纖維瀝青混凝土在路面工程中的應(yīng)用研究

摘要：隨著中國經(jīng)濟(jì)的大跨步發(fā)展，整個(gè)交通行業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要是路面的病害問題比較嚴(yán)重，因此摻加纖維等來改善瀝青混合料的路用性能。文章探討了纖維瀝青混凝土在路面工程中的應(yīng)用，旨在為纖維瀝青混凝土相關(guān)的研究提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；路面工程；公路建設(shè)；纖維

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）02-0055-03

1 概述

到2011年底，我國高速公路總里程達(dá)8.5萬公里。新增公路通車?yán)锍踢_(dá)到7.14萬公里，其中高速公路1.10萬公里，新改建農(nóng)村公路19萬公里。瀝青混凝土路面由于具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，在高等級(jí)路面中都得到了應(yīng)用，比例達(dá)到了95%以上。

當(dāng)前，中國的公路交通也面臨著一些實(shí)際的問題，需要接受一定的挑戰(zhàn)。在實(shí)際的路面建設(shè)過程中，瀝青混凝土的應(yīng)用還有很多問題需要解決，例如許多技術(shù)和質(zhì)量問題，主要是路面破損嚴(yán)重、路面使用壽命短等，由于受到車輛多、車速快、車輛重載等因素的影響，這些情況更容易產(chǎn)生。如何解決上述問題，改善瀝青路面的路況和質(zhì)量、增加瀝青路面的使用期限、提高投資的效益是亟待解決的重要問題。

2 纖維瀝青混凝土國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中國在研究纖維瀝青混合料起步相對(duì)比國外發(fā)達(dá)國家要晚，到了20世紀(jì)90年代才有人關(guān)注此類研究。陳華鑫主要進(jìn)行了瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)研究，這里使用的瀝青混合料是由6種纖維和3種礦料級(jí)配組成的。他的論文全面分析了纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。在此基礎(chǔ)之上，他又結(jié)合復(fù)合材料理論和界面化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，較系統(tǒng)地討論了纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的改善作用機(jī)理。對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)研究，得出了纖維瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)的變化規(guī)律。侯金成的研究結(jié)果表明，瀝青混凝土面層的靜、動(dòng)態(tài)蠕變變形對(duì)路表面最大彎沉有很大影響，纖維加入到瀝青路面后，能夠明顯改善路面抵抗變形的能力。結(jié)果表明，不同種類的纖維在瀝青混合料中對(duì)應(yīng)著不同的最佳摻量。在該用量下，混合料表現(xiàn)出較高的低溫彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變，對(duì)應(yīng)的低溫勁度模量也處于適宜狀態(tài)。

纖維的可承受的應(yīng)力發(fā)生在路面的表面層，進(jìn)行了馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)，測(cè)定了樣品的使用的聚集體的最佳瀝青含量值。結(jié)果表明，所確定的最佳的瀝青含量（5.5%），三個(gè)試樣的一系列不同的纖維率（0%、0.25%、0.50%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%的每一個(gè)、2.5%），制備和纖率的最佳值，在穩(wěn)定性最好值的結(jié)果被確定為0.75%。試驗(yàn)分析了瀝青混合料對(duì)石棉纖維改性瀝青的影響，并進(jìn)行了包括彈性模量、低溫度的直接拉伸、車轍性和耐疲勞性等的測(cè)試。首先表明，纖維改性混合物的空隙與未改性的瀝青和兩個(gè)彈性體改性混合物相比，同時(shí)保持最高的百分比。對(duì)專有的混合材料改性粘合劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)。一個(gè)未修改的混合物用作對(duì)照樣品。測(cè)試程序包括馬歇爾穩(wěn)定性、間接拉伸強(qiáng)度（IDT）、濕氣損壞易感性、冷凍/解凍的敏感性、彈性模量和反復(fù)負(fù)載變形。含有聚丙烯纖維的混合物中發(fā)現(xiàn)有較高的拉伸強(qiáng)度和抗開裂。沒有纖維改性的混合物表明耐濕氣誘導(dǎo)，冷凍/解凍損壞。纖維改性混合物在剝離潛在未見改善。IDT結(jié)果預(yù)測(cè)，控制和聚丙烯混合物的熱裂解，而聚酯纖維和聚合物的混合物不會(huì)有問題。中溫度范圍的彈性模量試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維改性混合物是硬的，而高溫彈性模量測(cè)試測(cè)量所有混合物在控制剛度增加。只有聚丙烯改性樣品被發(fā)現(xiàn)可以減少車轍潛力的重復(fù)荷載變形測(cè)試。復(fù)合體中均勻分布的纖維混合物是混合料性能的關(guān)鍵。從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出的結(jié)論，纖維改性混合物略硬并表明提高了疲勞壽命。聚丙烯纖維所遇到的最大的問題是由于纖維的熔點(diǎn)低的熱瀝青粘合劑的固有的不符合。普通瀝青粘結(jié)劑和纖維的混合物是間接拉伸強(qiáng)度最高的。但是，變量統(tǒng)計(jì)分析證明，蠕變模量和回收效率較好的混合物含有纖維和普通的粘合劑，而不是纖維和聚合物改性劑。研究的結(jié)論是SMA與纖維素纖維沒有顯著提高，是在兩個(gè)組合的基礎(chǔ)上進(jìn)行的測(cè)試。筆者認(rèn)為，纖維分布可能已經(jīng)造成了有限的改善。

