朱先智

（深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，道路路面的使用壽命備受關(guān)注，探索具有長(zhǎng)壽命及穩(wěn)定性能的路面結(jié)構(gòu)成為研究熱點(diǎn)[1]。瀝青路面的長(zhǎng)期性能主要體現(xiàn)在對(duì)車輛及環(huán)境荷載效應(yīng)的抵抗能力，車輛荷載對(duì)道路路面的作用取決于車輪壓力、交通流量、車輛速度等參量，而環(huán)境對(duì)道路的作用包括溫度效應(yīng)、水作用、凍融循環(huán)等，為了提高瀝青路面的長(zhǎng)期性能，可通過(guò)改善路面構(gòu)造或者改進(jìn)瀝青混合料性能等方法實(shí)現(xiàn)。

纖維瀝青路面是在瀝青混合料中摻入纖維素和聚合物形成復(fù)合材料，可以顯著提高瀝青路面的力學(xué)性能，從而提高其對(duì)車輛與環(huán)境荷載的抵抗能力，相對(duì)傳統(tǒng)瀝青路面具有更長(zhǎng)的使用壽命。Serf ys和Sam anos[3]在瀝青混凝土中摻入石棉、巖棉、玻璃纖維和纖維素，研究發(fā)現(xiàn)可以顯著提高瀝青軟化點(diǎn)，改善抗裂性、抗疲勞性和防水性。陳華鑫等[2]開展了不同級(jí)配瀝青混合料的車轍試驗(yàn)、低溫彎曲和彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、疲勞和耐水試驗(yàn)等，驗(yàn)證了纖維良好的改善效應(yīng)。黃春水和陳麗芳[4]研究了聚酯纖維瀝青混凝土的彎曲性能，說(shuō)明通過(guò)改進(jìn)纖維特征參量改變?yōu)r青混凝土性能的方法。

這些研究證明纖維類型不同，對(duì)改善瀝青混凝土性能有所差異。石棉、聚酯和尼龍是國(guó)內(nèi)三種典型的纖維類型，本文研究這三種纖維加固瀝青混合料的性能，開展試驗(yàn)研究，為探索長(zhǎng)期性能路面提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 纖維的物理特性

該試驗(yàn)通過(guò)在瀝青混合料中摻入纖維改善其力學(xué)及路用性能，所用瀝青混合料包含石灰石骨料和含量為60/70的純?yōu)r青，所用纖維有三種，分別是石棉纖維和由廢棄輪胎回收的尼龍和聚酯。考慮到包含纖維的瀝青混合料主要用在道路面層的表面，因此選用名義最大尺寸19 m m的粗骨料粒徑，以提高其路用性能。尼龍和聚酯可以通過(guò)廢棄的輪胎提取，廢棄輪胎是環(huán)境重大污染源且難以降解，通過(guò)本研究可以更加明確廢棄輪胎的再利用方向。表1和表2分別給出了石棉纖維、回收聚酯和尼龍的物理特性參數(shù)。

表1 石棉纖維的物理特性

表2 聚酯和尼龍的物理特性

在纖維瀝青混合過(guò)程中，應(yīng)該保證各類材料的混合均勻以確保材料各處的力學(xué)性能一致。相關(guān)研究表明[2-3]：60/70瀝青與骨料混合的最小和最大溫度應(yīng)該是130℃和170℃，因此，在本文研究中瀝青容器首先加熱到140℃，然后再把纖維加入瀝青中拌合均勻。相對(duì)于聚酯和尼龍，石棉纖維的長(zhǎng)度不一，因此能夠更均勻地混合到瀝青表面。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及概述

為研究纖維對(duì)瀝青路面的影響，首先需要分析纖維對(duì)瀝青性能的影響，其次研究纖維對(duì)瀝青混凝土混合料性能的影響，從而研究纖維加固瀝青路面的設(shè)計(jì)方法。

首先，纖維含量摻入不同，相應(yīng)的瀝青力學(xué)性能也有差異。為了掌握瀝青對(duì)纖維含量的敏感性，基于文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，本文分別采用纖維對(duì)瀝青重量比為3%,6%,9%,12%的試樣進(jìn)行軟化點(diǎn)和滲透性試驗(yàn)，分析不同摻量對(duì)瀝青性能的影響。

其次，研究纖維對(duì)瀝青混凝土混合料的影響，就需要確定最優(yōu)的纖維與瀝青混合料的配比。本文，采用ASTM D 1559-82方法進(jìn)行馬歇爾配合比設(shè)計(jì)，試件的纖維含量分別為占混合料總重的0%,0.2%,0.4%和0.6%。

