玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究及應(yīng)用

張晉龍

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及公路事業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代公路對(duì)行車荷載、行車速度、通行量及服務(wù)壽命的要求越來(lái)越高。瀝青混凝土路面作為高等級(jí)路面被廣泛地應(yīng)用于公路事業(yè)的建設(shè)中，但傳統(tǒng)的瀝青混凝土路面在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)早期破損、車轍、開裂及使用壽命短等技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)瀝青混合料中摻入纖維可改善瀝青混合料的性能，解決傳統(tǒng)瀝青混凝土路面的不足[1]。

纖維是一種抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性好的外添增強(qiáng)材料。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始對(duì)纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的性能進(jìn)行研究，其最初的目的是控制路面的反射裂縫[2]。1962年，Edelmann K等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青混合料中添加石棉纖維可以更好地提高瀝青混凝土路面的路用性能。Aysar NAJD[3]通過(guò)摻入玻璃纖維來(lái)改善瀝青混合料的性能，研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青用量相同的條件下，加入玻璃纖維后的瀝青混合料，其強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定度及變形性能有較好的提高。并證明了摻入玻璃纖維后的瀝青混合料能夠有效地抵抗裂縫的擴(kuò)展，但抗開裂能力沒有明顯提高。Abdelaziz MAHREZ[4]通過(guò)對(duì)玻璃纖維改性SMA瀝青混合料的劈裂試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、疲勞荷載試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維的摻入能夠有效提高疲勞壽命。我國(guó)對(duì)纖維瀝青混凝土的研究開始于20世紀(jì)90年代中期，呂偉民[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，木纖維的摻入對(duì)SMA瀝青混合料沒有加筋作用，只起吸收瀝青作用。而聚酯纖維的摻入對(duì)普通瀝青混合料具有較好的加筋作用。郭乃勝[6]通過(guò)低溫劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入聚酯纖維后的瀝青混合料，其劈裂強(qiáng)度有顯著提高。楊振才[7]對(duì)纖維瀝青混合料進(jìn)行了等速加載彎曲試驗(yàn)，得出摻入纖維后的瀝青混合料其應(yīng)力松弛能力有較好的提高，且低溫抗裂性能好。

分析可知，國(guó)內(nèi)外對(duì)于纖維增強(qiáng)瀝青混合料的機(jī)理未形成統(tǒng)一的理論體系，對(duì)于纖維瀝青混合料的路用性能研究有待完善。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)工程實(shí)例對(duì)玻璃纖維在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

a）玻璃纖維 試驗(yàn)采用的玻璃纖維為短切無(wú)堿原絲，其長(zhǎng)度均取6 mm。玻璃纖維物理、力學(xué)性能如表1所示。

表1 玻璃纖維的物理力學(xué)性能指標(biāo)

b）瀝青 試驗(yàn)瀝青采用重交90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 瀝青的性能指標(biāo)

c）集料 試驗(yàn)所用粗集料為石灰?guī)r碎石、細(xì)集料采用天然中砂與石灰?guī)r石屑，礦粉作為填料。粗集料的物理性質(zhì)指標(biāo)如表3所示，粗細(xì)集料與礦料的表觀密度如表4所示。

表3 集料的物理性質(zhì)指標(biāo) %

表4 不同粒徑下的礦料表觀密度 g/cm3

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 礦料級(jí)配

采用AC-13型制備瀝青混合料，根據(jù)篩分試驗(yàn)，確定礦物混合料的配合比為：粗碎石∶中粗碎石∶砂∶石屑∶礦粉=22∶34∶15∶24∶5。按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求的級(jí)配中值[8]，對(duì)瀝青混合料的礦料進(jìn)行級(jí)配組成設(shè)計(jì)，如表5所示。

表5 瀝青混合料各粒徑礦料的級(jí)配組成（AC-13） %

1.2.2 最佳瀝青用量

玻璃纖維的摻入量取0%、0.1%、0.2%、0.3%。采用馬歇爾試驗(yàn)分別確定不同玻璃纖維摻入量下的普通密集配瀝青混凝土AC-13的最佳瀝青用量。

按照相關(guān)規(guī)范對(duì)AC-13瀝青用量范圍的規(guī)定[8]，以4.2%+0.3%的幅度作為瀝青用量的變化，由已確定的礦物混合料級(jí)配配比制備試件。分別進(jìn)行5組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的試件個(gè)數(shù)為5個(gè)，對(duì)試件進(jìn)行24 h標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后脫模，對(duì)試件進(jìn)行相關(guān)物理-力學(xué)性能測(cè)定，結(jié)果如表6所示。

