廖書文

（中鐵十五局集團(tuán)第六工程有限公司 河南洛陽 471013）

引言

瀝青混合料已成為路面建設(shè)中最主要的材料。為了保證道路的工程質(zhì)量和耐久性，提高其社會和經(jīng)濟(jì)效益，將加強(qiáng)纖維應(yīng)用于瀝青混凝土路面，經(jīng)過大量有效的研究和實(shí)際應(yīng)用，已得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)同[1]。經(jīng)過近20年的實(shí)踐檢驗(yàn)，證明聚酯纖維確實(shí)能改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久性，并全面提高瀝青路面的質(zhì)量[2-4]。SMA混合料能夠綜合改善瀝青路面的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性、耐疲勞性等，而且具有保持表面功能持久的優(yōu)點(diǎn)[5]。

對于SMA-13級配的混合料，目前工程界所公認(rèn)和廣泛使用的木質(zhì)素?fù)搅繛?.3%?？紤]到在SMA混合料中木質(zhì)素纖維只起到穩(wěn)定劑的作用，起不到聚酯纖維所能起到的加筋和傳遞荷載等作用，故采用聚酯纖維類的Bonifibers替代部分木質(zhì)素，和在木質(zhì)素?fù)搅坎蛔兊那闆r下額外摻加聚酯纖維。分析不同纖維組合SMA混合料的路用性能，得出最佳纖維組合和摻量。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青采用摻加5%SBS改性劑的AH-90#重交通石油瀝青，主要性能指標(biāo)見表1。集料SMA-13粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r石屑，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，主要性能指標(biāo)及級配見表2，根據(jù)《規(guī)程》[6]和[7]規(guī)定的級配中值確定集料的合成級配，見表3。纖維采用進(jìn)口Bonifibers和國產(chǎn)聚酯纖維兩種，主要性能指標(biāo)見表4。

表1 AH-90#SBS改性瀝青性能指標(biāo)

表2 集料性能指標(biāo)及配比

表3 集料的合成級配

表4 纖維物化性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青混合料各種性能指標(biāo)根據(jù)《規(guī)程》[6]提出的方法進(jìn)行測試。用馬歇爾試驗(yàn)確定各組混合料的最佳瀝青用量和馬歇爾穩(wěn)定度等指標(biāo)；用車轍試驗(yàn)評價混合料的高溫穩(wěn)定性；用常、低溫劈裂試驗(yàn)評價混合料的低溫抗裂性；用浸水馬歇爾試驗(yàn)評價混合料的水穩(wěn)定性。為了使纖維分散足夠均勻，對加入聚酯纖維的混合料拌和時間比普通混合料延長10～15s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混合料的高溫穩(wěn)定性

2.1.1 馬歇爾試驗(yàn)

按我國試驗(yàn)規(guī)程[6]規(guī)定的馬歇爾試驗(yàn)方法確定各組混合料的最佳瀝青用量，而后在各自最佳瀝青用量下測定各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以看出：（1）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素纖維的混合料，其最佳瀝青用量隨著木質(zhì)素被替代量的增多而減少，這是因?yàn)槟举|(zhì)素的比表面積比Bonifibers大，能吸附和吸收更多的瀝青，而纖維的總量不變，所以木質(zhì)素被替代得越多，最佳瀝青用量越少。額外摻加國產(chǎn)纖維的混合料，最佳瀝青用量隨著纖維添加量的增加而增大，因?yàn)槔w維在混合料中如同填料一樣，需要更多的瀝青包裹在其表面。 （2）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素纖維的混合料，混合料的密度隨著木質(zhì)素被替代量的增加而增大。對于額外摻加國產(chǎn)纖維的混合料，密度隨著纖維添加量的增加而較小，因?yàn)槔w維密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比礦料的密度小，而且聚酯纖維加入后占據(jù)了混合料的一定空間，在相同的擊實(shí)功下很難達(dá)到普通混合料的密實(shí)程度，所以密度會有所減小。（3）用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料和額外摻加國產(chǎn)纖維的混合料，空隙率都是逐漸增大，礦料間隙率都是逐漸減小。原因是數(shù)量巨大的聚酯纖維起到了多向“加筋”、“傳遞荷載”的作用，使混合料比原來更難壓實(shí)。（4）對于用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料，馬歇爾穩(wěn)定度呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時，穩(wěn)定度達(dá)到最大值5.19 kN，較原來提高5.06%。對于額外摻加國產(chǎn)聚酯纖維的混合料，馬歇爾穩(wěn)定度也先增大后減小，當(dāng)纖維組合為0.30%木質(zhì)素+0.06%國產(chǎn)纖維時，穩(wěn)定度達(dá)到最大值6.35kN，較原來提高28.4%，效果優(yōu)于其它組合。這兩組混合料的穩(wěn)定度較原來都有提高，而且效果明顯，說明這兩種纖維組合既能發(fā)揮木質(zhì)素的穩(wěn)定劑作用，又能發(fā)揮Bonifibers起到的橋接和加筋作用。（5）流值同瀝青用量關(guān)系十分密切，瀝青用量越大流值越高。