最后，按照AASH TO T 283-85進(jìn)行干燥和潮濕條件下的間接拉伸試驗(yàn)以測(cè)定瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度和長(zhǎng)期性能。對(duì)干燥和潮濕拉伸強(qiáng)度、潮濕和干燥韌性以及韌性損失進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 瀝青試驗(yàn)

針對(duì)纖維對(duì)瀝青軟化點(diǎn)和滲透度的影響分別開展了試驗(yàn)，如圖1所示，結(jié)果顯示不同的纖維對(duì)瀝青重量比值對(duì)瀝青軟化點(diǎn)和滲透度具有顯著影響。圖1（a）顯示隨著纖維摻入量增加瀝青的軟化點(diǎn)逐漸提高，以石棉纖維為例，其軟化點(diǎn)從無(wú)纖維摻入的51℃提高到12%纖維摻入量的89℃；圖1（b）顯示隨著纖維摻入量增加瀝青的滲透度逐步降低，同樣以石棉纖維為例，其滲透度從無(wú)纖維摻入的65 m m降低到12%纖維摻入量的26 m m。說(shuō)明，隨著纖維摻入量的提高，瀝青的物理性能得到逐步改善。

圖1 不同纖維摻入量對(duì)瀝青性能的影響

更詳細(xì)的：石棉瀝青具有最低的滲透點(diǎn)和最高的軟化點(diǎn)，聚酯瀝青則具有最高的滲透點(diǎn)和最低的軟化點(diǎn)。導(dǎo)致上述差別的原因包括尺寸、形狀、纖維數(shù)量和吸收側(cè)面積、表面的物理狀態(tài)（粗糙還是光滑）和纖維類型。聚酯纖維表面光滑均勻，石棉表面粗糙使得其引起的橫向表面更大；石棉纖維的長(zhǎng)度是可變的，但尼龍纖維的長(zhǎng)度是恒定的，可變長(zhǎng)度的石棉纖維導(dǎo)致比其他混合物更均勻的分布。因此纖維會(huì)導(dǎo)致瀝青硬化。

2.2 馬歇爾試驗(yàn)

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定不同纖維類型的最佳混合料油石比，圖2給出纖維摻入比例是0,0.2%,0.4%和0.6%下最佳瀝青配比的變化，該纖維比例是纖維對(duì)混合料的比重?？梢钥吹娇傮w上最優(yōu)瀝青含量隨著纖維含量的增加而增加，這是因?yàn)樵诶w維瀝青混合料中瀝青需要增加到纖維表面并將其包圍涂層。同時(shí)，石棉纖維相對(duì)尼龍和聚酯具有更高的最優(yōu)瀝青含量，因?yàn)槭蘩w維具有更多的側(cè)邊面、高吸收（中空纖維）和粗糙表面，相對(duì)于其他纖維具有最高水平的最佳瀝青配比。纖維瀝青混凝土中的最高和最低的最佳瀝青含量配比是0.6%石棉纖維和0.2%聚酯纖維。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明瀝青厚度增加，提高了混合物分離的抵抗性，使路面具有更好抗裂性。

圖2 不同纖維比例下最佳瀝青配比

圖3給出了最佳瀝青配比下不同纖維占混合料的比例對(duì)混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響，含纖維的瀝青混凝土樣本相對(duì)于對(duì)照組具有較低的馬歇爾穩(wěn)定性，降低12.3～26%不等。隨著纖維含量增加，由于最優(yōu)瀝青含量高，馬歇爾穩(wěn)定性下降。馬歇爾穩(wěn)定性的最大和最小值分別是含有0.2%石棉纖維和0.6%尼龍纖維的樣本，根據(jù)相關(guān)規(guī)范重載交通路面的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定性最小控制值為6 672 N，滿足要求。

圖3 不同纖維比例下的馬歇爾穩(wěn)定度

表3給出了最佳瀝青配比下瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)樣本的結(jié)果，可以看出含有纖維的瀝青混凝土的馬歇爾流動(dòng)性比對(duì)照樣本要大（7.3～48.8%），且當(dāng)纖維含量增加時(shí)，馬歇爾流動(dòng)性也隨著增加。馬歇爾流動(dòng)性最大值和最小值分別是含有0.6%聚酯纖維和0.2%石棉的樣本。同樣根據(jù)規(guī)范，瀝青混凝土混合料的馬歇爾流動(dòng)性最小值和最大值分別是8%和16%。因此，所有的瀝青混凝土混合物流動(dòng)性，除了含有0.6%的聚酯混合物，均滿足要求。

表3 最佳瀝青配比下瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.3 間接拉伸試驗(yàn)