3 纖維在路面瀝青混凝土施用中的優(yōu)點(diǎn)分析

3.1 纖維對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的改善

疲勞破壞的過程，首先是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位開始產(chǎn)生微小裂紋，裂紋的起點(diǎn)為疲勞源。對(duì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)來講，荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點(diǎn)的存在是裂紋產(chǎn)生的主要因素。

當(dāng)混合料受荷載作用時(shí)，裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，產(chǎn)生較大的裂縫直至斷裂破壞。由于三維隨機(jī)各向短纖維阻滯了裂紋的擴(kuò)展，延長了材料失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂出現(xiàn)的時(shí)間，因而復(fù)合的混合料的抗疲勞性能得到明顯改善。

另外，纖維的拔出需要額外的能量，建立新表面時(shí)應(yīng)力的重新分布等也需要消耗能量，這就對(duì)復(fù)合體產(chǎn)生了增韌效應(yīng)，從而增強(qiáng)了混合料（復(fù)合體）的抗疲勞能力。進(jìn)行了纖維改性的瀝青混合料與普通瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)后，以作對(duì)比。結(jié)果表明在同樣180×1－5應(yīng)變、10℃、25Hz條件下，摻加纖維的瀝青混合料的疲勞壽命幾乎是普通瀝青混合料的100倍?？梢姡w維加入對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的改善是明顯的。

另外，由于纖維有良好的耐磨阻特性，基質(zhì)纖維可復(fù)合成涂覆集料的保護(hù)層。較低溫度下，纖維增韌的纖維瀝青膠漿對(duì)集料顆粒粘裹力增大，使整體不易松散。開裂后的路面也會(huì)由于纖維的牽連而不致破碎散失，不會(huì)出現(xiàn)大的坑洼，這對(duì)行車安全舒適、對(duì)路面的易于修補(bǔ)都具有實(shí)際意義。

3.2 纖維-瀝青之間界面結(jié)構(gòu)的作用

纖維一般有相當(dāng)大的表面積，每克纖維的表面積可達(dá)數(shù)平方米以上。纖維分散到瀝青中，其巨大的表面積成為可使瀝青浸潤的界面，在此界面上纖維可以吸附大量的瀝青，形成有一定厚度的、一個(gè)新形成的相，稱為界面層。

界面層的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)取決于瀝青與纖維兩相的性質(zhì)，界面層的作用是連接兩相并傳遞、緩沖兩相間的應(yīng)力，是影響整個(gè)纖維瀝青材料物理、力學(xué)性能的關(guān)鍵。纖維與瀝青之間的界面層是一個(gè)至少為幾個(gè)分子層厚的區(qū)域，其性質(zhì)取決于纖維的分子排列、化學(xué)性質(zhì)以及瀝青的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，故不同的纖維對(duì)應(yīng)著不同性質(zhì)的界面層。

3.3 瀝青混合料中纖維阻滯裂紋的作用

纖維對(duì)瀝青膠結(jié)料基體裂紋的阻滯作用，大大提高了瀝青混合料裂紋的自愈能力，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減少了路面裂縫的出現(xiàn)，從而推遲了瀝青路面的老化與破壞。我們?cè)诠飞献隽?種不同改性劑的試驗(yàn)路段，幾年的寒暑交替和荷載作用后，以細(xì)粒式瀝青面層裂縫率為100%計(jì)：雙層SBS改性路面結(jié)構(gòu)裂縫率為50%～100%，而底層為纖維改性、面層為纖維與SBS綜合改性的路段；裂縫率僅為5%。

4 結(jié)語

綜上所述，纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土相比，其各方面性能都有較好的改善，在瀝青混合料中添加適當(dāng)?shù)睦w維后，能明顯提高瀝青混合料的路用性能。可以使瀝青混凝土路面的使用壽命得到有效延長，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土將有更廣的使用空間。纖維增強(qiáng)瀝青混凝土研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但是就目前研究狀況而言，還存在一些問題沒有很好地解決，因此，研究人員要充分認(rèn)識(shí)到這些問題，不斷努力創(chuàng)新，為纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的應(yīng)用和發(fā)展起到促進(jìn)作用。

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作者簡介：孔國軍（1973-），男，江蘇丹陽人，南京東部路橋工程有限公司工程師，研究方向：路面工程技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）