2.1.2 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是模擬車輪在路面上行駛而形成車轍的工程試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面有良好的相關(guān)性，是評價瀝青混合料高溫抗變形能力的一種重要試驗(yàn)方法。本文進(jìn)行的各組混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6可看出：無論是用Bonifibers替代部分木質(zhì)素還是額外摻加聚酯纖維，混合料的動穩(wěn)定度都有所提高，平均變形速率都有所減小。原因是車轍的產(chǎn)生主要是由于荷載的剪應(yīng)力超過了混合料的抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切破壞，而聚酯纖維在混合料中起到了“牽拉”、“傳遞荷載”的作用，使混合料的抗拉和抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，因而提高了其抗車轍能力。但是聚酯纖維的替代量和添加量又不能太多，一方面是由于木質(zhì)素被替代得太多會影響其熔化成膠體后的粘結(jié)力；另一方面聚酯纖維太多會聚集成團(tuán)，影響在混合料中的均勻性，反而起不到好的效果。兩種混合料動穩(wěn)定度提高效果最好的分別是：用Bonifibers替代0.10%的木質(zhì)素可將原來混合料動穩(wěn)定度提高6.62%，平均變形速率降低5.88%；0.30%木質(zhì)素+0.06%纖維，動穩(wěn)定度達(dá)到最大值5317次/mm，較原來混合料提高7.98%，平均變形速率降低7.05%。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 混合料的低溫抗裂性

瀝青混合料隨著溫度的降低，強(qiáng)度和勁度都會明顯增大，變形能力會顯著下降，從而出現(xiàn)開裂和脆性破壞。因此，提高瀝青混合料低溫抗裂性能，是延長路面壽命的主要措施之一。本文進(jìn)行了各組SMA混合料常溫（15℃）、低溫（-10℃）劈裂試驗(yàn)，加載速率為 50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 常、低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表7可知：在常溫和低溫條件下，無論是用Bonifibers替代部分木質(zhì)素還是額外摻加聚酯纖維，混合料的荷載最大值、劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量均有明顯提高；垂直方向總變形、水平方向總變形和破壞拉應(yīng)變均有明顯減小。15℃時，用Bonifibers替代部分木質(zhì)素的混合料，當(dāng)纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值Rt=2.07MPa，較原來只摻加0.30%木質(zhì)素的混合料略有提高，僅提高了1.47%；對額外摻加聚酯纖維的混合料，當(dāng)0.30%木質(zhì)素+0.06%聚酯纖維時，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值Rt=2.19MPa，較原來提高7.35%。-10℃時，纖維組合為0.20%木質(zhì)素+0.10%Boni時，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度4.72 MPa較原來提高26.20%；纖維組合為0.30木質(zhì)素+0.06聚酯時，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度4.74 MPa較原來提高26.74%。由此可以看出，聚酯纖維能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，且在低溫時的提高效果要優(yōu)于常溫時，原因是聚酯纖維的各項(xiàng)性能指標(biāo)受溫度影響較小，低溫時更得以較好地發(fā)揮其加筋的作用，從而有效提高混合料低溫時的劈裂抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提高混合料的低溫抗裂能力。

綜上所述，添加聚酯纖維，混合料的低溫劈裂強(qiáng)度得到提高，抗變形能力增強(qiáng)，勁度模量增大。在低溫下聚酯纖維仍呈柔性，在混合料中縱橫交錯使混合料具有較高的彈性，發(fā)揮的加筋、阻裂、增韌作用是巨大的，使混合料間的粘結(jié)力增大，從而有效抵抗低溫應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.3 混合料的水穩(wěn)定性

瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度可以反映水對瀝青與集料間粘附效果的破壞作用，本文對不同纖維組合的SMA混合料進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表8中殘留穩(wěn)定度值來看，用Bonifibers替代部分木質(zhì)素和額外摻加聚酯纖維，與原來混合料相比，馬歇爾殘留穩(wěn)定度均有不同程度的提高。最大值分別出現(xiàn)在0.15%木質(zhì)素+0.15%Boni和0.30%木質(zhì)素+0.06%聚酯，且后者略高，比原來0.30%木質(zhì)素時分別提高了2.2%和3.0%。原因有兩方面：一方面因?yàn)榫埘ダw維吸收和吸附部分瀝青，增加了混合料中結(jié)構(gòu)瀝青的含量，減少了自由瀝青的含量，加強(qiáng)了瀝青混合料中瀝青與集料形成的界面膜抵抗水分對瀝青置換剝離作用的能力，因此其殘留穩(wěn)定度較高，抗水破壞能力較強(qiáng)。另一方面是由于兩種聚酯纖維都能有效地提高混合料抗拉能力，而馬歇爾試驗(yàn)主要是拉伸破壞，所以混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度會得以提高，抗水破壞能力得以增強(qiáng)。對比可知，在改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性方面，在原有木質(zhì)素?fù)搅坎蛔兊那闆r下額外摻加聚酯纖維，效果好一些，但不能添加過多，過多同樣會因?yàn)榉稚⑿缘脑驅(qū)旌狭系乃€(wěn)定性起到消極作用。

3 結(jié)論

本文對不同纖維組合混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水侵害性開展了試驗(yàn)研究。研究表明：（1）利用Bonifibers替代部分木質(zhì)素和額外摻加聚酯纖維的混合料都將提高混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度，說明聚酯纖維可有效提高SMA混合料的高溫穩(wěn)定性；（2）聚酯纖維能夠提高瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度，且在低溫時的提高效果要優(yōu)于常溫時。低溫下，聚酯纖維在SMA混合料中仍呈柔性，能有效抵抗低溫度應(yīng)力，減少混合料溫縮裂縫的產(chǎn)生。（3）摻加聚酯纖維可以提高SMA混合料的殘留穩(wěn)定度，說明聚酯纖維對SMA混合料的水穩(wěn)定性也具有改善作用。（4）綜合考慮不同纖維組合和摻量瀝青混合料的路用性能，并考慮到經(jīng)濟(jì)等因素，在試驗(yàn)路中了采用0.20%木質(zhì)素+0.10%Bonifibers的纖維組合。

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[6]JTJ 052-2000，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

JTJ 052-2000，Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering()[S].

[7]JTJ 058-2000，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

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