劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能的改善

艾暢，陽漢，吳冷雷，王明輝，白桃*，張德育

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211167

劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能的改善

艾暢1，陽漢1，吳冷雷1，王明輝1，白桃1*，張德育2

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211167

采用彎拉應(yīng)變作為劍麻纖維高模量瀝青混合料低溫性能的評價指標(biāo)，考察了劍麻纖維長度及其摻量對高模量瀝青混合料低溫性能的影響.同時，對劍麻纖維高模量瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性進行了驗證.結(jié)果表明，在劍麻纖維摻量為0.3%條件下，纖維長度能夠明顯影響彎拉應(yīng)變值；其中6mm長的劍麻纖維對高模量瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值比不摻加劍麻纖維的高模量瀝青混合料增幅高達123%.在劍麻纖維長度為6 mm的條件下，彎拉應(yīng)變值隨著劍麻纖維摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；其中0.3%摻量的劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能改善效果最為突出.此外，劍麻纖維的添加對高模量瀝青混合料的高溫和水穩(wěn)定性能均有一定程度提升.

劍麻纖維；高模量；瀝青混合料；低溫性能

高模量瀝青混合料可有效降低瀝青混凝土的剪切變形，增強其抗變形能力.然而，模量的提高會相應(yīng)降低其低溫抗裂性能［1］.為滿足實際需求，國內(nèi)外進行了大量研究來提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，其中摻加纖維等改性劑是較為有效的手段［2］.諸多學(xué)者分別研究了廢尼龍絲［3］、玄武巖礦物纖維和PE改性劑［4］、聚酯纖維［5-6］、棉桔梗纖維［7］等纖維對普通瀝青混合料及高模量瀝青混合料低溫抗裂性的改善作用.同時，程英偉［8］研究在不同摻量下劍麻纖維對瀝青混合料的各項技術(shù)指標(biāo)的影響，得出了劍麻纖維的最佳摻量.楊瑞華［9］通過試驗綜合確定了劍麻纖維的最佳用量，并進行了相關(guān)路用性能驗證.

然而，摻加劍麻纖維到高模量瀝青混合料中來改善低溫抗裂性能的研究不多見.同時，劍麻纖維是一種綠色環(huán)保的可再生資源，具有質(zhì)地堅韌、拉伸強度高、耐磨損、耐酸堿、抗腐蝕及耐低溫等多種優(yōu)點，其中經(jīng)濟性最為突出［10-12］.所以本文通過添加劍麻纖維到高模量瀝青混合料中，對其低溫性能擬開展相關(guān)研究，并對其高溫性能以及水穩(wěn)定性能進行驗證.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青本研究選取瀝青為70#基質(zhì)瀝青，所選瀝青檢測結(jié)果如表1所示.

表1 70#基質(zhì)瀝青檢測技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indices for70#bitumen

1.1.2 礦質(zhì)混合料本研究采用的粗集料為輝綠巖，細集料為輝綠巖機制砂，填料為石灰?guī)r礦粉.依照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42－2005）［13］所規(guī)定的方法對其進行力學(xué)指標(biāo)的測試，試驗檢測結(jié)果如表2和表3所示.

表2 粗細集料檢測技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indices for both the coarse and fine aggregates

表3 礦粉檢測技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical indices formineral filler

1.1.3 外摻劑本試驗抗車轍劑為黑色顆粒狀固體，可以大幅提高瀝青混合料的高溫抗變形能力.但是，抗車轍劑的摻加會導(dǎo)致瀝青混合料的模量增大，從而導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗裂性降低.所以，抗車轍劑的摻量不宜過多.一般情況下，瀝青混合料中抗車轍劑摻量為瀝青混合料質(zhì)量百分比的0.3%～0.5%［14］，本試驗所用抗車轍劑摻量為0.4%.

本研究選用的劍麻纖維是一種多細胞纖維，其單纖維細胞細長，端部漸尖，纖維壁光滑無特殊的節(jié)紋加厚，外觀呈淺黃色.試驗中通過手工裁剪，獲得不同的纖維長度（4 mm、6mm、8mm），如圖1所示.

