关于纤维对沥青混合料性能的影响研究

　　摘要：近年，纤维沥青路面得到了广泛应用，但在设计和施工中还存在很多问题。通过对纤维沥青混合料的一系列性能试验，研究了Dolanit®AS聚丙烯腈纤维用量对沥青混合料性能的影响，最佳纤维用量为0.3％，相应的沥青用量为4.65％。通过不同类型纤维对沥青混合料性能的影响比较，得出BoniFbers®聚酯纤维效果较好。最后通过对AC-16和SMA-16两种沥青混合料掺入纤维后的低温性能和水稳定性试验证明，掺纤维后纤维沥青混合料低温抗裂性提高，水稳定性改善，但纤维在沥青混凝土中存在最佳用量，否则效果不佳。
　　关键词：纤维沥青混合料；纤维类型；最佳用量；低温性能；水稳定性
　　0．引言
　　沥青路面是高速公路主要的路面结构形式，其破坏形式主要表现为车辙、开裂和疲劳破坏，自60年代以来，几乎大多数与沥青路面研究有关的课题也集中在这三大破坏形式上。我国近十年来修筑的沥青道路往往都达不到设计年限，通常出现两种破坏形式——水损害和反射裂缝，这也逐渐引起业内人士的关注，并已形成世界性范围的问题。另外，在我国《公路沥青路面设计规范（JTJ014-2004）》[1]中提出，有条件时沥青混合料中可添加纤维提高其使用性能。纤维在沥青混凝土AC和SMA中究竟起什么作用，其效果究竟如何，鉴于这方面的研究不多，本文针对这一问题，选用了四种聚酯纤维、一种木质素纤维和一种矿物纤维、AH-70重交沥青，配制两种纤维沥青混合料（AC-16和SMA-16两种），对比其马歇尔试验指标、低温劈裂强度、残留稳定度、冻融劈裂强度比和高温稳定性（动稳定度）等使用性能。
　　1原材料
　　本研究中所选沥青为中海石油AH-70，试验所用纤维有：德兰尼特（Dolanit®AS）聚丙烯腈纤维和ARBOCEL木质素纤维，博（BoniFbers®）聚酯纤维和福塔纤维(FORTA®AR纤维由聚丙烯和芳纶纤维复合形成的纤维物)，国产DCPET聚酯纤维，加拿大产的福贝（FIBROX）矿物纤维，共六种纤维。矿质集料：玄武岩碎石，花岗岩砂子和玄武岩矿粉。矿料级配选用了AC-16和SMA-16两种，为尽量避免级配范围的影响，试验中采用规范规定的级配中值，经室内逐级筛分后回配得到。
　　2纤维沥青混合料马歇尔试验研究
　　2.1纤维用量对马歇尔试验结果的影响
　　纤维用量是指纤维占全部纤维沥青混合料的质量百分比。纤维用量不同，纤维在混合料中的分散性、有效比表面积及对混合料的加强作用也不尽相同。为此，本文选择Dolanit®AS聚丙烯腈纤维用AC-16的混合料进行了马歇尔试验结果比较，纤维剂量分别采用0％,0.20％,0.30％,0.40％，0.50％。试验室内首先按马歇尔试验法确定不同纤维剂量下的最佳油石比，再在此最佳油石比下测试各马歇尔试验指标，如表1所示。
　　表1Dolanit®AS聚丙烯腈纤维用量对AC-16马歇尔试验指标的影响
　　纤维剂量（％） 沥青用量（％） 稳定度
　　（KN） 流值
　　（mm） 密度
　　（g/cm3） VV
　　（％） VMA
　　（％） VFA
　　（％）
　　0.00 4.55 9.69 3.55 2.446 3.052 11.888 74.33
　　0.20 4.60 10.88 3.64 2.435 3.450 12.284 71.92
　　0.30 4.65 11.25 3.73 2.427 3.384 12.572 73.09
　　0.40 4.70 10.87 3.75 2.42 3.777 12.824 70.55
　　0.50 4.75 9.56 3.78 2.417 3.590 12.932 72.24
　　如表1所示，随着纤维用量的增加，沥青混合料的最佳沥青用量有一最大值，混合料的密度降低，孔隙率与[VMA]将增大，马歇尔稳定度出现一最大值，而流值随纤维用量增加而增加。从复合材料角度看，宏观上纤维沥青混合料是连续的，但从微观角度看又是不连续且非均质的，因而纤维加入后，往往在其分散性受到限制时，结团成束的纤维成为混合料中的“强度弱点”，引起强度分布不均匀，反而有使混合料强度下降的趋势。同时，纤维在混合料中又有不同程度的桥接加筋作用，并提高了沥青与矿料间的界面强度，使混合料整体强度有所提高。因此纤维沥青混合料的强度值应视具体情况而定。在纤维掺量为0.4%时，沥青混合料的稳定度下降，纤维用量太高，分散性下降，反而使混合料的稳定度值降低。由表1结果可知，对于纤维沥青混合料而言，存在最佳纤维用量，本研究条件下Dolanit®AS聚丙烯腈纤维的最佳纤维用量为0.3％，相应的沥青用量为4.65％。
　　流值同沥青用量关系十分密切，沥青用量越大，流值也越高。纤维加入后，混合料的最佳沥青用量增加，同时纤维又有提高混合料的抗变形能力的作用。因此，纤维混合料的流值随纤维用量的增加也是增高的，但其增加速度放缓。
