聚丙烯纖維對AC13瀝青混合料剪切參數影響試驗研究

馬尚

（揚州市公路事業發展中心，江蘇揚州225007）

0 引言

由于在運輸過程中存在重載、超載等問題，導致路面出現各種早期損壞嚴重的現象，這為我國帶來了巨大的經濟損失[1]。研究表明，這種路面早期破損嚴重的現象除了與上述客觀因素有關外，還與瀝青混合料的抗剪性能有關[2]。相關試驗及實踐證明，添加纖維能夠顯著改善瀝青混合料的路用性能，且能長時間保持，可降低道路后期的養護成本[3]。但目前的相關研究多集中在纖維類型、摻量等對瀝青混合料其他路用性能的影響方面[4]。關于纖維對瀝青混合料的抗剪強度，尤其是抗剪參數（內摩擦角和黏聚力）的影響的研究較少[5]。

在瀝青混合料抗剪強度研究方面，孫立軍基于既往研究總結了瀝青混合料的抗剪性能及試驗方法后，開發了單軸貫入試驗方法[6]。Zhu.H等研究者提出了一種正應力條件下的扭剪試驗方法[7]。其原理是通過齒條和齒輪將垂直力轉化為扭矩，從而使圓形截面試樣發生剪切。經理論分析和室內試驗，試驗的破壞模式為剪切破壞，可用于評價瀝青混合料的剪切性能。邵顯智對瀝青混合料在不同條件下進行了單軸貫入試驗，如集料性質、級配類型、瀝青種類與溫度變化等，同時研究了瀝青混合料在不同因素條件下抗剪強度的變化[8]。楊軍[9]、朱浩然[10]等研究者通過開展三軸剪切試驗，認為剪切流動是車轍產生的主要原因，得出級配、最佳瀝青用量、瀝青黏度、試驗溫度對黏聚力和內摩擦角的影響規律。

因此，擬采用聚丙烯纖維和AC-13級配，研究纖維對瀝青混合料剪切參數（抗剪強度、內摩擦角、黏聚力）的影響，這對理解和指導纖維瀝青混合料設計具有一定的現實意義。

1 原材料

該試驗采用成品SBS改性瀝青（PG76-22）、聚丙烯纖維（由江蘇某廠家提供，長度為6mm，直徑為20μm）、石灰巖集料和石灰巖礦粉等材料，集料性能均滿足相關規范要求（SBS改性瀝青性能指標試驗結果見表1）。

表1 SBS改性瀝青性能指標及試驗結果

2 瀝青混合料組成設計

共設計四種纖維摻量的AC-13瀝青混合料，纖維摻量分別為瀝青混合料質量的0%、0.2%、0.3%和0.4%。以《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）為參考，對AC-13瀝青混合料進行級配設計，根據反復調試，最終確定的級配如表2所示，四種瀝青混合料的組成設計結果如表3所示。

表2 AC-13瀝青混合料級配設計

表3 AC-13瀝青混合料組成設計結果

3 試驗方法

采取單軸貫入試驗測試瀝青混合料的抗剪強度，該方法由同濟大學孫立軍提出，操作方便，適用性強。單軸壓縮試驗相當于是圍壓為零時的三軸剪切試驗，因此結合單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗，即可計算出瀝青混合料的抗剪參數（內摩擦角和黏聚力）。

4 試驗結果與分析

4.1 單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗結果與分析

該研究選用單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗分別對不同纖維摻量的AC-13瀝青混合料進行測試，每種試樣各制備三個平行試件，去除變異值后取其平均值作為極限荷載的最終值，試驗結果如表4、表5所示。

表5 AC-13單軸壓縮試驗結果

由表4可知，相對于較普通的AC-13瀝青混合料，當其中的聚丙烯纖維含量增加到0.2%、0.3%、0.4%時，AC-13瀝青混合料的抗剪強度可增大8.8%、13.4%、24.1%。這是由于將聚丙烯纖維添加到瀝青混合料中，會在其內部形成較為穩定的三維網狀結構，瀝青膠漿的黏結力會在一定程度上限制內部細小顆粒的移動，在纖維直徑不變的情況下，纖維摻量增加，便會增加瀝青混合料內部的纖維根數，從而加強三維網狀結構，使混合料的抗剪強度明顯提升。

表4 AC-13單軸貫入試驗結果

由表5可知，與普通AC-13瀝青混合料相比，摻加聚丙烯纖維的AC-13瀝青混合料的壓縮強度明顯提高，當纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，壓縮強度分別增加8.2%、13.5%、21.3%，即混合料的壓縮強度隨纖維摻量的增加而增加。這是因為聚丙烯纖維與瀝青混合料有較好的黏合性，能有效阻止膠漿流動，纖維摻量增加，會更大程度地阻止膠漿流動，使混合料的壓縮強度增加。可見，在瀝青混合料中合理加入聚丙烯纖維可明顯提高其壓縮強度。

4.2 瀝青混合料抗剪參數分析

根據抗剪強度和壓縮強度數據，可計算不同纖維摻量下瀝青混合料的黏聚力及內摩擦角，計算結果如表6所示。

表6 AC-13抗剪參數計算結果

由表6可知，與普通的AC-13瀝青混合料相比，摻加聚丙烯纖維的AC-13瀝青混合料的黏聚力（c）值有所提高。這是因為將纖維摻入瀝青混合料，會形成纖維瀝青膠漿，在一定程度上對混合物起到加強穩固的作用，從而提高混合物內部細小顆粒間的黏聚力。與普通的AC-13瀝青混合料相比，聚丙烯纖維AC-13瀝青混合料的內摩擦角增加范圍在0%～0.4%，變化幅度很小，且不同纖維摻量下，混合料的內摩擦角并沒有明顯的變化規律。因此可得出：AC-13瀝青混合料的黏聚力會隨纖維摻入量的增加而增加，但纖維摻量的變化對內摩擦角的影響甚微。這主要是由于在AC-13瀝青混合料中加入一定量的聚丙烯纖維，會在混合料內部形成三維網狀結構，纖維對混合料中的膠漿有增黏作用，在一定范圍內，纖維摻量越大，對混合料的增黏作用越強，從而會增強混合料的黏聚力；而AC-13瀝青混合料是“懸浮-密實”結構，集料在其中無法形成骨架，故混合料的內摩擦角趨于穩定。

5 結論

就聚丙烯纖維對AC-13瀝青混合料抗剪強度和抗剪參數（黏聚力和內摩擦角）的影響進行研究，得出如下結論：

第一，普通AC-13瀝青混合料的最佳油石比確定為4.9%，纖維摻量分別為0.2%、0.3%和0.4%的瀝青混合料的最佳油石比為5%、5%、5.1%，說明摻加纖維會提升AC13瀝青混合料的最佳油石比。

第二，聚丙烯纖維能夠提升AC-13瀝青混合料的抗剪強度和壓縮強度，當纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，抗剪強度分別增加8.8%、13.4%、24.1%，壓縮強度分別增加8.2%、13.5%、21.3%，說明聚丙烯纖維在混合料內部形成三維網、與瀝青有效黏結，可改善AC-13瀝青混合料的力學性能。

第三，將聚丙烯纖維摻入AC-13瀝青混合料中，可提高混合料的黏聚力，且黏聚力的提高與一定范圍內的纖維摻量呈正相關，但纖維摻量對內摩擦角的影響甚微，這是由AC-13瀝青混合料的“懸浮-密實”結構決定的。