表6 AC-13瀝青混凝土馬歇爾試驗(yàn)物理-力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果

根據(jù)表6所示結(jié)果，分別繪制瀝青用量與空隙率、密度、馬歇爾穩(wěn)定度、流值、飽和度的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 馬歇爾試驗(yàn)瀝青用量與各指標(biāo)的關(guān)系

分析圖1可知，當(dāng)玻璃纖維摻入量為0%時(shí)，最佳瀝青用量為4.6%。按照同樣的方法，可確定不同玻璃纖維摻入量下，瀝青最佳用量如表7所示。其中，當(dāng)玻璃纖維摻入量由0%增加到0.2%后，最佳瀝青用量沒有增加。

表7 不同玻璃纖維摻入量下瀝青混合料的最佳瀝青用量 %

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，對(duì)以不同玻璃纖維摻入量制備的AC-13瀝青混凝土試件分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，從而對(duì)不同玻璃纖維摻入量下密級(jí)配瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 玻璃纖維對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響

纖維瀝青混合料車轍試驗(yàn)時(shí)的溫度為60℃，將30 cm×30 cm×5 cm的試件在恒溫箱養(yǎng)生6 h后，以輪壓為0.7 MPa反復(fù)沿成型碾壓方向以42±1次/min的速度行走23±1 cm的距離。不同玻璃纖維摻入量下的密級(jí)配瀝青混凝土試件的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同玻璃纖維摻入量下的車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖2 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度

由圖2所示結(jié)果可知，隨著纖維的摻入，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了顯著的改善。當(dāng)纖維摻入量為0.1%、0.2%、0.3%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了52.5%、86.6%、81.9%，當(dāng)纖維摻入量大于0.2%后，動(dòng)穩(wěn)定度有所降低，永久變形漸趨于穩(wěn)定。

2.2 玻璃纖維對(duì)低溫抗裂性的影響

該試驗(yàn)采用MTS材料試驗(yàn)機(jī)。試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁，梁的跨徑為200 mm，由輪轍碾壓成型，試驗(yàn)時(shí)的溫度為-10℃，調(diào)整機(jī)器的加載速率為50 mm/min。小梁彎曲破壞的試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 纖維瀝青混合料彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，玻璃纖維的摻入使得瀝青混合料的彎拉應(yīng)變有較好的提高。其中，當(dāng)玻璃纖維的摻入量為0.2%時(shí)，其提高的彎拉應(yīng)變值最大，提高了10.0%，當(dāng)玻璃纖維摻入量為0.1%、0.3%時(shí)，彎拉應(yīng)變分別提高了2.0%、6.1%。這主要是因?yàn)椴ＡЮw維的摻入分擔(dān)了部分瀝青膠漿的拉應(yīng)力，從而阻止了瀝青混合料微小裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，但纖維的摻入量不是越多越好，當(dāng)摻入量大于0.2%，使得瀝青的稠度低于一定值后，相反會(huì)降低瀝青混合料的彎拉應(yīng)變。

2.3 玻璃纖維對(duì)水穩(wěn)定性的影響

采用馬歇爾試件來(lái)進(jìn)行凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣制備時(shí)，應(yīng)將試樣雙面各擊實(shí)50次，以50 mm/min速率加載。試件分為兩組，一組采用室溫養(yǎng)護(hù)，在25℃水中浸水養(yǎng)護(hù)2 h后進(jìn)行試驗(yàn)；另一組試件真空飽水15 min后，放入-18℃冰箱里16 h后置于60℃水浴養(yǎng)護(hù)25 h，最后在25℃水中浸泡2 h后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表10、圖3、圖4所示。

表10 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果（平均值）

圖3 未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

圖4 凍融循環(huán)試驗(yàn)后試件劈裂抗拉強(qiáng)度比變化曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玻璃纖維的摻入量為0.1%、0.2%時(shí)，未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度比均有不同程度的增加。其中，玻璃纖維摻入量為0.2%時(shí)，試件未凍融、凍融后強(qiáng)度與凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度比增加的幅度最大，分別增長(zhǎng)了5.4%、11.8%、4.1%。因此，纖維的摻入量為0.2%時(shí)，試件的水穩(wěn)定得到了明顯的提高。