　　2.2纤维类型对马歇尔试验结果的影响
　　纤维类型不同，结构组成不一样，在混合料中的作用也不尽相同，本研究中采用了日前中国常见的六类纤维，分别按马歇尔法确定出各纤维在相同纤维用量下(0.3%)的最佳沥青用量，再测试出最佳沥青用量下马歇尔结果如表2所示。
　　由表2可知，六种纤维对AC-16中值级配的马歇尔试验指标的作用效果并没有明显差异，BoniFbers®聚酯纤维稍胜一筹。
　　表2普通沥青混凝土AC-16掺加不同纤维的马歇尔试验指标的影响
　　纤维类型 沥青用量（％） 稳定度
　　（KN） 流值
　　（mm） 密度
　　（g/cm3） VV
　　（％） VMA
　　（％） VFA
　　（％）
　　无纤维 4.6 10.12 3.67 2.454 3.548 14.056 74.760
　　Dolanit®AS 4.65 11.17 3.85 2.444 3.805 14.488 73.735
　　BoniFbers® 4.65 11.52 3.94 2.446 3.727 14.418 74.153
　　FORTA®AR 4.65 11.07 3.67 2.441 3.923 14.593 73.115
　　DCPET 4.65 11.08 3.65 2.439 4.002 14.663 72.706
　　木质素纤维 4.65 10.72 3.79 2.435 4.160 15.622 73.374
　　矿物纤维 4.65 10.69 3.73 2.437 4.056 15.211 73.335
　　3．纤维沥青混合料低温抗裂性能研究
　　国内外用于研究沥青混凝土低温抗裂性能的试验方法有多种，主要包括：等应变加载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲、压缩试验）、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C*积分试验、收缩系数试验和应力松弛试验等。本研究采用了不同温度的间接拉伸试验（劈裂试验）方法，试验对六种纤维的沥青混合料进行了劈裂试验，试验结果如表3所示。
　　由结果可知，在AC-16普通沥青混凝土中，纤维对提高低温抗裂性能几乎没有贡献，各种纤维之间也就没有什么差异。
　　表3纤维对沥青混合料在不同温度下劈裂强度的影响
　　混合料
　　类型 纤维类型 15℃（MPa） 10℃（MPa） 0℃
　　（MPa） -10℃（MPa） -20℃（MPa）
　　普通沥青 无纤维 1.523 2.424 3.501 4.192 3.236
　　 Dolanit®AS 1.648 2.565 3.577 4.272 3.366
　　 BoniFbers® 1.614 2.587 3.550 4.256 3.331
　　 FORTA®AR 1.585 2.502 3.592 4.245 3.309
　　 DCPET 1.576 2.533 3.535 4.232 3.287
　　 木质素纤维 1.553 2.465 3.514 4.211 3.268
　　 矿物纤维 1.568 2.479 3.527 4.226 3.251
　　AH-70断级配SMA-16 0.785 1.213 1.796 2.344 2.736
　　AH-70SMA-16 0.885 1.428 2.058 2.637 3.124
　　注：①SMA中添加的纤维为Dolanit®AS聚丙烯腈纤维；
　　②断级配指没有添加Dolanit®AS聚丙烯腈纤维，而矿料级配与SMA-16相同的混合料。
　　同样，相对于SMA-16而言，纤维改善其劈裂强度比在AC-16中有所提高，但效果也不太明显，提高幅度仅为15%左右。
　　4．纤维沥青混合料水稳定性能研究
　　沥青混合料水稳定性的评定方法，通常分两个阶段进行，或者说分为两类：第一阶段是评价沥青与矿料的粘附性；第二阶段是评价沥青混合料的水稳定性。这两个阶段是不可分割的整体，决不能割裂开来看。前者的试验方法主要有水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等；后者的试验方法广泛应用的有浸水马歇尔试验、冻融后劈裂强度比试验、浸水劈裂强度试验、浸水抗压强度试验、浸水车辙试验等。按照目前我国的技术要求，在施工规范及设计规范中都规定采用了浸水马歇尔试验及和冻融劈裂试验来评价沥青混凝土的水稳定性。本研究对六种纤维的沥青混合料进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。
　　4.1浸水马歇尔试验结果与分析
　　试件分成两组：一组在60℃水浴中保养30min～40min后测定其马歇尔稳定度MS1；另一组在60℃水浴中恒温保养48h后测定其马歇尔稳定度MS2，用残留稳定度MS0来表征沥青混凝土的水稳定性，MS0值越大，水稳定性越好。AC-16试验结果如表4所示，SMA-16的试验结果如表5所示。
