復(fù)合纖維瀝青混合料路用性能研究

馬峰，李永波，傅珍，韓偉華，張超

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 材料學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，纖維瀝青混合料因路用性能優(yōu)異、施工快捷的特點受到普遍關(guān)注，并得到廣泛推廣。木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維等是應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)纖維。木質(zhì)素纖維具有較強的瀝青吸附能力，溫度穩(wěn)定性較好，但是易腐爛且會對瀝青產(chǎn)生不利影響[1]。玄武巖纖維是經(jīng)1 450～1 500 ℃高溫熔融拉絲形成的無機硅酸鹽纖維，高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好[2]。聚酯纖維抗拉強度高、耐久性好，但其存在彈性模量低、耐高溫性能差、低溫脆化等缺陷[3]。

國內(nèi)外對于纖維改善瀝青混合料的性能做了許多研究。彭波等[4-5]研究了木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用，認(rèn)為木質(zhì)素纖維能夠提高瀝青膠漿軟化點，增強混合料抗剪切強度，改善高溫穩(wěn)定性；郭利楊等[6]研究了抗車轍劑和新型木質(zhì)素纖維對瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明普通木質(zhì)素纖維+抗車轍劑與新型木質(zhì)素纖維提高瀝青混合料高低溫性能的效果相近；J.S.Sim等[7]將玄武巖纖維用于舊水泥路面的防裂加固，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能提高瀝青混合料的抗裂性能；王寧[8]、熊剛等[9]、彭廣銀[10]等評價了玄武巖纖維瀝青混合料的高低溫及疲勞性能，并基于復(fù)合材料理論對玄武巖纖維增強瀝青混合料的機理進行了探究；傅珍等[11]研究玄武巖對老化瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)短期老化和長期老化后的玄武巖纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性均優(yōu)于普通瀝青混合料。肖鵬等[12]通過研究添加玄武巖的瀝青混合料動態(tài)模量變化，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以提高瀝青混合料的抗車轍能力和低溫性能；王榃等[13]應(yīng)用沖擊韌性評價木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維及聚酯纖維瀝青混合料的疲勞性能，結(jié)果表明沖擊韌性可快速判斷混合料疲勞性能。

目前，僅使用木質(zhì)素纖維、礦物纖維等單一類型的傳統(tǒng)纖維產(chǎn)品已不能滿足現(xiàn)今交通條件下道路使用性能的要求，將多種類型纖維通過不同方式進行組合形成復(fù)合型纖維，從而改善瀝青混合料多方面的路用性能、提高道路使用壽命得到重點關(guān)注。本文將2種復(fù)合纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維分別摻入瀝青混合料，并對纖維瀝青混合料的性能進行對比，以檢驗其實際應(yīng)用價值。

1 原材料及其技術(shù)指標(biāo)

研究采用加德士70號基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。所用集料采用撫寧玄武巖、石灰?guī)r機制砂和礦粉，混合料礦料級配均采用AC-13中值。選擇AC-13中值作為礦料級配，是因為級配為AC-13中值的普通瀝青混合料高、低溫性能均不突出，在該級配混合料中摻入纖維，使混合料性能改善效果更加明顯。

表1 加德士70號基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of caltex 70 base asphalt

KTLF1復(fù)合改性纖維是通過特定方式將木質(zhì)素纖維和聚酯纖維進行混合得到的混合物，同時具有木質(zhì)素纖維的吸油性與聚酯纖維的抗拉特性。KTLG2改性纖維是將改性劑與木質(zhì)素纖維進行混合，該纖維同時具有瀝青改性劑與木質(zhì)素纖維的優(yōu)點，改性劑的加入使得其分散性較好。采用的4種纖維主要技術(shù)指標(biāo)見表2，纖維在電鏡下放大200倍實驗結(jié)果如圖1。

