210 ℃，故推測瀝青混合料在拌和以及水熱老化過程中，部分PVA纖維損失，使得PVA纖維瀝青混合料表現出相對玄武巖纖維較低的高溫穩定性、抗水損害能力和低溫抗拉強度，但在拉伸應變方面有優勢。

由表4得出，四種纖維混合料在?10 ℃低溫下勁度模量均不超過2 500 MPa，這說明即使在溫度較低的情況下，纖維瀝青混合料依然能夠保持較好的應力松弛性能力，表現出優異的低溫抗裂性能。

6 結論

通過試驗，四種纖維混合料的高溫性能排序為：玄武巖纖維>玻璃纖維>木質纖維>PVA纖維;四種纖維瀝青混合料抵抗水損壞能力排序為：玄武巖纖維>木質纖維>玻璃纖維>PVA纖維;四種纖維混合料的低溫抗裂性能各有特點，綜合看來，玄武巖纖維瀝青混合料的抗彎拉強度和低溫變形能力均最為突出。可見，玄武巖纖維用作穩定劑加入排水瀝青混合料中，無論是從高溫穩定性、抗水損害性能，還是低溫抗裂均有更為優異的表現，木質纖維次之。經濟條件允許的情況下，推薦玄武巖作為纖維穩定增強劑，能夠較好地提高排水路面的耐久性能，延長路面的使用壽命。

參考文獻

[1]宋建軍， 蔡乾東， 李延盛， 等. 高模量組合纖維瀝青混合料路用性能研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2019（9）： 43-45.

[2]蔡毅. 不同纖維瀝青混合料性能研究[D]. 西安：長安大學， 2019.