圖1 劍麻纖維圖Fig.1 Image of sisal fiber

1.2 礦料級配

本試驗采用瀝青混合料AC-20級配范圍［15］，同時借鑒美國Superpave級配設(shè)計方法避開“限制區(qū)”［16］，選取通過級配禁區(qū)上方級配作為本試驗的目標(biāo)級配.級配篩孔通過率如表4所示.最后采用馬歇爾試驗方法，確定出目標(biāo)級配瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.2%.

表4 瀝青混合料AC-20級配范圍Tab.4 Gradation range for AC-20 asphaltm ixture

2 結(jié)果與討論

2.1 劍麻纖維高模量瀝青混合料低溫性能

評價瀝青混合低溫抗裂性能試驗方法有很多，本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［17］（JTG E20－2011）低溫小梁彎曲試驗方法來評價高模量瀝青混合料的低溫抗裂性能，評價指標(biāo)主要是彎拉應(yīng)變.按照馬歇爾試驗確定試件的實測密度成型板式試件，然后將試驗件切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗溫度為-10℃，加載速率為50 mm/m in，在UTM-100材料試驗機中進行小梁3點彎曲試驗.

2.1.1 劍麻纖維長度影響本試驗所用劍麻摻量擬定為相應(yīng)瀝青混合料質(zhì)量百分比的0.3%，通過摻加不同長度的劍麻纖維（4 mm、6 mm、8 mm）分別進行低溫小梁彎曲試驗，以破壞應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)來探究不同長度的劍麻纖維對混合料低溫抗裂性能的影響規(guī)律，試驗結(jié)果如圖2所示.

由于摻加的劍麻纖維的直徑較小，在瀝青混合料中均勻分散后會呈三向網(wǎng)狀分布，這樣可以阻礙裂紋的擴展，約束裂紋的進一步發(fā)展，使得瀝青混合料的低溫抗裂性能得以提升.摻入纖維后，同應(yīng)變條件下承受的應(yīng)力增大，基體材料初裂應(yīng)變減少.從圖2可以看出：摻加劍麻纖維后，瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變有明顯提升.其中，摻6 mm長的劍麻纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變增加幅度最大，達到123%.其他長度纖維的瀝青混合料彎拉應(yīng)變增幅在46%～49%之間.

通過現(xiàn)場試驗觀察，8mm長的纖維實驗室拌合分散性較差，容易結(jié)塊，不利于纖維分散構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).對比6mm和4mm劍麻纖維對瀝青混合料低溫性能增強效果可以看出，4mm長的纖維空間連接效果不如6 mm，其對裂紋擴展的阻滯作用偏低.當(dāng)裂紋擴展時6mm長的纖維可以承受較大應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達到最大破壞應(yīng)力時，還能維持一定的水平階段，所以彎拉應(yīng)變最大，效果最好.

圖2 纖維長度與低溫彎拉應(yīng)變的關(guān)系Fig.2 Relationship between fiber length and bending strain of low temperature

2.1.2劍麻纖維摻量影響采用6 mm長劍麻纖維，調(diào)整其摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%.進行低溫小梁彎曲試驗，探究不同摻量對混合料低溫抗裂性能的影響規(guī)律，試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 纖維摻量與低溫彎拉應(yīng)變的關(guān)系Fig.3 Relationship between fibermass fraction and bending strain of low temperature

從圖3可以看出：摻加劍麻纖維后，瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)增大后減小的趨勢.這是由于隨著纖維摻量的增加，其在瀝青混合料中的分散性越差，而且會結(jié)團成束，不利于纖維分散構(gòu)成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使得瀝青混合料的低溫抗裂性能下降.所以，本試驗中0.3%摻量的劍麻纖維其分散效果最佳，對瀝青混合料的低溫抗裂性能改善效果最好.

