聚合物纖維瀝青混合料配合比設計與路用性能研究

摘要：文章采用Superpave配合比設計方法和基于最緊密狀態的均衡設計方法這2種設計方法對纖維瀝青混合料進行了配合比設計，并對添加纖維和不添加纖維的2種瀝青混合料進行了性能對比分析。研究結果表明：對纖維瀝青混合料可同時采用Superpave設計方法和基于最緊密狀態設計方法進行設計，需對比分析兩者體積參數指標后綜合分析確定最終油石比；添加纖維后，瀝青混合料各項指標均有提升，其中低溫彎曲破壞應變和動態模量提升20%以上，抗壓強度和抗壓回彈模量等指標提高幅度均在10%以上。

關鍵詞：聚合物纖維；瀝青混合料；配合比設計；路用性能

中圖分類號：U416.2文獻標志碼：A

0引言

目前，現行瀝青混合料設計方法主要包括馬歇爾設計方法、Superpave設計方法和GTM設計方法等。現行設計方法主要遵循的原則為“體積設計，路用性能驗證”。黃優等[1]指出馬歇爾方法及Superpave方法都注重瀝青混合料密實度，即空隙率（VV），但忽略了緊密度這個重要指標。緊密度指的是瀝青混合料中集料之間的緊密程度，可以用瀝青混合料礦料間隙率（VMA）或者粗集料礦料間隙率（VCA）來表征。密實度高并不一定能提升瀝青混合料路用性能，填料比例增大或者瀝青用量增加都會提高密實度。但當填料或瀝青用量過大時，反而會破壞集料嵌擠的骨架結構，降低緊密度，這不但會降低瀝青混合料高溫性能，而且會增加工程造價。針對該問題，文章以甘肅某高速公路項目為依托，在前期已確定配合比的基礎上，對添加纖維的瀝青混合料采用Superpave設計方法和基于最緊密狀態均衡設計方法確定聚合物纖維瀝青混合料的配合比，并通過路用性能測試結果，綜合考慮推薦纖維瀝青混合

料配合比設計方法[2-3]。

1原材料

1.1改性瀝青

改性瀝青技術指標測試結果見表1。

1.2集料

集料技術指標和篩分結果分別見表2、表3。

混合料類型為Sup-20，礦料級配摻配比例為15～20 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm∶礦粉=32%∶20%∶12%∶10%∶22%∶4%，合成級配結果見表4。

2纖維瀝青混合料配合比設計

2.1基于Superpave設計方法的纖維瀝青混合料配合比設計

纖維摻量按照0.2%添加，重新進行瀝青混合配合比設計。礦料級配按照原礦料級配設計，油石比分別按照4.3%、4.6%、4.9%進行試件成型和設計，確定最佳油石比，測試結果見表6。

按照內插法確定油石比為4.7%，計算其他指標礦料間隙率為14.3%，瀝青飽和度為72%，均滿足相關規范要求。

2.2基于最緊密狀態均衡設計方法的纖維瀝青混合料配合比設計

以混合料毛體積密度和最大理論密度為基礎，采用最緊密狀態均衡設計方法，瀝青混合料空隙率（VV）、礦料空隙率（VMA）、粗集料礦料空隙率（VCAmix）、瀝青飽和度（VFA）等一系列體積參數指標按照規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）相關公式計算，以各體積參數繪制不同油石比的二次曲線，混合料干密度、礦料間隙率、粗集料礦料間隙率、油石比是用二次函數曲線模型擬合而成，因此混合料油石比的平均值按二次曲線極值法分別計算，在此壓實條件下，取其平均值作為該混合料最緊密狀態下的油石比，分別對應最大干密度、最大礦料間隙率、最大粗集料間隙率。各參數計算公式：

最大干密度

式中：γg，m為混合料干密度，γf為混合料的毛體積相對密度，Pai為油石比。

礦料間隙率、粗集料礦料間隙率和干密度曲線應采用二次曲線模型擬合。并應滿足下列要求：

式中：VMA為礦料間隙率，VCAmix為粗集料骨架間隙率，γg，m為混合料干密度；Pai為混合料油石比（%）。a、b、c為待定參數。

應按下列公式，分別計算混合料礦料間隙率最小時、粗集料礦料間隙率最小時、混合料干密度最大時的油石比，并取這3個油石比的平均值作為這種礦料級配混合料最緊密狀態下的油石比。

式中：為混合料礦料間隙率最小時或粗集料礦料間隙率最小時或混合料干密度最大時的油石比；a、b為混合料礦料間隙率擬合曲線、粗集料礦料間隙率擬合曲線和干密度擬合曲線的系數。

與Superpave配合比設計相同，纖維摻量按照0.2%添加，重新進行瀝青混合配合比設計[4-5]。礦料級配按照原礦料級配設計，油石比分別按照4.3%、4.6%、4.9%進行試件成型和設計，確定最佳油石比[6]。不同油石比下纖維瀝青混合料最大干密度、礦料間隙率、粗集料骨架間隙率計算結果見表7。

繪制油石比與最大干密度、礦料間隙率、粗骨料骨架間隙率關系曲線，進行二次曲線擬合，如圖1—圖3所示。

按照公式（1）—公式（3）和圖（1）—圖（3）二次擬合曲線計算可得，纖維瀝青混合料最佳油石比為4.5。計算空隙率為4.2，礦料間隙率為14.2%，瀝青飽和度為69%，均滿足設計要求。