開展了干燥和潮濕環(huán)境下的間接拉伸試驗(yàn)，以評(píng)估纖維瀝青混合料的力學(xué)性能及長(zhǎng)期性能。

圖4繪制了0.4%纖維含量干燥狀態(tài)下不同纖維類型的拉伸強(qiáng)度與位移變化關(guān)系?？芍诟稍餇顟B(tài)下含纖維的瀝青混合料抗拉強(qiáng)度小于對(duì)照樣品（1～26.3%）；當(dāng)纖維量增加，拉伸強(qiáng)度下降，這是因?yàn)闉r青混合料具有比無(wú)纖維混合物更大的靈活性。此外，在同等纖維含量下，含有石棉瀝青混合料相比含有尼龍和聚酯的混合物在干燥狀態(tài)下有更高的抗拉強(qiáng)度，形成該結(jié)果的原因是石棉纖維的長(zhǎng)度具有變化性，因此與瀝青等混合更加均勻，且石棉纖維的粗糙表面提高了瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度。聚酯纖維與尼龍纖維瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度差異不顯著。然而，含纖維的瀝青混合料在潮濕狀態(tài)下最大抗拉強(qiáng)度大于控制樣品（除0.6%的尼龍和聚酯纖維的混合物）。因?yàn)楹欣w維的混合物比控制樣品有更高的最佳瀝青含量，增加最佳瀝青含量的百分比會(huì)增加瀝青涂層的厚度。

表4給出了不同含量的石棉、尼龍和聚酯纖維與控制樣本的瀝青混凝土混合物的拉伸強(qiáng)度比的變化。抗拉強(qiáng)度越大說(shuō)明瀝青混凝土在環(huán)境條件下的耐久性越高。表中可見(jiàn)含纖維混合物的抗拉強(qiáng)度大于對(duì)照試樣。最大和最小的拉伸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的摻入量分別是0.6%的石棉纖維和0.6%的聚酯纖維。研究還發(fā)現(xiàn)隨著石棉纖維的增加，石棉纖維混合料拉伸強(qiáng)度也增加，但對(duì)于聚酯和尼龍纖維規(guī)律則相反。這是因?yàn)閷?duì)于聚酯和尼龍而言，含有纖維混合物比對(duì)照樣品有更多的孔隙，空氣和水的混合物容易滲透導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低。說(shuō)明對(duì)于石棉應(yīng)該增加纖維以提高其長(zhǎng)期性能，但對(duì)于聚酯和尼龍則可以適當(dāng)控制纖維量以提高其長(zhǎng)期性能。

圖4 干燥狀態(tài)下纖維瀝青混凝土的拉伸強(qiáng)度與位移變化關(guān)系

表4 不同纖維含量下瀝青混合料拉伸強(qiáng)度

影響瀝青路面長(zhǎng)期性能的主要因素是水損害，因此除了上述的拉伸強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度摻入量比之外，也對(duì)韌性和韌性損失等參量進(jìn)行了分析。應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積越大則瀝青混合料的韌性（能量吸收能力）也更高。根據(jù)圖4計(jì)算其韌性，結(jié)果如表5所示，可以看出，含有纖維的瀝青混合料的干和濕韌性均高于對(duì)照樣品，且隨著纖維增加韌性增加。這是因?yàn)槔w維增加使得瀝青混合料更柔韌，因此其變形增加，拉伸強(qiáng)度變形曲線下的區(qū)域較大，從而韌性增加。此外，隨著纖維含量增加，瀝青混合料韌性損失的百分比減小，它表明抵抗由水分引起的損害，隨著瀝青骨料的纖維涂層的厚度增加而增加。根據(jù)間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果（曲線延伸下降比率的間接比值），發(fā)現(xiàn)纖維的最佳比例分別為含有0.6%石棉纖維，0.4%尼龍和0.4%聚酯。

5 結(jié)論

本文研究了纖維加固瀝青混合料的長(zhǎng)期性能，通過(guò)采用石棉、尼龍和聚酯纖維，分析了其摻入量對(duì)瀝青及瀝青混合料的性能影響，從而確定了最佳纖維摻入量及其設(shè)計(jì)方法，主要結(jié)論如下：

（1）隨著纖維摻入量增加，瀝青的軟化點(diǎn)提高而滲透度降低，瀝青路面硬度增加。

（2）通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)明確了纖維摻入量對(duì)瀝青混合料物理性能的影響，纖維摻入量為0.2～0.6%情況下瀝青混合料性能都能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)間接拉伸試驗(yàn)分析了纖維摻入量對(duì)瀝青混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)表明摻入纖維后所有樣本拉伸強(qiáng)度和干濕韌性都得到提高，說(shuō)明摻加纖維使路面穩(wěn)定、開裂減少、水損害降低，耐久性提高。

（4）石棉、尼龍和聚酯等纖維摻加量的最佳比例分別為0.6%,0.4%和0.4%，由于含聚酯纖維的瀝青含量低且成本低，建議在進(jìn)一步研究中使用聚酯纖維。