纖維對(duì)瀝青混合料性能影響試驗(yàn)分析

文/廣東冠粵路橋有限公司 劉志華

近年來，我國(guó)高溫多雨地區(qū)的新建高速公路瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫、坑槽、抗滑性能衰減較快等早期病害，對(duì)出行安全及行車舒適性造成了不利的影響，瀝青混合料是造成早期病害最為顯著的因素。為了改善瀝青混合料的路用性能，減少路面早期病害的發(fā)生，本文采用高溫抗車轍試驗(yàn)、低溫劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和表面構(gòu)造深度試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)研究了摻加聚酯纖維和玄武巖纖維的AC-13C、SMA-13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗滑性，并分析了其作用機(jī)理，并對(duì)每種纖維的適用場(chǎng)合及特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

原材料技術(shù)指標(biāo)及要求

集料采用玄武巖，瀝青為SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。選用的SBS改性瀝青、玄武巖纖維及聚酯纖維材料的檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

試驗(yàn)方案

表3為AC-13C和SMA-13兩種常用級(jí)配，驗(yàn)證兩種纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果。兩種纖維摻量均為0.2%，設(shè)置不摻加纖維瀝青混合料的性能為對(duì)照組，共進(jìn)行4組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行5個(gè)平行試驗(yàn)，取平均值為最終結(jié)果。

表1 SBS改性瀝青的性能指標(biāo)

鑒于混合料油石比相差較小，因此忽略油石比變化對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，每組試驗(yàn)的油石比如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

高溫穩(wěn)定性能

不同纖維種類、不同纖維摻量的瀝青混合料的高溫抗車轍性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，玄武巖纖維和聚酯纖維均可以有效提高兩種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，與不添加纖維的混合料相比，添加玄武巖纖維后的AC-13C和SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了43.7%和28.6%，摻加聚酯纖維后動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了31.4%和11.9%，表明玄武巖纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的提升作用更加明顯，且瀝青瑪蹄脂瀝青混合料高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于密級(jí)配瀝青混合料。

玄武巖纖維與聚酯纖維均能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，主要原因是由于纖維具有加筋作用，且可增強(qiáng)混合料內(nèi)部抗拉作用，消耗或緩解部分行車荷載傳遞的應(yīng)力。而聚酯纖維在改善兩種混合料高溫穩(wěn)定性中均遜于玄武巖纖維，是由于玄武巖纖維的平均長(zhǎng)度和直徑均小于聚酯纖維，可以更好地吸附瀝青，使混合料內(nèi)部的纖維更加均勻分散，并且有助于形成更加均勻的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

低溫抗裂性能

不同纖維種類、不同纖維摻量的瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，兩種纖維的添加，均可以有效改善兩種混合料的低溫抗裂性，與不添加纖維相比，添加玄武巖纖維后AC-13C和SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能分別提高了12.0%、18.1%，摻加聚酯纖維之后，低溫抗裂性能提高的程度分別為6.6%和12.9%，即玄武巖纖維作用效果更加顯著。在相同條件下，AC-13C瀝青混合料的低溫抗裂性均優(yōu)于SMA-13混合料，這表明礦料級(jí)配是影響混合料低溫抗裂性的主導(dǎo)因素。纖維的添加，在混合料內(nèi)部形成良好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)材料的彈性，提高集料間的黏結(jié)力，從而防治和延緩裂縫的進(jìn)一步延伸。

表2 玄武巖纖維和聚酯纖維的技術(shù)指標(biāo)

表3 級(jí)配組成

表4 每組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的油石比

表5 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

表6 低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表7 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表8 表面構(gòu)造深度測(cè)定結(jié)果

水穩(wěn)定性能

不同纖維種類、不同纖維摻量的瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，SMA-13混合料的水穩(wěn)定性均優(yōu)于AC-13C混合料，這主要是由于瀝青瑪蹄脂混合料中粗集料起到良好的骨架作用，在車輛荷載作用下，能夠有效防治和緩解瀝青路面出現(xiàn)車轍、坑槽等病害。在改善兩種瀝青混合料水穩(wěn)定性方面，聚酯纖維作用效果均遜于玄武巖纖維，主要是玄武巖纖維的平均長(zhǎng)度和直徑均小于聚酯纖維，在拌和條件下所產(chǎn)生的瀝青膠漿更加連續(xù)、均勻，并能夠和粗骨料更好的銜接。因此，玄武巖纖維能夠有效改善高溫多雨地區(qū)瀝青路面的水穩(wěn)定性。

抗滑性能

采用人工鋪砂法來對(duì)混合料試件表面的構(gòu)造深度（TD）進(jìn)行測(cè)試，將其作為抗滑性能的衡量指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，未添加纖維的兩種瀝青混合料，其構(gòu)造深度在同種級(jí)配混合料中均為最大值，添加玄武巖纖維后AC-13C和SMA-13混合料的表面構(gòu)造深度分別降低了6.6%、5.8% ，添加聚酯纖維后則分別降低了9.8%、2.9%，以上數(shù)據(jù)表明，纖維的添加將影響瀝青混合料表面構(gòu)造深度，并出現(xiàn)了混合料抗滑性降低的情況。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)槔w維的添加，使得結(jié)構(gòu)瀝青的比例增加，并且在和細(xì)集料混合之后，粗集料會(huì)被包裹，繼而混合料的表面結(jié)構(gòu)深度變淺。通過上述的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，AC-13C混合料的表面構(gòu)造深度要明顯的比SMA-13低，因此，在路面的上層選取上，添加聚酯纖維的SMA-13混合料更為合適，將更加有助于改善多雨地區(qū)的路面抗滑性。

結(jié)語

通過試驗(yàn)可知，添加纖維之后可以有效地改善瀝青混合料的路用性能，減少路面早期病害的產(chǎn)生；在改善混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂和水穩(wěn)定性方面，聚酯纖維均差于玄武巖纖維；相比玄武巖纖維，聚酯纖維對(duì)SMA-13瀝青混合料的表面構(gòu)造深度影響較小；建議在瀝青路面的中下面層添加玄武巖纖維來提高瀝青混合料的路用性能，在上面層添加聚酯纖維來改善瀝青路面行車安全性和使用壽命。