不同類型纖維改性OGFC-13瀝青混合料路用性能研究

肖杰 黃詩洪 王子威

作者簡介：

肖?杰（1992—），碩士，工程師，主要從事公路工程建設管理工作。

為研究不同類型纖維對OGFC-13瀝青混合料路用性能的影響，文章選取了玻璃纖維、木質纖維和玄武巖纖維三種常見纖維，對纖維改性的瀝青膠漿進行了拉拔試驗和三大指標性能試驗，分析不同纖維摻量下的最佳油石比，研究不同纖維摻量對OGFC-13瀝青混合料高溫性能、低溫性能及水穩定性等基本路用性能的改性效果，并采用肯塔堡飛散試驗評價纖維改性瀝青混合料的抗松散性。結果表明：三種類型纖維均可明顯改善瀝青膠漿的抗拉拔性能，同時提高其基本性能；玻璃纖維的添加可顯著提高OGFC-13瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性，且隨著玻璃纖維摻量的增加呈先遞增后減小的趨勢，針對不同性能，其最佳摻量存在差異，當纖維摻量為0.2%時，表現出最佳的高溫抗車轍性能，而低溫性能和水穩定性最好時的纖維摻量為0.4%；添加纖維能有效地提高混合料的抗松散性，但過量的纖維摻量會降低其增強效果。

道路工程；纖維改性；瀝青混合料；路用性能；抗松散性能

U414.1A160574

0?引言

OGFC級配具有20%左右的大空隙率，可快速排出路面上的雨水，并顯著吸收交通噪聲［1］。此外，由于OGFC的粗糙表面，車輛輪胎和路面之間的摩擦力更好，提高了行車在潮濕條件下的行駛安全性。為了實現較大的空隙率，這種設計通常為具有較少的細顆粒，會導致其強度和耐久性降低。在瀝青混合料中使用纖維不僅可增強抗疲勞和車轍性能，還能提高其抗松散性和水穩定性［2］。同時，纖維的良好吸附能力使其能夠穩定OGFC瀝青混合料中過量的游離瀝青，有效緩解瀝青耐久性問題。

為此，許多研究人員專注于纖維改性瀝青效果的研究。高穎等［3］研究結果表明，玻璃纖維的加入對排水瀝青混合料的高中低溫性能和水穩定性具有良好的改善作用。黃永發［4］探討了不同玄武巖纖維摻量對開級配瀝青混合料路用性能的影響，確定了綜合性能最優的玄武巖纖維摻量為0.3%。崔世富［5］研究了木質纖維對多孔瀝青混合料各項路用性能的改性效果。查旭東等［6］在OGFC瀝青混合料中摻入不同含量的玄武巖纖維，研究發現其對OGFC混合料的高低溫性能和水穩性有增強效果，建議玄武巖纖維的最佳含量為0.4%。劉明金等［7］研究了級配、鋼渣摻量及油石比對透水混合料路用性能的影響，結果表明鋼渣摻量和油石比分別為25%和5%時，混合料的綜合性能最佳。梁庭熹等［8］采用無損檢測手段檢驗了OGFC-13在惠清高速公路中的應用效果，并進行了有限元模型分析。陶志鵬［9］對纖維改性透水瀝青混合料的空隙率與透水性的關系進行了研究，分析了纖維對路用性能的改善效果。

盡管已經證實了一些不同纖維的良好性能，但市場上的纖維種類繁多，在原料來源、密度、抗拉強度和改性效果等方面存在差異。此外，研究者們側重于多孔瀝青混合料的基礎性能研究，而對其抗松散性能關注較少，路面在氧化、氣候條件和行車荷載及動水沖刷的綜合影響下，會使瀝青與集料間的膠結能力逐步降低，加劇集料的脫落和飛散。

為此，本研究選擇玻璃纖維、木質纖維和玄武巖纖維，制備了三種纖維改性瀝青，進行了拉拔強度、針入度、軟化點和延度性能測試，綜合確定最佳的纖維類型，并據此對纖維改性瀝青混合料進行馬歇爾試驗，以確定不同纖維含量下的最佳油石比；同時對混合料的基本路用性能進行了驗證，并通過肯塔堡飛散試驗評價不同纖維改性OGFC瀝青混合料的抗松散性能，確定各性能下最佳纖維摻量，以期為同類工程建設提供參考。

1?原材料與試驗方法

1.1?原材料

1.1.1?瀝青

選用質量分數為94%的SBS改性瀝青，并摻6%的高黏改性劑，制備高黏SBS改性瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行相關性能測試，其主要性能試驗結果如表1所示。