2.2 其他路用性能測試

2.2.1 高溫性能本文采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［17］（JTG E20－2011）中高溫車轍試驗來評價高模量瀝青混合料的高溫性能.由

2.1節(jié)可知，在6mm長0.3%摻量的劍麻纖維以及

4.2%油石比條件下，高模量瀝青混合料的低溫性能最佳.本節(jié)對此組合進行高溫車轍試驗，以動穩(wěn)定度為評價指標(biāo)，來驗證其高溫穩(wěn)定性.分兩組進行對比試驗，其中A組為不加纖維，B組為摻加

6mm劍麻纖維，油石比均為4.2%，試驗結(jié)果見表5.

表5 高溫車轍試驗結(jié)果Tab.5 Results ofhigh tem perature rutting test

從表5可以看出，添加劍麻纖維后動穩(wěn)定度有所增加，且滿足規(guī)范要求.由于摻加的纖維能夠吸附并穩(wěn)定瀝青，能有效減少瀝青在高溫狀態(tài)下的流動，使得瀝青混合料的塑性變形減小，從而提高混合料的抗車轍能力.同時，纖維在混合料中呈三向網(wǎng)狀分布，對混合料起到一種“加筋”作用，有效的阻礙礦料之間的滑移，減少變形的產(chǎn)生，從而提高了高溫性能.

2.2.2 水穩(wěn)定性能本研究選取凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，評價指標(biāo)主要是殘留強度比TSR.同樣選用上述A和B組合進行對比試驗，試驗結(jié)果見表6.

表6 凍融劈裂試驗結(jié)果Tab.6 Resultsof freeze-thaw sp litting test

從表6可以看出，添加劍麻纖維后殘留強度比有所增加，且滿足規(guī)范要求.因為加入纖維后，其有效瀝青膜厚度增大，有效阻礙了水對瀝青的剝離作用，同時劍麻纖維表面粗糙，有眾多豎向條紋，有利于提高與瀝青之間的黏結(jié)性.

3 結(jié)語

在高模量瀝青混合料中摻加劍麻纖維，采用低溫小梁試驗進行其低溫性能改善試驗研究，得到如下結(jié)論：

1）摻加劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫抗裂性能有明顯提升，作用效果與纖維長度關(guān)聯(lián)性比較強，以6mm長的劍麻纖維高模量瀝青混合料低溫抗裂性能增強幅度最大，其彎拉應(yīng)變增幅高達到123%.

2）隨著纖維摻量的增大，混合料的彎拉應(yīng)變呈先增大后減小的變化趨勢，對于選定級配，6mm長0.3%摻量的劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能改善效果最佳.

3）摻加劍麻纖維對高模量瀝青混合料高溫性能以及水穩(wěn)定性能均有一定程度提升.

［1］趙錫娟.高模量瀝青混凝土材料組成及路用性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［2］李樹軍.纖維瀝青混合料增強機理及路用性能研究［J］.交通科技，2015（5）：106-109.

LIS J.Research on reinforcementmechanism and road performance of fiber asphaltmixture［J］.Transportation Science&Technology，2015（5）：106-109.

［3］尹繼明，呂凡任，王超.廢尼龍絲增強瀝青混合料性能的試驗研究［J］.施工技術(shù)，2015，44（24）：67-72.

YIN J M，LYU F R，WANG C.Improving the performance of asphaltmix by addition of waste nylon fiber［J］.Construction Technology，2015，44（24）：67-72.

［4］張劍波，彭杰，張懷宇，等.纖維復(fù)合瀝青增強特性及增強機理研究［J］.公路，2016（1）：62-67.

［5］安靜.聚酯纖維改性瀝青混合料路用性能研究［J］.公路工程，2015，40（6）：247-251.

AN J.The effect of polyester fiber on road performance ofasphaltmixture［J］.Highway Engineering，2015，40（6）：247-251.

［6］王宏.聚酯纖維對硬質(zhì)瀝青混合料增韌性及改性機理試驗研究［J］.公路，2016（3）：160-166.

［7］李魏巍.棉桔梗纖維瀝青混合料路用性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2015.

［8］程英偉，何曉明.纖維瀝青混合料的纖維摻量及路用性能研究［J］.筑路機械與施工機械化，2012，29（11）：50-53.

CHENG Y W，HE X M.Study on fiber content and road performance of fiber asphalt m ixture［J］.Road Machinery&Construction Mechanization，2012，29（11）：50-53.

