邵 曼，劉馥銘

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南 長沙 410008)

0 引言

纖維材料具有良好的分散性，不但能在瀝青中起到“加筋”的作用，而且對瀝青粘附作用有一定的影響［1］。由于纖維材料對瀝青混合料韌性和強度有顯著的改善作用，使得纖維瀝青混合料的路用性能也會優(yōu)于普通瀝青混合料，因此，纖維瀝青混合料的力學性能研究一直倍受關注。

Lin Kueiyi，Bradley J.Ptu-man［2，3］就聚酯纖維和聚丙烯纖維做了大量的研究，取得了具有一定實踐指導意義的成果，并認為聚酯纖維和聚丙烯纖腈纖維對瀝青混合料路用性能具有一定的影響。丁智勇等［1］進行了纖維瀝青混合料性能試驗研究，認為聚合物纖維對瀝青混合料性能改善明顯。近年來道路工程中常用的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維都沒有很好的解決纖維不耐高溫、強度不足等缺點。怎樣在滿足瀝青混合料生產(chǎn)條件和路用性能的前提下找到一種合適的纖維材料具有重要的工程意義。因此，本次將對不同摻量的聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維和玻璃纖維瀝青混合料采取凍融劈裂、車轍、水穩(wěn)定性、三軸剪切試驗進行性能分析研究，確定不同纖維瀝青混合料的性能指標，優(yōu)化纖維瀝青混合料路用纖維的甄選。

1 纖維瀝青砼

1.1 纖維技術指標

纖維材料的基本技術指標見表1。

表1 玻璃纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維技術指標

1.2 瀝青混合料組成

瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉和細集料填充不連續(xù)的粗集料級配骨架間隙組成的瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)。它是由足夠的瀝青結合料和具有相當勁度的瀝青瑪蹄脂膠漿填充在粗集料形成的石—石嵌擠結構的空隙中形成的。通常采用內參法計量改性劑的用量。為了更好的發(fā)揮SMA 的性能此次研究選用殼牌 SBS 改性瀝青(符合 JTG F40 —2004 規(guī)范)。集料為工程中常用的閃長巖石料、石灰?guī)r礦粉［4］。

2 低溫彎曲試驗

試驗條件:試驗溫度－10 ℃的條件下，以50 mm/min 的速度，對不同纖維 SMA —13 小梁試件跨中施加集中荷載直至破壞，得到最大彎拉應變值，結果見圖1。

圖1 不同纖維砼最大彎拉應變關系

從圖1可看出，纖維SMA—13 低溫下的抗裂性都有不同程度的提高，其中玻璃纖維SMA —13 抗裂性能改善較為明顯。分析原因有:首先，瀝青用量的增加對 SMA—13 抗裂性有提高;其次，SMA—13 是一種多級三維網(wǎng)狀結構的分散系:粗集料、細集料、填料分散相分別分散在瀝青砂漿、瀝青膠漿、高稠度瀝青的不同介質中。瀝青膠漿是整個三維網(wǎng)狀結構最重要的部分，能夠決定SMA —13 高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。小梁試件破壞過程中試件的某些部位會首先產(chǎn)生裂紋，形狀的突變導致這些部位應力集中，裂紋不斷發(fā)展，當其達到臨界值時就會出現(xiàn)裂縫直至破壞，基于纖維材料的“加筋”作用以及纖維對瀝青良好的粘附性，在這個多級空間網(wǎng)狀結構分散系中，隨機分布的纖維阻滯裂紋的發(fā)育，延遲試件的破壞。由于玻璃纖維模量最高，同等纖維摻量條件下玻璃纖維SMA—13 抗裂性能優(yōu)于其它纖維SMA—13。

3 車轍試驗

車轍試驗嚴格按照規(guī)范［5］要求進行試驗，得到圖2試驗結果，從圖2看出纖維 SMA —13 抗車轍性有不同程度的提高。分析其原因，一方面，纖維SMA—13 中纖維的吸附作用，瀝青用量增加，瀝青質增多，瀝青膠漿粘結力增強。當?shù)V料顆粒表面結構瀝青達到臨界厚度值δ 時，自由瀝青增多，瀝青膠漿的粘結力反而會下降，抗車轍性能下降。另一方面SMA—13 多級空間網(wǎng)狀結構分散系中隨機分撒的纖維對集料顆粒起到一定的束縛和阻礙作用，尤其是纖維強度較高，長細比較大的材料作用更加明顯。