1.1.2?集料

試驗所用粗細集料均為輝綠巖，其主要技術指標見表2。

1.1.3?纖維

選擇瀝青路面行業常用的三種代表性纖維，即玻璃纖維、木質纖維、玄武巖纖維，其主要技術指標如表3所示。

1.1.4?集料級配

OGFC-13瀝青混合料的合成級配見表4。

1.2?試驗方法

1.2.1?纖維類型比選

（1）粘附性試驗。采用拉拔儀［10］測試不同纖維與瀝青的粘結強度。

（2）纖維改性瀝青膠漿性能試驗。將瀝青和纖維分別加熱至接近150 ℃和105 ℃，以保持其充分干燥；然后，將不同類型和含量的纖維加入瀝青中，通過攪拌機高速攪拌，以確保纖維的分散均勻性，完成纖維改性瀝青膠漿的制備。隨后進行針入度、軟化點和延度試驗。

1.2.2?路用性能及抗松散性能試驗

根據纖維比選試驗結果，基于OGFC-13級配制備纖維改性瀝青混合料。選擇不同含量的纖維（0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）進行馬歇爾試驗，從而確定不同纖維含量下的最佳油石比。同時根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011）進行高低溫性能、水穩定性等基本路用性能試驗，并采用肯塔堡飛散試驗評價纖維改性瀝青混合料的抗松散性。

2?試驗結果與分析

2.1?纖維類型比選

2.1.1?纖維改性瀝青拉拔性能

不同纖維與瀝青拉拔試驗結果如圖1所示。由圖1可知，不同的纖維及其埋入深度對瀝青的粘結性能有一定的影響，隨著纖維埋入深度的增加，纖維與瀝青之間的強度顯著提高，但不同纖維類型的改善程度不同，玻璃纖維具有最好的改善效果，其次是玄武巖纖維和木質纖維，表明玻璃纖維與瀝青具有良好的粘結力。

2.1.2?纖維改性瀝青膠漿性能

2.1.2.1?針入度

三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿在25 ℃的針入度試驗結果如圖2所示。由圖2可知，三種纖維改性瀝青膠漿的針入度值隨著纖維含量的增加而降低。這是因為添加纖維后形成的纖維網絡會限制瀝青結合料的流動性，從而提高瀝青結合料的稠度，降低結合料的溫度敏感性。與玄武巖纖維和木質素纖維相比，玻璃纖維對瀝青膠漿的針入度影響最大，即具有更顯著的增黏作用。

2.1.2.2?軟化點

三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿的軟化點試驗結果如圖3所示。可知三種纖維改性瀝青膠漿的軟化點隨纖維含量的增加基本呈線性增加，說明纖維的加入增強了瀝青的高溫穩定性。纖維對瀝青的高溫改進效果依次為：玻璃纖維＞玄武巖纖維＞木質纖維。

2.1.2.3?延度

圖4給出了三種不同纖維含量的纖維改性瀝青膠漿的5 ℃延度試驗結果。可以看出三種纖維改性瀝青膠漿的延度隨著纖維含量的增加而下降，這意味著應為每種纖維選擇合適的含量，因為纖維含量過多會導致低溫性能變差。

對三種纖維改性瀝青膠漿性能綜合比選后，選擇玻璃纖維作為有利的纖維類型。

2.2?最佳油石比確定及路用性能

2.2.1?最佳油石比

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的標準，對不同玻璃纖維含量的馬歇爾試件進行馬歇爾試驗，最終得到不同玻璃纖維含量下的最佳油石比如圖5所示。由圖5可知，最佳油石比隨玻璃纖維摻量增加而增加，這可能是由于玻璃纖維吸附到瀝青上造成的，加入玻璃纖維后，瀝青的一部分質量被玻璃纖維吸收，說明瀝青混合料需要更多的瀝青來補充損失的質量，才能達到最佳性能。

2.2.2?高溫性能

對5種不同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料在最佳油石比含量下進行高溫車轍試驗，結果如圖6所示。玻璃纖維摻入明顯提高了瀝青混合料的高溫穩定性。混合料的動穩定度隨玻璃纖維摻量的增加先增加后降低。在0.2%玻璃纖維摻量下達到峰值，較未摻玻璃纖維的增加了30.3%。這可能是因為玻璃纖維摻量較低時，纖維可以充分分散在瀝青混合料中。在最佳摻量之前，混合料的高溫穩定性隨玻璃纖維含量增加而迅速提高，當其含量超過最佳摻量時，由于在瀝青混合料中分散不均勻和瀝青的過度吸附導致纖維結塊現象的出現，會降低高溫穩定性。因此，就高溫性能而言，最佳玻璃纖維摻量為0.2%。

