柔性聚丙烯纖維-改性乳化瀝青混合料的性能

周軍霞，王志芬，張 玉，張向東

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第四工程處，北京 100079；3.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實驗室，北京 100044)

1 引 言

公路的后期養(yǎng)護(hù)和維修不僅增加成本，同時還影響交通。當(dāng)前，改性乳化瀝青混合料是常用的路面封層材料，由于受到路基結(jié)構(gòu)、路面交通和自然環(huán)境的耦合影響，特別是隨著交通流量的不斷增加和重載運(yùn)行趨勢，路基結(jié)構(gòu)的實際負(fù)荷很有可能超出設(shè)計負(fù)荷，導(dǎo)致既有瀝青混合料路面已不能滿足道路的正常使用，甚至引起安全事故。因此，很有必要采取新的封層技術(shù)或材料。鑒于當(dāng)前路面常存在風(fēng)化、水損、高溫剪切、低溫開裂、疲勞破壞等工程病害，可嘗試采用纖維瀝青混合料代替既有的瀝青混合料[1-5]。纖維瀝青混合料是繼普通瀝青混合料(AC型瀝青混合料)、改性瀝青混合料、瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)、改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料之后又一復(fù)合材料。另外，瀝青熱拌料常用的是木質(zhì)纖維，由于冷拌料含水量較高、木質(zhì)纖維親水能力強(qiáng)，纖維遇水后親油能力減弱，一方面無法很好地與石料粘結(jié)，另一方面會導(dǎo)致改性乳化瀝青破乳加快，無法正常攤鋪?？紤]到聚丙烯纖維具有比表面積大、強(qiáng)度高、彈性好、憎水、耐磨等特點(diǎn)，因此，對柔性聚丙烯纖維-改性乳化瀝青混合料進(jìn)行研究。

當(dāng)前，聚丙烯纖維已較多地應(yīng)用在水泥基復(fù)合材料中，如：水泥砂漿、水泥穩(wěn)定碎石和水泥混凝土等，具有很好的工程效果。20世紀(jì)80年代，歐美一些國家對纖維瀝青混合料進(jìn)行研究，開發(fā)出Bonifiber，F(xiàn)iberpave等產(chǎn)品。王秀芳等[2]通過試驗簡要說明了聚丙烯纖維對瀝青混合料性能的改善；楊肩宇、胡亞娟和Zhang等[3-5]通過試驗和工程實踐綜合評價了聚丙烯纖維乳化瀝青稀漿封層的優(yōu)越性，指出：纖維和瀝青最佳含量分別為0.20%和11.0%(以石料為基準(zhǔn))；王晶等[6]通過試驗和檢測說明了瀝青-聚丙烯纖維對粉煤灰-礦渣基地質(zhì)聚合物具有增韌作用；Tapkin等[7]通過試驗研究了聚丙烯纖維改性瀝青混合料的車轍預(yù)測；董哲和郭娟[8，9]對聚丙烯纖維-橡膠粉復(fù)合改性微表處混合料性能進(jìn)行了試驗研究；Vadood，Amuchi等[10，11]研究了聚丙烯纖維對瀝青混凝土疲勞壽命和強(qiáng)度的影響等。研究結(jié)果表明：采用聚丙烯纖維對提高瀝青混合料的強(qiáng)度、韌性和耐磨性等是行之有效的。但當(dāng)前研究存在量化研究不夠深入和工程操作性不強(qiáng)等問題。因此，基于“工程地圈系統(tǒng)”，本研究首先分析影響路面結(jié)構(gòu)性能的因素；然后以濕輪磨耗值和負(fù)荷車輪值為評價指標(biāo)，通過室內(nèi)試驗給出纖維瀝青混合料的試驗配合比，并分析纖維長度對混合料性能的影響；最后測試?yán)w維瀝青混合料的抗剪切、抗裂、抗疲勞等性能，對纖維增強(qiáng)瀝青混合料性能的機(jī)理進(jìn)行定性解釋。