表2 纖維的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of fiber

由圖1(a)可知，KTLF1復(fù)合改性纖維呈現(xiàn)粗壯通直和疏松纏繞的混合狀態(tài)；由圖1(b)可知，KTLG2改性纖維結(jié)構(gòu)粗糙，并且松散地纏繞，使得改性劑能均勻分散在纖維表面和纖維之間；圖1(c)可知，玄武巖纖維表面光滑、直徑較細(xì)；由圖1(d)可知，木質(zhì)素纖維質(zhì)地疏松，且片狀居多呈纏繞狀。

圖1 纖維電鏡試驗結(jié)果Fig.1 Electron microscope test results of fiber

2 瀝青混合料試件準(zhǔn)備及路用性能

2.1 試件準(zhǔn)備

添加纖維的瀝青混合料同普通瀝青混合料的拌合方式有些區(qū)別，準(zhǔn)備試件時要注意混合料拌和順序及拌和時間。4種纖維因物理化學(xué)性質(zhì)各異，添加順序和攪拌時間也不盡相同。拌和時先將纖維和礦料一起拌和約60 s，然后再加入瀝青拌和90 s，最后加入礦粉拌和60 s；KTLG2改性纖維中改性劑成分遇高溫融化，若將纖維與高溫礦料先拌和，纖維會發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，因此，拌和時礦料先加入瀝青拌和60 s，然后加入纖維拌和90 s，最后再加入礦粉拌和60 s。

2.2 高溫穩(wěn)定性

試驗中每組包含3個試件，對測得的3個試件取平均值。對比無纖維、摻加木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維的瀝青混合料，在最佳油石比下采用室內(nèi)車轍試驗，分析KTLF1復(fù)合改性纖維、KTLG2改性纖維在最佳摻量下對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，試驗結(jié)果如圖2。

圖2 纖維瀝青混合料車轍試驗結(jié)果Fig.2 Rutting test results of fiber asphalt mixture

從圖2可以看出，纖維加入后，混合料的高溫穩(wěn)定性有一定改善，說明摻加纖維能有效抑制瀝青混合料的車轍變形，但不同纖維對混合料的高溫穩(wěn)定性提高程度不同。KTLG2改性纖維對混合料高溫性能影響最為顯著，其混合料的動穩(wěn)定度比木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維和普通瀝青混合料分別提高44%，46%，53%，KTLF1復(fù)合改性纖維的動穩(wěn)定度較木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維也有一定程度提高，動穩(wěn)定度提高表明復(fù)合纖維瀝青混合料抗車轍能力增強。

產(chǎn)生以上情況的原因與KTLG2改性纖維本身性質(zhì)有關(guān)，KTLG2改性纖維由改性劑與木質(zhì)素纖維混合后制成，同時具備了改性劑和木質(zhì)素纖維的優(yōu)點。首先，改性纖維具有較好的分散性，因此瀝青混合料中三維分布的纖維網(wǎng)絡(luò)限制了瀝青流動的范圍，表現(xiàn)為瀝青膠漿黏度增大，從而改善混合料高溫抗剪切性能；其次，瀝青膜由于改性纖維的加入處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，高溫下受熱膨脹的瀝青因纖維內(nèi)部空隙的存在具有一定緩沖空間，因此，降低了瀝青路面高溫時泛油的可能性[14-16]。此外，纖維與瀝青的相容性與纖維的吸油率有一定關(guān)聯(lián)[17]，纖維的高吸油率對瀝青混合料的高溫性能有一定改善。

2.2 低溫性能

試驗時每個車轍板切6個300 mm×30 mm×35 mm的小梁，在-10 ℃下保溫45 min，采用試驗結(jié)果的平均值，評價KTLF1復(fù)合改性纖維、KTLG2改性纖維在最佳摻量下的低溫性能試驗結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：

(1)KTLF1復(fù)合改性纖維瀝青混合料彎拉應(yīng)變比普通瀝青混合料、木質(zhì)素纖維、礦物纖維、KTLG2改性纖維分別提高49%，19.2%，34.4%,33.3%，應(yīng)變能分別提高33%,2.5%,3.5%,5.5%。彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能有一定關(guān)聯(lián)，由圖3(b)、(c)、(d)可以看出彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能呈正比關(guān)系，低溫時混合料抵抗收縮拉應(yīng)變的能力增強。