下面以動穩(wěn)定度指標比較高溫穩(wěn)定性:

圖2 車轍動穩(wěn)定度與纖維摻量的關系

可以看出隨著纖維參量增加SMA—13 穩(wěn)定度均有提高，SMA —13 穩(wěn)定度提高快慢程度依次是玻璃纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維;當纖維摻量增加到0.4%左右時不同纖維SMA—13 穩(wěn)定度均達到最高值。

1)玻璃纖維對穩(wěn)定度的影響。

玻璃纖維摻量0.2%時提高了40%的動穩(wěn)定度，纖維摻量0.4%時穩(wěn)定度提高了71.5%。介于玻璃纖維的耐高溫，玻璃纖維在300 ℃以內它的基本性能不會發(fā)生變化。高強度、長細比較大所以玻璃纖維“加筋”作用明顯，SMA —13 顆粒受外力滑移前必須要先對玻璃纖維網(wǎng)進行破壞，這個過程中需要吸收較大的應力，所以提高SMA—13 高溫穩(wěn)定性。

2)聚酯纖維、聚丙烯腈纖維對穩(wěn)定度的影響。

聚酯纖維、聚丙烯腈纖維都是聚合物纖維，它們對SMA—13 穩(wěn)定度的提高較明顯。纖維材料與瀝青吸附作用不僅僅與瀝青材料性質有關，而且與纖維材料的性質有關。研究表明瀝青對堿性材料有較好的化學吸附作用，聚合物纖維材料它對石油吸附作用較強一些，相當于瀝青質增多;結構瀝青增多，粘結力增強。聚合物纖維長細比較大、模量高有較好的“加筋”作用，對混合料中骨料滑移有制約作用，所以提高了SMA—13 高溫穩(wěn)定性。

3)木質纖維對穩(wěn)定度的影響。

木質纖維是一種是天然可再生木材經(jīng)過化學處理、機械法加工得到的有機絮狀纖維物質。木質纖維作為一種有機物材料對瀝青的化學吸附作用最強，瀝青量的增加使得結構瀝青增多但并沒有明顯改善SMA—13 的高溫穩(wěn)定性。木質纖維技術指標沒有聚合物纖維、玻璃纖維的好，“加筋”作用不明顯。木質纖維對穩(wěn)定度提高不明顯，對SMA —13 高溫穩(wěn)定性沒有較好的改善。

4)纖維最佳摻量。

纖維摻量在一定范圍內對SMA—13 性能的影響成正相關性。兼顧考慮其它指標(纖維種類、空隙率、瀝青含量)的變化對SMA—13 性能的影響。纖維摻量增加油石比提高明顯，混合料中瀝青量增多，自由瀝青隨之增加，瀝青膠漿的粘結力下降，這樣木質纖維吸附穩(wěn)定作用會被抵消，所以木質纖維摻量增加對穩(wěn)定度沒有較大的影響。木質纖維對SMA—13改善主要取決于對石油瀝青吸附穩(wěn)定作用，木質纖維摻量過大有損SMA—13 的性能。見圖3。

圖3 最佳油石比與纖維摻量的關系

4 凍融劈裂試驗及分析結果

根據(jù)上述低溫彎曲試驗和車轍試驗，本次選擇0.4%最佳纖維摻量進行凍融劈裂試驗，試驗結果見表2。

表2 不同SMA—13 凍融劈裂試驗結果

從表2可見，SMA —13 的凍融劈裂強度不同程度得到提高。結合圖4看出，纖維SMA —13 試件隨著纖維摻量的增加空隙率提高，而空隙率的增加，使試件空隙水的凍脹應力破壞明顯，凍融劈裂強度顯著減弱。部分試件在試驗中凍融劈裂強度比沒加纖維試件的凍融劈裂強度還要低。玻璃纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維長細比較大、模量較高“加筋”作用強，且其表面積較大對石油瀝青有一定的吸附作用，在一定摻量范圍內對 SMA —13 性能改善明顯。但是摻量過多時空隙率增大，凍融劈裂強度下降，抵消部分加筋作用。纖維摻量過大還會導致分散不均，也會影響SMA—13 性能。因此，實際應用中要控制好纖維摻量。