　　表4纤维对沥青混凝土AC-16马歇尔残留稳定度MS0（％）的影响
　　沥青类型 无纤维 Dolanit®AS BoniFbers® FORTA®AR DCPET 木质素纤维 矿物
　　纤维
　　普通沥青 84 93 89 86 88 83 84
　　由表4可以得出如下结论：在AC-16沥青混合料中，纤维对提高沥青混凝土的残留稳定度有一定贡献，且聚酯纤维的作用比其他纤维的作用明显。
　　表5纤维对SMA-16马歇尔残留稳定度MS0（％）的影响
　　级配类型 AH-70断级配SMA-16 AH-70
　　SMA-16
　　残留稳定度MS0（％） 75 86
　　注：①SMA中添加的纤维为Dolanit®AS聚丙烯腈纤维。
　　纤维将SMA混合料的残留稳定度提高了15%，超过了AC-16，说明了沥青与骨料之间的粘结力才是关键。
　　4.2冻融劈裂试验结果与分析
　　我国的冻融劈裂试验是根据美国的洛特曼（Lottman）试验简化而成的。试件分成两组：试验对六种纤维和两种沥青混合料共十一种沥青混凝土作了试验对比，其试验结果如表6所示。
　　表6纤维对沥青混合料冻融劈裂强度比TSR（％）的影响
　　沥青类型 无纤维 Dolanit®AS BoniFbers® FORTA®AR DCPET 木质素纤维 矿物纤维
　　普通沥青AC-16 83 86 88 85 87 83 86
　　AH-70断级配SMA-16 71      
　　AH-70SMA-16  88    83 85
　　由表6可知，纤维对AC-16的冻融劈裂强度有一定影响但也不明显，其结论与纤维对沥青混凝土不同温度下劈裂强度的影响基本一致。纤维对SMA-16的冻融劈裂强度的影响比AC-16混凝土明显，在标准SMA混凝土中，沥青混合料的冻融强度比通过添加纤维可提高23.9％。
　　4.3纤维剂量对沥青混合料水稳定性的影响
　　为分析纤维剂量对纤维沥青混凝土耐水害性能的影响，用Dolanit®AS聚丙烯腈纤维和普通沥青进行纤维用量的影响分析，纤维剂量为0％,0.20％,0.30％,0.40％，0.50％(此剂量为纤维占整个纤维沥青混凝土的质量百分比)。试验室内首先按马歇尔法确定不同纤维剂量下的最佳油石比，以讨论不同纤维剂量对耐水性指标的影响，其结果如表7、表8所示。
　　表7纤维剂量对残留稳定度的影响
　　纤维剂量（％） MS1（KN） MS2（KN） MS0（％）
　　0.00 9.96 8.47 84
　　0.20 10.89 9.47 87
　　0.30 11.22 10.32 93
　　0.40 10.98 9.88 90
　　0.50 10.85 9.55 88
　　表8纤维剂量对冻融劈裂强度比的影响
　　纤维剂量（％） RT1（MPa） RT2（MPa） TSR（％）
　　0.00 1.011 0.829 83
　　0.20 1.056 0.876 83
　　0.30 1.072 0.911 86
　　0.40 1.034 0.867 84
　　0.50 1.022 0.838 82
　　由以上表7、表8的结果可知，纤维剂量存在最佳剂量，对于本研究的Dolanit®AS聚丙烯腈纤维而言，其最佳剂量为0.3％，此时纤维对提高沥青混凝土的残留稳定度最大只达10.7％，对于提高冻融劈裂强度比仅为3.6％，因此可以进一步说明纤维对提高沥青混凝土的水稳定性作用不明显。
　　5.结论
　　（1）对于沥青混凝土的马歇尔试验指标、残留稳定度和冻融劈裂强度比均存在纤维最佳用量；
　　（2）六种纤维对AC-16中值级配的马歇尔试验指标的作用效果没有明显差别。对于SMA-16马歇尔试验指标而言，纤维的作用比较明显。
　　（3）纤维对低温抗裂能力的影响
　　在普通沥青和改性沥青的AC-16中，纤维对提高低温抗裂性能有一定的贡献，且各种纤维之间也没有差异。同样，对于SMA-16而言，纤维对改善其劈裂强度比在AC-16中有所提高，提高幅度为15％左右。
　　（4）纤维对提高水稳定性的影响
　　通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，说明纤维对沥青混凝土AC-16水稳定性的贡献比较小。
　　纤维使SMA的残留稳定度提高3.6％，在标准的SMA中，通过添加纤维可提高冻融劈裂强度23.9％，因此纤维对SMA-16的水稳定性有贡献，且比在AC-16中的作用大。
　　
　　参考文献：
　　1．中华人民共和国行业标准．公路沥青路面设计规范（JTJ014-2004），2004年
　　2.中华人民共和国行业标准．公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）.北京：人民交通出版社.1994