(2)KTLF1復(fù)合改性纖維瀝青混合料彎曲勁度模量是普通瀝青混合料、木質(zhì)素纖維、礦物纖維、KTLG2改性纖維瀝青混合料的80.6%，93.4%，88.2%，87.8%。勁度模量越小，表明環(huán)境溫度較低時，混合料的低溫抗裂性能越好，從側(cè)面證明復(fù)合改性纖維具有更好的低溫抗裂性能。

(3)加入纖維后，瀝青混合料抗彎拉強度均有不同程度的提高，玄武巖纖維瀝青混合料的抗彎拉強度比普通瀝青混合料、KTLF1復(fù)合改性纖維、KTLG2改性纖維、木質(zhì)素纖維的彎拉強度分別提高12%，1%，3%,4%。玄武巖纖維因能有效減少瀝青混合料內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，改善低溫脆性和韌性，從而可改善混合料低溫抗裂強度[18]。

圖3 纖維瀝青混合料小梁彎曲試驗結(jié)果

Fig.3 Beam flexural test results of fiber asphalt mixture

2.3 抗疲勞性能

采用傳統(tǒng)的疲勞理論，即現(xiàn)象學(xué)法，其公式為[19]

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，即試件破壞時的加載次數(shù)(次)；k，n為試驗常數(shù)，受混合料的成分和特性以及試驗溫度、加載方式的影響；σ為采用應(yīng)力控制加載模式時，對試件每次施加的應(yīng)力最大值，MPa。

參數(shù)lgk和n分別為疲勞方程回歸直線的截距和斜率，其回歸直線見圖4(a)。lgk表明了疲勞曲線的線位高低，其值越大，疲勞曲線的線位越高，材料的抗疲勞性能就越好；n越大，疲勞曲線越陡，表明疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化越敏感,lgk和n值見圖4(b)。

纖維瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，復(fù)合纖維的n值較高，說明其混合料對應(yīng)力水平敏感性高于其他2種纖維瀝青混合料；最佳油石比下的普通瀝青混合料在添加了4種纖維之后，lgk值均有所提高，表明添加纖維能提高混合料疲勞壽命，其中KTLG2改性纖維提高效果最為明顯，其疲勞壽命比普通瀝青混合料、木質(zhì)素纖維、礦物纖維、KTLF1復(fù)合改性纖維分別提高32.0%，26.5%，16.3%,1%，4種纖維提高瀝青混合料疲勞壽命的大小順序是改性纖維>復(fù)合改性纖維>礦物纖維>木質(zhì)素纖維。

圖4 纖維瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果Fig.4 Fatigue test results of fiber asphalt mixture

應(yīng)力在瀝青混合料的裂紋尖端積累導(dǎo)致裂紋擴大，當(dāng)裂紋尺寸達到材料損傷極限時，會出現(xiàn)失穩(wěn)擴展,最終導(dǎo)致斷裂破壞。纖維的加入使混合料的勁度模量增加，柔韌性改善，混合料內(nèi)部的微量變形減少，因此，纖維能提高瀝青混合料的疲勞性能。

2.4 水穩(wěn)定性能

本研究主要采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對比最佳纖維摻量下，KTLG2改性纖維、KTLF1復(fù)合改性纖維相比于玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維的水穩(wěn)定性。試件浸水前后馬歇爾試驗結(jié)果見圖5，凍融劈裂試驗結(jié)果見圖6，最佳油石比下空隙率見圖7。試驗中每組包含4個試件，取平均值作為其試驗值。

圖5 纖維瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果Fig.5 Immersion Marshall test results of fiber asphalt mixture

從圖5可以看出，加入纖維后混合料的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度有一定程度的增加或減小，對殘留穩(wěn)定度影響效果不明顯。KTLF1復(fù)合改性纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度提高效果顯著，其未浸水穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度分別比普通瀝青混合料、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維分別提高7.8%，11.7%，1.9%，8.9%和12.6%，17.6%，7.8%，表明復(fù)合改性纖維改善混合料的水穩(wěn)定性比其他3種纖維有更好的效果。