［9］楊瑞華，周前程.劍麻纖維瀝青混合料最佳纖維摻量試驗研究［J］.山西建筑，2015，41（17）：85-86.

YANG RH，ZHOU QC.Experimental study on optimal dosage of fiber in asphalt mixture with sisal fiber［J］. Shanxi A rchitecture，2015，41（17）：85-86.

［10］關(guān)鵬.劍麻纖維瀝青混凝土路面性能研究［D］.武漢：武漢輕工大學(xué)，2010.

［11］黃瓊念，覃峰，馬福榮，等.劍麻纖維水泥混凝土復(fù)合材料性能試驗的研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，33（1）：27-30.

HUANG Q N，QIN F，MA F R，et al.Experimental study on the composites performance of sisal fiber-cement concrete［J］.Journalof GuangxiUniversity（Natural Science Edition），2008，33（1）：27-30.

［12］盧珣，章明秋，容敏智，等.劍麻纖維增強聚合物基復(fù)合材料［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2002，19（5）：1-6.

LU X，ZHANG M Q，RONG M Z，et al.Sisal reinforced polymer composites［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2002，19（5）：1-6.

［13］交通部公路科學(xué)研究所.公路工程集料試驗規(guī)程：JTG E42-2005［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［14］周義生，吳革森.抗車轍劑改性瀝青混合料路用性能研究［J］.公路，2015（1）：178-180.

［15］交通部公路科學(xué)研究所.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40-2004［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［16］張爭奇，趙戰(zhàn)利，張衛(wèi)平.礦料級配對瀝青混合料低溫性能的影響［J］.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，25（2）：1-5.

ZHANG Z Q，ZHAO Z L，ZHANG W P.Effect of aggregate gradation on performance of asphalt m ix at low temperature［J］.Journal of Changan University（Natural Science Edition），2005，25（2）：1-5.

［17］交通部公路科學(xué)研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTG E20-2011［S］.北京：人民交通出版社，2011.

本文編輯：苗變

Improvement of Low Tem perature Perform ance of High M odu lus Asphalt Mixture by Sisal Fiber

AIChang1，YANG Han1，WU Lenglei1，WANG Minghu i1，BAITao1*，ZHANG Deyu2
1.SchoolofResource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.SchoolofCivil Engineering and Architecture，Nanjing Instituteof Technology，Nanjing 211167，China

The influences of the length and mass fraction of sisal fiber on the low temperature performance of high modulus asphaltmixture（HMAM）were investigated by selecting the bending strain as the evaluation index，and the high temperature performance and water stability of HMAM of sisal fiberwere also explored.The results demonstrate that the bending strain of the HMAM was significantly affected by the fiber lengthswhen the mass fraction of sisal fiber keeps at0.3%，and it increases by 123%compared to thatwith no sisal fiber as the length of sisal fiber is 6 mm.The bending strain of HMAM increases first and then decreases with the mass fraction of sisal fiber increasing when the length of sisal fiber keeps at 6 mm，and the sisal fiber with mass fraction of 0.3%possesses the best enhancement effect on the low temperature performance of HMAM.We also find that the sisal fiber can improve the performance of high temperature and water stability of the HMAM.

sisal fiber；highmodulus；asphaltmixture；low temperature performance

U416

Adoi：10.3969/j.issn.1674?2869.2017.01.012

1674-2869（2017）01-0069-05

2016-05-12

湖北省高等學(xué)校省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410490019）；瀝青路面結(jié)構(gòu)特性與材料設(shè)計關(guān)聯(lián)性的理論研究項目（201373113）；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃（自然科學(xué)基金）（BK20140109）

艾暢，碩士研究生.E-mail：1512507609@qq.com

*通訊作者：白桃，博士，副教授.E-mail：2775531860@qq.com

艾暢，陽漢，吳冷雷，等.劍麻纖維對高模量瀝青混合料低溫性能的改善［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（1）：69-73. AIC，YANG H，WU L L，etal.Improvementof low temperature performance of highmodulus asphaltmixture by sisal fiber［J］.JournalofWuhan Institute of Technology，2017，39（1）：69-73.