分析纖維瀝青混合料的油石比為4.5%和4.7%的體積指標參數，結果見表8。

從表8可以看出，油石比為4.7%時，纖維瀝青混合料初始壓實度和最大壓實度不滿足相關技術指標要求。主要原因為油石比為4.7%時，瀝青混合料密實度的提高不是通過級配優化而是通過增加瀝青用量實現。瀝青用量過大造成瀝青混合料內部摩擦系數降低，瀝青混合料容易壓實。通過上述分析可知，對于纖維瀝青混合料可同時采用Super-pave設計方法和基于最緊密狀態的設計方法進行設計，對比分析兩者體積參數指標，綜合分析確定最終的油石比。

3纖維瀝青混合料路用性能

按照0.2%的纖維添加量，對比分析未添加纖維和添加纖維的瀝青混合料路用性能，并對2種瀝青混合料的疲勞性能，動態模量及抗壓強度和抗壓回彈模量進行全面對比，具體結果見表9、表10。

3.1浸水馬歇爾殘留穩定度

表9是瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度的試驗結果。

3.2低溫彎曲性能

試驗按照行業規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料彎曲試驗（T 0715—2011）的要求，采用UTM100試驗機進行試驗。試驗溫度為-10℃，加載速率50 mm/min。試件尺寸為長250 mm±2 mm、寬30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm的棱柱體小梁，跨徑為200 mm±0.5 mm。試驗結果見表10。

3.3疲勞性能

試驗按照SCB半圓彎拉試驗的要求，采用UTM100試驗機進行試驗。試驗溫度為20℃，加載速率50 mm/min，加載頻率為10 Hz。試件尺寸為直徑100 mm±2 mm、高50 mm±2 mm的半圓型試件，跨徑為80 mm±0.5 mm，測試試件未開槽，試驗結果見表11。

3.4動態模量

試驗按照行業規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料單軸壓縮動態模量試驗（T 0738—2011）的要求，采用UTM100試驗機進行試驗。該方法是測定瀝青混合料在線黏彈性范圍內的單軸壓縮動態模量，在無側限條件下，按照一定溫度與頻率（試驗溫度為30℃，加載頻率為10 Hz）對試件施加偏移正弦波軸向壓應力，量測試件可恢復的軸向應變。試件動態模量按|E*|=計算。其中，試件尺寸為直徑100 mm±2 mm、高100 mm±2.0 mm的圓柱體試件，試驗結果見表12。

3.5抗壓強度和抗壓回彈模量

試驗按照行業規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的瀝青混合料單軸壓縮試驗（T 0713—2000）的要求，采用UTM100試驗機進行試驗。試驗溫度為20℃（試件置于20℃恒溫水浴中保持2.5 h以上）。試件尺寸為直徑100 mm±2 mm、高100 mm±2.0 mm的圓柱體試件，試驗結果見表13。

通過對比分析加纖維和未加纖維的瀝青混合料浸水馬歇爾、低溫彎曲破壞、動態模量、疲勞壽命、抗壓強度和抗壓回彈模量等試驗結果。添加纖維后，瀝青混合料各項指標均有提升。其中低溫彎曲破壞應變和動態模量提升20%以上，抗壓強度和抗壓回彈模量等指標提高幅度均在10%以上。說明纖維的存在起到了加筋、阻裂和增韌等作用，提高了瀝青混合料力學性能[7-8]。

4結語

瀝青混合料現行設計方法以“體積設計、路用性能驗證”為原則，但未考慮緊密度和密實度區別，纖維的加入更容易導致增加瀝青用量來提升混合料密實度，從而忽略了瀝青混合料緊密度。因此現行瀝青混合料設計方法在應用與纖維瀝青混合料設計時存在一定缺陷。文章采用Sup-20瀝青混合料，在已確定設計配合比的基礎上，對纖維瀝青混合料采用2種設計方法（Superpave配合比設計方法和基于最緊密狀態的均衡設計方法）進行了配合比設計和分析，確定了油石比，并進行了性能對比。主要結論如下：

（1）當Sup-20纖維瀝青混合料采用Superpave設計方法時，確定的油石比為4.7%。采用最緊密狀態均衡設計方法時，確定的油石比為4.5%。結合纖維瀝青混合料路用性能試驗結果分析可知：Super-pave設計時主要通過增加瀝青用量來提高瀝青混合料密實度，但忽略了瀝青混合料緊密度。因此，纖維瀝青混合料配合比設計需采用基于最緊密狀態的設計方法，但要對其路用性能進行驗證。

（2）文章對未添加和添加纖維瀝青混合料的疲勞性能，動態模量及抗壓強度和抗壓回彈模量等力學性能進行了試驗研究，試驗結果表明：纖維瀝青混合料相比于未添加纖維的瀝青混合料力學性能提升明顯，其中抗壓強度和抗壓回彈模量等指標提高幅度均在10%以上，低溫彎曲破壞應變和動態模量提升20%以上。

參考文獻：

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Design of Mixture Ratio of Polymer Fiber Asphalt andStudy on Road Performance

XUE Ying

（Gansu Construction Project Management Co.，Ltd.，Lanzhou Gansu 730030，China）

Abstract：The Superpave mix design method and the balanced design method based on the densest state were used to design the mix ratio of fiber asphalt mixture，and the properties of two kinds of asphalt mixture with and without fibers were compared and analyzed.The results showed that：Superpave design method and tightest state de-sign method can be used to design fiber asphalt mixture at the same time.The final oil-stone ratio is determined by comprehensive analysis after comparing and analyzing the volume parameters of the two methods.After adding fi-ber，the indexes of asphalt mixture were improved.Amongthem，the low-temperature bending failurestrain and dy-namic modulus are increased by more than 20%，the compressive strength and compressive resilience modulus are increased by more than 10%.

Keywords：polymerfiber;asphaltmixture;mix ratio design;road performance