水穩(wěn)定性關鍵因素就是瀝青混合料中碎石與瀝青粘結作用。試驗發(fā)現(xiàn)瀝青的粘附性不僅與材料化學性質有關，還與材料物理特征有很大關系，纖維材料巨大的表面積和纖維對瀝青較好的粘附性致使瀝青用量增加;另一方面瀝青材料選擇性與堿性材料之間產(chǎn)生化學吸附作用且產(chǎn)生較大的粘結力。從圖4中可以看出木質纖維材料粘附性最強。

SMA—13 中，瀝青與礦粉作用后，瀝青有選擇性的化學吸附堿性石灰?guī)r礦粉，從而形成一定厚度的擴散溶劑化膜即結構瀝青?；诶w維材料良好的粘附性SMA—13 隨著瀝青用量的增加，結構瀝青層慢慢形成，最終將礦粉顆粒包裹，在這一過程中SMA —13 粘結力不斷提高。隨著瀝青用量的增加，結構瀝青層增加到一定的厚度直至瀝青過剩將顆粒推開形成顆粒間的自由瀝青。由于結構瀝青膜的作用，水分子難以進入到碎石與瀝青的界面上，有效的減少受水作用下瀝青膜剝離而產(chǎn)生早期的路面破壞。

圖4 空隙率與纖維摻量的關系

5 抗剪強度試驗

抗剪強度主要取決于SMA—13 內摩擦角φ 和瀝青混合料的粘結力?？辜魪姸?τ = c+ σtanφ，對SMA—13 圓柱試件進行三軸剪切試驗，按照恒定加載速率施加軸向荷載變形率為0.05 mm/min。根據(jù)上述試驗結果選擇最佳纖維摻量為0.4%，試驗溫度60 ℃。見表3。

表3 纖維SMA—13 抗剪強度試驗結果

以一定荷載(輪壓0.7 MPa )作用時，纖維SMA—13 抗剪強度分別是 0.830 MPa(無纖維)、0.960(玻璃纖維)、0.992(聚丙烯腈纖維)、0.976(聚酯纖維)、0.908(木質纖維)。表3可見纖維 SMA—13 內摩擦角減小，粘結力增大。根據(jù)瀝青混合料強度理論 τ=c+ σtanφ 函數(shù) tanφ單調增函數(shù);的子區(qū)間內增長的比較緩慢，內摩擦角變化幅度較小的情況下函數(shù)值變化很小。纖維SMA—13 抗剪強度主要取決于粘結力作用，而纖維的粘附性，纖維對SMA—13 約束作用、加筋作用增強了瀝青“粘結力”，提高了試件的抗剪強度。

6 結論

1)根據(jù)低溫彎曲試驗，纖維SMA—13 低溫抗裂性大小順序:玻璃纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維。

2)高溫穩(wěn)定性大小順序:玻璃纖維、聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維。車轍試驗中纖維量過大時SMA—13 抗車轍性反而下降，建議在抗剪強度試驗中纖維摻量0.4%左右。

3)根據(jù)水穩(wěn)定性分析，得到水穩(wěn)定大小順序:玻璃纖維、聚丙烯腈纖維、木質纖維、聚酯纖維。

4)三軸剪切試驗中抗剪強度試驗結果表明:纖維加入后試件的抗剪強度增加，其中玻璃纖維效果最佳明顯。

［1］丁智勇.纖維瀝青混合料性能試驗分析［J］.公路交通科技，2008，25 (5):9 －12.

［2］Chen Jianshiuh，Lin Kueiyi.Mechanism and Behavior of Bitumen Strength Reinforcement Using Fibers［J］.Journal of Materials Science，2005(40):87－95.

［3］Bradley J.Putman，Serji N.Amir Khanian.Utilization of WasteFibers in Stone Matrix Asphalt Mixtures［J］.Re－sources，Conservation and Recycling，2004(42):265－274.

［4］JTG/F40 －2004，公路瀝青路面施工設計規(guī)范［S］.

［5］JTJ 052 －2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.