2.2.3?低溫性能

圖7為低溫彎曲試驗結果，由圖可知玻璃纖維改性瀝青混合料的低溫抗裂性能與未改性試件相比，在添加玻璃纖維后略有改善。隨著玻璃纖維摻量的增加，混合料的最大拉應力和應變呈先增大后減小的趨勢，其中劈裂強度和破壞拉伸應變在玻璃纖維摻量為0.4%時達到最大值。主要是因為玻璃纖維摻量相對較低，通過在瀝青混合料中均勻分布并形成網狀結構，可以提高瀝青混合料的低溫力學性能。但玻璃纖維含量較高時出現團聚現象，降低了低溫下的強度，但性能仍優于未摻加纖維。

2.2.4?水穩定性

浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂強度試驗結果如下頁圖8所示，可知所有試件的殘留穩定度值均＞80%。隨著玻璃纖維摻量的增加，整體上殘留穩定度和凍融劈裂強度比均先升高后降低，且均在玻璃纖維摻量為0.4%時出現峰值。當玻璃纖維摻量＜0.4%時，纖維和瀝青之間的界面粘附性將得到提高，并且水分敏感性也會得到改善。然而，一旦超過最佳摻量，過多的瀝青含量可能會損害混合料骨架結構，降低潮濕條件下的強度。

2.2.5?抗松散性

圖9給出了肯塔堡飛散試驗的結果。由圖9可知，未經玻璃纖維改性的OGFC混合料的飛散損失值超過了20%，不符合規范要求，說明其易散開。添加玻璃纖維有效地提高了混合料的抗松散性，但不同玻璃纖維摻量的改善程度不同。當玻璃纖維摻量＞0.4%時，其抗松散性較最佳摻量降低了14.6%。過量纖維的這種負面影響可歸因于兩方面：（1）過多的纖維吸收了更多瀝青，導致骨料之間的粘合不足；（2）在制備時纖維結塊過多，導致纖維分散不均勻。

3?結語

（1）玻璃纖維、木質纖維和玄武巖纖維三種類型的纖維均可明顯改善瀝青膠漿的抗拉拔性能，同時提高其基本性能。通過比選，確定最有利的纖維類型是玻璃纖維。OGFC-13瀝青混合料的最佳油石比隨著纖維摻量的增加而增加，可能是由于纖維吸附到瀝青上造成的。

（2）玻璃纖維的添加可顯著提高OGFC-13瀝青混合料的各項路用性能，且隨著玻璃纖維摻量的增加呈先遞增后減小的趨勢，針對不同性能，其最佳摻量存在差異，當纖維摻量為0.2%時，表現出最佳的高溫抗車轍性能，而低溫性能和水穩定性最好時的纖維摻量為0.4%。

（3）肯塔堡飛散試驗結果表明，添加玻璃纖維能有效提高混合料的抗松散性，但過量纖維摻量會降低改善效果，說明過多的纖維吸收了更多的瀝青，導致骨料間粘合不足，同時在進行制備時纖維結塊過多，導致纖維分散不均勻也是一個主要原因。

參考文獻

［1］Punith V S，Suresha S N，Raju S，et al.Laboratory investigation of open-graded friction-course mixtures containing polymers and cellulose fibers［J］.Journal of Transportation Engineering，2012，138（1）：67-74.

［2］朱洪洲，譚祺琦，楊孝思，等.纖維改性瀝青混合料性能的研究現狀與展望［J］.科學技術與工程，2022，22（7）：2 573-2 584.

［3］高?穎，朱玉風，和燕超，等.玻璃纖維改性排水瀝青混合料路用性能分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2020，36（4）：690-696.

［4］黃永發.玄武巖纖維低噪聲瀝青混合料路用性能及其應用研究［D］.西安：長安大學，2015.

［5］崔世富.摻木質纖維的多孔瀝青混合料性能研究［J］.中外公路，2019，39（2）：223-226.

［6］查旭東，李?康，袁盛杰，等.特種玄武巖纖維增強OGFC-13混合料配合比設計及路用性能試驗［J］.長沙理工大學學報（自然科學版），2016，13（2）：1-7.

［7］劉明金，柯?望，李闖民.基于路用性能的摻鋼渣透水瀝青混合料設計［J］.公路與汽運，2021，204（3）：68-73，77.

［8］梁庭熹，包聰靈，許新權，等.OGFC-13在惠清高速公路路面中的應用［J］.廣東公路交通，2021，47（4）：30-34，40.

［9］陶志鵬.透水瀝青路面混合料配合比設計及其路用性能研究［D］.南昌：南昌工程學院，2020.

［10］蔣夢雅，劉頎楠，盧?峰.玻璃纖維對瀝青混合料路用性能的影響［J］.公路，2021，66（7）：63-69.