2 路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素

為分析路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素，有必要從其所處的工程環(huán)境著手，全面系統(tǒng)地考慮其內(nèi)因和外因。王思敬[12]提出了“地圈系統(tǒng)”和“工程地圈系統(tǒng)”，如圖1所示。張玉等[13，14]將“工程地圈系統(tǒng)”運(yùn)用到風(fēng)積土地區(qū)工程病害研究中，這些研究為地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖1 地圈系統(tǒng) Fig.1 Geo-sphere system

從“工程地圈系統(tǒng)”的角度，路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素主要包括：路基結(jié)構(gòu)、路面交通和自然環(huán)境，如圖2所示。為了更清晰直觀地挖掘路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素，利用AHP層次分析法建立影響因素的三級指標(biāo)體系，如表1所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素Fig.2 Influencing factors to pavement structure

表1 路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素體系Table 1 Influencing factor system to pavement structure

由表1可知，路面結(jié)構(gòu)性能受眾多因素的影響。其中，路基結(jié)構(gòu)為可控因素，路面交通和自然環(huán)境為不可控因素。這些影響因素并不是相互獨(dú)立和單獨(dú)作用，而是相互耦合作用。如：路基結(jié)構(gòu)滿足正常使用的前提下，一方面，自然環(huán)境作用下，路面結(jié)構(gòu)經(jīng)受風(fēng)化、水損、高溫剪切和低溫拉裂等循環(huán)作用，不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷和工程病害；另一方面，路面交通作用下，隨著交通流量的增加、高頻循環(huán)荷載的施加，結(jié)構(gòu)損傷會更有所加劇，又為自然環(huán)境的進(jìn)一步破壞提供條件。反之亦然，故自然環(huán)境和路面交通對路面結(jié)構(gòu)的破壞，互為促進(jìn)，是一種耦合作用現(xiàn)象和諧能量累積破壞過程。因此，有必要采取措施使路面結(jié)構(gòu)能抵抗一定的自然環(huán)境和路面交通破壞，滿足當(dāng)前和將來一段時期內(nèi)的交通運(yùn)行要求。那么，柔性聚丙烯纖維瀝青混合料封層是否滿足工程要求，需要通過試驗和檢測進(jìn)行評判。

3 材料參數(shù)

柔性聚丙烯纖維瀝青混合料由聚丙烯單絲纖維、改性乳化瀝青、石料和水按照一定的配合比均勻拌制而成。具體制備流程是：首先將改性乳化瀝青和水進(jìn)行混合攪拌，制成均勻的乳液備用；將聚丙烯纖維均勻地攤鋪入已備好的乳液中，繼續(xù)拌制；將制備好的聚丙烯纖維-乳液倒入石料中，并攪拌制成混合料。其中，聚丙烯纖維是以丙烯聚合得到等規(guī)聚丙烯為原料紡制而成的合成纖維，試驗中所用纖維的基本參數(shù)如表2所示。

改性乳化瀝青由90#基質(zhì)瀝青(基質(zhì)瀝青含量為60.1%)、MQK-1型乳化劑(劑量為1.7)、乳膠(改性劑)按照一定比例均勻配制而成，基本參數(shù)如表3所示。實驗溫度保持在25.5±0.3℃。