從圖6可以看出：

(1)加入纖維后KTLF1復(fù)合改性纖維瀝青混合料的未凍融劈裂強度和凍融循環(huán)后強度比普通瀝青混合料、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維分別提高20.0%，8.9%，1.0%和21.6%，12.3%，2.1%，說明復(fù)合改性纖維相比木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維有更好的增強作用。

(2)比較4種纖維的殘留強度值，殘留強度最高的是KTLG2改性纖維，達到75.68%。KTLF1復(fù)合改性纖維和玄武巖纖維，其殘留強度值均高于普通瀝青混合料，木質(zhì)素纖維的凍融劈裂殘留強度比普通瀝青混合料稍低，說明混合料的凍融劈裂殘留強度受纖維的影響不明顯。

圖6 纖維瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.6 Freeze-thaw spliting test results of fiber asphalt mixture

KTLF1復(fù)合改性纖維水穩(wěn)定性能方面表現(xiàn)較好，從其微觀狀態(tài)進行分析，相比于其他3種纖維，復(fù)合改性纖維主要特點是微觀下呈現(xiàn)粗壯通直和疏松纏繞的混合狀態(tài)，既能和瀝青進行有效結(jié)合，又能增加混合料黏結(jié)應(yīng)力，分散和吸收凍脹應(yīng)力，提高混合料凍融劈裂強度[20]；由圖7顯示的空隙率試驗結(jié)果，分析水穩(wěn)定性受宏觀因素的影響，在混合料強度滿足要求的前提下，其混合料空隙率較高，表明其具有更好的水穩(wěn)定性。

圖7 纖維瀝青混合料空隙率Fig.7 Void ratio of fiber asphalt mixture

添加纖維后瀝青混合料水穩(wěn)定性提高的部分原因在于：首先，瀝青用量在摻加纖維后需要增多，間接地增加過負(fù)載集料表面瀝青膜的厚度[21]，延長了瀝青氧化時間；其次水剝離附著在集料表面的瀝青需要更大的界面能，增加了水剝落集料表面瀝青的難度；另外，纖維填充了部分瀝青混合料的空隙，降低了瀝青混合料的內(nèi)部空隙率，減少了水分進入內(nèi)部空隙，從而降低了低溫時水分膨脹對混合料的影響。

3 結(jié) 論

研究采用木質(zhì)素纖維、玄武巖礦物纖維分別摻入瀝青混合料，與KTLF1復(fù)合改性纖維、KTLG2改性纖維瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、疲勞性能、水穩(wěn)定性進行對比分析，結(jié)論如下：

(1)纖維可以有效改善混合料的高溫性能、低溫性能、疲勞性能及水穩(wěn)定性，但是因纖維類型不同、有效比表面積各異、改性劑和吸油率等各種因素的影響，4種纖維在提高混合料路用性能指標(biāo)方面有所差異。KTLF1復(fù)合改性纖維改善混合料高溫溫穩(wěn)定性、抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)纖維，KTLG2改性纖維提高混合料的低溫性能及水穩(wěn)定性比傳統(tǒng)纖維有更好的效果。

(2)KTLG2改性纖維在提高混合料高溫穩(wěn)定性、抗疲勞方面表現(xiàn)最好，原因在于改性纖維使得混合料的黏度增加、高溫抗剪切強度增強，同時使混合料柔性增大，在荷載作用下產(chǎn)生的微量變形可以部分消除，使混合料的疲勞壽命得以提高。

(3)KTLF1復(fù)合改性纖維在提高瀝青混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性能方面表現(xiàn)較好，其原因從其微觀分析，相比于其他3種纖維，復(fù)合改性纖維在電鏡下呈疏松纏繞和粗壯通直的混合狀態(tài)，且其通直狀的纖維表面粗糙，所以能更加有效地吸附瀝青，加筋效果也更好。