但當(dāng)玻璃纖維的摻入量為0.3%時(shí)，相比于摻入量為0.2%時(shí)的試件，其未凍融、凍融后強(qiáng)度與凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度比有明顯的降低，分別降低了2.5%、10.6%、8.7%，其中未凍融強(qiáng)度、凍融循環(huán)試驗(yàn)后的抗拉強(qiáng)度比未摻入玻璃纖維的試件還要低，這是因?yàn)椴ＡЮw維摻入量過(guò)高時(shí)，多余的玻璃纖維相互纏繞、重疊，降低了瀝青混合料之間的連接與整體性，從而降低了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3 玻璃纖維瀝青混合料的工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以省道太高線二級(jí)公路路面大修展開研究，該公路K49+130—K49+230為試驗(yàn)路段，長(zhǎng)度為100 m，路面寬為11 m，該路段跨越區(qū)域地質(zhì)良好，原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為上面層3 cm厚的SMA13，下面層為4 cm厚的AC20。征得設(shè)計(jì)單位同意后，上面層改為鋪筑3 cm厚的纖維瀝青混凝土，纖維瀝青混合料的材料與配合比均同室內(nèi)試驗(yàn)一致，玻璃纖維的摻入量為0.2%。

3.2 玻璃纖維瀝青混合料施工要點(diǎn)

玻璃纖維瀝青混合料的路面施工流程基本與其他瀝青面層的施工流程相似。包括進(jìn)場(chǎng)材料檢驗(yàn)、選擇拌合設(shè)備并拌合、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓。施工過(guò)程中應(yīng)注意如下要點(diǎn)。

3.2.1 玻璃纖維的摻入與拌合

施工時(shí)玻璃纖維摻入瀝青混合料中應(yīng)拌合均勻，特別應(yīng)注意按順時(shí)針（或逆時(shí)針）一個(gè)方向拌合，以確保玻璃纖維在混合料中成一個(gè)方向排列，確保彎拉應(yīng)變得到最大的提高。

3.2.2 碾壓

玻璃纖維瀝青混合料的碾壓次數(shù)應(yīng)比普通瀝青混合料多碾壓1～2遍，復(fù)壓時(shí)也相應(yīng)多復(fù)壓兩遍，以確保壓實(shí)度。

3.3 施工檢測(cè)與評(píng)價(jià)

施工過(guò)程中對(duì)各流程的施工工藝進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的K49+130—K49+230試驗(yàn)路段纖維瀝青混合料取樣進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，施工現(xiàn)場(chǎng)纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度為12.28 kN，流值為2.66 mm，車轍為1161次/mm，所測(cè)的數(shù)據(jù)均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)觀測(cè)，試驗(yàn)路段建成通車后3年內(nèi)，經(jīng)歷了不利的季節(jié)與氣候影響，以及復(fù)雜的行車荷載，該試驗(yàn)路段表現(xiàn)出良好的路用性能，未發(fā)現(xiàn)病害產(chǎn)生。因此，玻璃纖維瀝青混凝土路面具有良好的路用性能，具有較好的使用與研究?jī)r(jià)值。

4 結(jié)論

a）隨著玻璃纖維的摻入，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了顯著的改善。

b）玻璃纖維的摻入使得瀝青混合料的彎拉應(yīng)變有較好的提高。當(dāng)玻璃纖維的摻入量為0.2%時(shí)，其彎拉應(yīng)變的增長(zhǎng)幅度最大。工程應(yīng)用中，建議玻璃纖維的最佳摻入量取0.2%。

c）當(dāng)玻璃纖維的摻入量為0.1%、0.2%時(shí)，未凍融與凍融后的試件劈裂抗拉強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度比均有不同程度的增加。玻璃纖維摻入量為0.2%時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好。

d）玻璃纖維瀝青混合料施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格施工工藝、玻璃纖維的摻入精度、混合料的溫度。同時(shí)，應(yīng)選擇良好的拌合設(shè)備，使得玻璃纖維瀝青混合料拌合均勻。工程實(shí)例表明：玻璃纖維瀝青混凝土路面具有良好的路用性能，具有較好的使用價(jià)值。