石料選用ES-Ⅲ型級配石灰?guī)r，顆粒級配曲線和基本參數(shù)分別如圖3和表4所示。

表2 試驗用聚丙烯纖維的基本參數(shù) Table 2 Parameters of polypropylene fiber

表3 改性乳化瀝青的基本參數(shù) Table 3 Parameters of modified emulsion-asphalt

圖3 石料的顆粒級配曲線 Fig.3 Grading curve of the gravel

從圖3和表4均可看出，石料的顆粒級配和基本指標(biāo)均在規(guī)范規(guī)定的有效范圍之內(nèi)，符合試驗要求。

4 纖維瀝青混合料試驗配合比

纖維瀝青混合料試驗配合比涉及纖維、改性乳化瀝青、石料和水四個因素。為減少試驗復(fù)雜度，結(jié)合工程經(jīng)驗，現(xiàn)規(guī)定以石料為基準(zhǔn)值(100%)，含水量為石料質(zhì)量的9.0%，只研究纖維和改性乳化瀝青含量對混合料性能的影響。因此，可采用簡單正交試驗法。由于石料的最大粒徑為9.5mm，纖維長度暫選用≥2倍最大石料粒徑，故纖維長度取20mm，摻加比例分別取0.20%、0.25%、0.30%；改性乳化瀝青比例分別取10.5%、11.0%、11.5%、12.0%、12.5%。

由于混合料的濕輪磨耗值和負(fù)荷輪粘砂量分別反映了混合料的耐磨性能和瀝青含量上限，用于可綜合確定最佳瀝青含量，故選用濕輪磨耗值和負(fù)荷輪粘砂量為評價指標(biāo)。濕輪磨耗和負(fù)荷車輪試驗試件尺寸分別為279×10mm(直徑×厚度)、380×50×10mm(長×寬×厚)，固化時間保持在56±2min，60℃下養(yǎng)護(hù)22h，且濕輪磨耗試件浸水時間為60min。然后使用乳化瀝青濕輪磨耗儀和負(fù)荷輪碾壓試驗儀，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行測試，試驗結(jié)果分別見圖4、圖5所示。

表4 石料的基本性能指標(biāo)Table 4 Fundamental index of the gravel

圖4 濕輪磨耗值隨改性乳化瀝青和纖維含量的變化圖(a)濕輪磨耗值隨改性乳化瀝青含量的變化；(b)濕輪磨耗值隨纖維含量的變化Fig.4 Curves of soak abrasion with the modified emulsion-asphalt and fiber(a)Curve of soak abrasion with the modified emulsion-asphalt；(b)Curve of soak abrasion with the fiber

圖5 負(fù)荷輪粘砂量隨改性乳化瀝青和纖維含量的變化圖(a)負(fù)荷輪粘砂量隨改性乳化瀝青含量的變化；(b)負(fù)荷輪粘砂量隨纖維含量的變化Fig.5 Curves of loading wheel with the modified emulsion-asphalt and fiber(a)Curve of loading wheel with the modified emulsion-asphalt；(b)Curve of loading wheel with the fiber

從圖4可知，在本實驗條件下，①濕輪磨耗值和改性乳化瀝青含量近似呈負(fù)指數(shù)或多項式函數(shù)關(guān)系，改性乳化瀝青含量一定時，不同含量纖維對應(yīng)的濕輪磨耗差值變化范圍為9.6～97.7g/m2；②濕輪磨耗值和纖維含量近似呈線性關(guān)系，且存在一個改性乳化瀝青臨界含量sc，處在11.50%～12.00%之間，當(dāng)改性乳化瀝青含量＜sc時，濕輪磨耗值隨纖維含量的增加呈線性增加，并最終趨于穩(wěn)定，當(dāng)改性乳化瀝青含量≥sc時，濕輪磨耗值隨纖維含量的增加呈線性減??；③當(dāng)改性乳化青含量≥11.5%時，纖維含量從0.25%增加至0.3%，特別是當(dāng)纖維含量＞0.30%時，不同改性乳化瀝青含量對應(yīng)的濕輪磨耗值變化不大，趨于穩(wěn)定。因此，建議取11.50%作為改性乳化瀝青含量下限，0.30%作為纖維含量上限。

同理，從圖5可知，在本實驗條件下，負(fù)荷輪粘砂量和改性乳化瀝青、纖維含量分別呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)線性關(guān)系；若將負(fù)荷輪粘砂量取一定值，改性乳化瀝青和纖維含量成正比；該結(jié)論和文獻(xiàn)[3]的定性試驗結(jié)果相一致。

綜上可知，合理確定混合料試驗配合比有兩種方法：(1)對比法。根據(jù)試驗結(jié)果，使?jié)褫喣ズ暮拓?fù)荷輪粘砂量在同樣條件下同時達(dá)到最小，如圖6所示；(2)極值法。若能分別得出濕輪磨耗和負(fù)荷輪粘砂量與纖維、改性乳化瀝青、石料和水這四個影響因素的關(guān)系式，然后對它們的差值求極值。由于濕輪磨耗值一定時，纖維和改性乳化瀝青含量的數(shù)值關(guān)系在不同階段不一致，無法正確得到兩者之間的關(guān)系式，所以暫不能采用極值法。

圖6 濕輪磨耗值和負(fù)荷輪粘砂量變化曲線圖 Fig.6 Curves of soak abrasion and loading wheel

從圖6可知，同樣條件下，濕輪磨耗值和負(fù)荷輪粘砂量同時達(dá)到最小時，纖維和改性乳化瀝青的比例可分別取0.25%、11.5%。因此，混合料試驗配合比可初步定為纖維∶改性乳化瀝青∶石料∶水=0.25∶11.5∶100∶9.0。試驗過程中，由于水分的損失，最終含水量比初始含水量減少1.0%左右。實際施工時，則相差2.0%～3.0%[13，15]。因此，混合料施工配合比建議為纖維∶改性乳化瀝青∶石料∶水=0.25∶11.5∶100∶11.5。

5 纖維長度對混合料性能的影響

為研究纖維長度對混合料性能的影響，在確定上述混合料試驗配合比的基礎(chǔ)上，按照同樣的方法分別研究0、1、15、20、25、30和35mm 長纖維的混合料性能，包括濕輪磨耗、負(fù)荷輪粘砂量和車轍深度等。車轍深度主要反映瀝青混合料的壓實和穩(wěn)定狀態(tài)[16]，可通過車轍試驗儀檢測，車轍試驗試件尺寸為380×50×12.7mm，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果分別如表5和圖7所示。

表5 不同纖維長度時的混合料性能Table 5 Results under different fiber lengths

從圖7可見，纖維瀝青混合料相比瀝青混合料性能上的優(yōu)勢明顯，以20mm長纖維瀝青混合料為例，濕輪磨耗、負(fù)荷輪粘砂量、抗車轍性能分別提高了33.0%、36.4%、59.6%。纖維長度為20mm時的混合料性能較10和15mm時均明顯提高，但和25、30和35mm時的混合料性能差異很小，基本趨于穩(wěn)定，這說明長度≥2倍最大石料粒徑的纖維后再增加纖維長度對進(jìn)一步提高瀝青混合料性能同樣明顯。考慮到石料的最大粒徑為9.5mm，以及拌合性、和易性、適宜性等因素，建議采用20或25mm長纖維即可。

圖7 混合料性能隨纖維長度的變化Fig.7 Curve of mixture performance with fiber length

6 纖維瀝青混合料的性能評價

為綜合評價纖維瀝青混合料的性能，在上述試驗的基礎(chǔ)上，首先按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行馬歇爾、抗剪強(qiáng)度實驗，對試驗配合比混合料的物理力學(xué)性能進(jìn)行測定，如表6所示。其中，纖維長度取20mm。通過抗飛散、低溫彎曲實驗等分析其抗飛散、低溫抗裂和抗疲勞等性能。

表6 纖維瀝青混合料的物理力學(xué)性能Table 6 Physico-mechanical parameters of fiber-asphalt mixture

由表6可見，纖維瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角較無纖維時分別提高了36.0%、2.71%，粘聚力提高比較明顯。

通過試驗，分別得到了不同溫度下混合料的質(zhì)量損失，低溫(-10℃，加載速率為50mm/min)破壞荷載、抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變，以及抗疲勞性能(15℃，正弦波形加載，頻率為2 Hz)，分別如圖8～10所示。

圖8 混合料在不同溫度下的質(zhì)量損失Fig.8 Mass loss under variable temperatures

圖9 混合料的低溫抗裂性能指標(biāo)Fig.9 Index of low temperature performance

圖10 混合料的抗疲勞破壞次數(shù)Fig.10 Fatigue-resisting performance

由圖8～10分別可知，混合料質(zhì)量損失隨溫度升高逐漸降低，并最終趨于緩和，這主要是由于改性乳化瀝青受熱后狀態(tài)和性能發(fā)生變化所致；纖維瀝青混合料性能較無纖維時提高明顯，在溫度≥25℃時，質(zhì)量損失變化不大，且趨于穩(wěn)定。而無纖維時，在溫度≥40℃時，質(zhì)量損失變化不大，且趨于穩(wěn)定，但此時的環(huán)境不利于瀝青混合料的施工和固化[3]。因此，纖維瀝青混合料不僅提高了抗飛散性能，更便于在≥25℃溫度下施工；-10℃時，纖維瀝青混合料的破壞荷載、抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變較無纖維時均有不同程度的提高，分別提高為12.0%、10.6%和9.7%，說明纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能優(yōu)越；纖維瀝青混合料的抗疲勞破壞次數(shù)較無纖維時有較大程度的提高。

纖維之所以增強(qiáng)瀝青混合料的性能，可歸根于以下原因：①纖維的加入，從整體上增加集料的比表面積，吸附能力提高，改善了混合料的流變性能，從而使纖維-瀝青-石料骨架的膠結(jié)力增強(qiáng)；②纖維對瀝青乳液中的不同組分可能存在改善混合料粘附狀態(tài)的選擇性吸附作用；③由于纖維的長度≥2倍最大石料粒徑，混合料的整體性比較好；④纖維自身具有很高的抗拉強(qiáng)度，纖維瀝青混合料作為一種復(fù)合材料，整體的抗拉強(qiáng)度隨之增加；⑤纖維的加入，有利于阻止裂縫的孕育、形成、擴(kuò)展、貫通和結(jié)構(gòu)破壞，并減小尖端應(yīng)力集中和裂縫尺寸；⑥由于纖維具有一定的彈性和聯(lián)結(jié)力，在循環(huán)荷載作用下，混合料具有一定的自恢復(fù)愈合能力。然而，纖維的加入，也會造成混合料中的薄弱界面增多，一定程度上也會降低混合料的整體抗壓強(qiáng)度。因此，合理確定纖維含量尤為重要。

7 結(jié) 論

運(yùn)用“工程地圈系統(tǒng)”有利于全面系統(tǒng)地分析影響因素。路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素主要有路基結(jié)構(gòu)、路面交通和自然環(huán)境，它們之間起相互耦合作用。

經(jīng)優(yōu)化的聚丙烯纖維-改性乳化瀝青混合料試驗配合比為纖維∶瀝青∶石料∶水=0.25∶11.5∶100∶9.0，施工配合比建議為0.25∶11.5∶100∶11.5。當(dāng)纖維長度≥2倍最大石料粒徑時，對混合料性能的繼續(xù)提高并不明顯。

溫度越高，纖維瀝青混合料的質(zhì)量損失越小，且趨于穩(wěn)定，纖維瀝青混合料和瀝青混合料對應(yīng)的臨界抗飛散溫度分別是25℃和40℃。因此，纖維瀝青混合料不僅提高了混合料的抗飛散性能，更便于在≥25℃溫度下施工。

纖維的加入，使得混合料的抗剪、抗裂、抗疲勞性能等均有所提高，原因在于從整體上增加集料的比表面積，使吸附能力和纖維-瀝青-石料骨架的膠結(jié)力均增強(qiáng)，有利于阻止裂縫的孕育、形成、擴(kuò)展、貫通和結(jié)構(gòu)破壞，并減小尖端應(yīng)力集中和裂縫尺寸。