周強

(湖南交通國際經(jīng)濟工程合作有限公司，湖南 長沙 410000)

瀝青路面具有行車舒適、建養(yǎng)方便、可回收利用等優(yōu)點，在中國高速公路建設工程中逐漸得到廣泛應用。但在經(jīng)濟迅速發(fā)展伴隨而來的重交通荷載影響下，許多瀝青混凝土路面出現(xiàn)明顯的路面損壞，嚴重降低了路面的使用性能及壽命。在傳統(tǒng)的瀝青混合料中摻入玻璃纖維，可以達到改善瀝青混合料路用性能、減少養(yǎng)護次數(shù)及費用的明顯效果。

玻璃纖維屬于一種無機纖維材料，具備質(zhì)輕量大、價格低廉、高強耐久等特征，是作為瀝青混合料合適的外摻劑。目前，中國學者已對玻璃纖維瀝青混凝土開展過相關(guān)研究，其中結(jié)論有：在AC-13型瀝青混合料中，玻纖的最佳摻量為0.2%左右。但關(guān)于玻纖長度對不同公稱最大粒徑、不同級配瀝青混合料各項路用性能的影響等方面研究較少?；诖耍撐尼槍π缘剡x取高速公路常用級配：SMA-13、SUP-20、SUP-25級配，摻入0.2%不同長度的玻璃纖維，研究玻纖長度對其路用性能的影響規(guī)律。最后通過灰色關(guān)聯(lián)分析，確定摻入SMA-13、SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料中玻璃纖維的最佳長度。

1 原材料及礦料級配

1.1 試驗材料

該文選用SBS改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，其技術(shù)指標見表1；粗細集料均選用石灰?guī)r，填料選用由石灰?guī)r磨細制備而成的礦粉，各指標見表2；選用短切無堿原絲玻璃纖維，其技術(shù)指標如表3所示。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標

表2 礦粉主要技術(shù)指標

表3 玻璃纖維技術(shù)指標

1.2 礦料級配

所選級配的各篩孔通過率見表4～6。

2 玻璃纖維長度對瀝青混合料路用性能影響試驗研究

2.1 高溫穩(wěn)定性

不同級配瀝青混合料車轍試驗結(jié)果如圖1所示。

表4 SMA-13瀝青混合料設計級配

表5 SUP-20瀝青混合料設計級配

表6 SUP-25瀝青混合料設計級配

圖1 車轍試驗結(jié)果

由圖1可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，其動穩(wěn)定度逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠低于摻加6 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，其動穩(wěn)定度逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配的動穩(wěn)定度提高最明顯；且隨著纖維長度減小，其動穩(wěn)定度逐漸降低。原因是玻璃纖維具有自身硬度大、較高的彈性模量和有一定的斷裂延伸率的優(yōu)點，摻入瀝青混合料中的不同長度玻璃纖維均能在空間中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠以微加筋的形式有效抑制行車荷載作用下即將滑移的集料，提高其溫度穩(wěn)定性。由于不同級配瀝青混合料的公稱最大粒徑也有所差異，所摻入的玻璃纖維長度要與公稱最大粒徑相匹配，過短的玻璃纖維不能綁住其中的粗集料，過長的玻璃纖維則會在瀝青膠漿中聚成一團，無法起到有效的加筋作用。

2.2 低溫抗裂性

不同級配瀝青混合料的破壞應變結(jié)果見圖2。

圖2 低溫彎曲試驗結(jié)果

由圖2可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料低溫抗裂性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的低溫抗裂性甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠低于摻加6 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的低溫抗裂性甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配瀝青混合料的低溫抗裂性提高最明顯；且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的低溫抗裂性逐漸降低。原因是玻璃纖維的彈性模量遠高于瀝青，摻入瀝青混合料后相當于提高了瀝青膠漿的彈性成分比例，能夠較好地分散傳遞應力，摻入玻璃纖維能夠有效抑制低溫條件下裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，再加上玻璃纖維的加筋作用，因此纖維長度對其影響較大。

2.3 水穩(wěn)定性

為研究不同級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，針對瀝青混合料展開凍融劈裂試驗，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 凍融劈裂試驗結(jié)果

由圖3可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料水穩(wěn)定性。其中6 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的凍融劈裂強度比甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。9 mm長度的玻璃纖維對SUP-20級配瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高最明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SUP-20級配瀝青混合料的凍融劈裂強度比甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料。12 mm長度的玻璃纖維對SUP-25級配瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高最明顯；且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸降低。這是由于玻璃纖維的比表面積極其巨大，可以吸附大量的瀝青有效增加粗集料的瀝青膜厚度，同時又使得瀝青膠漿的黏性增大，因而玻璃纖維可以有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且纖維長度對其影響較小。

2.4 抗疲勞性能

為探討不同級配瀝青混合料的抗疲勞性能，針對瀝青混合料展開疲勞試驗，得到結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：不同長度的玻璃纖維均可明顯提高瀝青混合料抗疲勞性能。其中6、9 mm長度的玻璃纖維對SMA-13級配瀝青混合料的疲勞壽命提高明顯；且隨著纖維長度的繼續(xù)增加，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。尤其當玻璃纖維長度增加到12 mm時，SMA-13級配瀝青混合料的疲勞壽命甚至低于摻加3 mm玻璃纖維的瀝青混合料，遠低于摻加6、9 mm長度玻璃纖維的瀝青混合料。9、12 mm長度的玻璃纖維對SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料的疲勞壽命提高明顯，遠高于摻加3、6 mm長度玻璃纖維的瀝青混合料。且隨著纖維長度減小，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。原因是玻璃纖維能夠延長瀝青膠漿的疲勞壽命。法國道路工作者研究認為瀝青混合料的疲勞開裂主要是由于瀝青膠漿的開裂或損傷引起的，疲勞裂縫在膠漿中產(chǎn)生發(fā)展。玻璃纖維的彈性模量遠高于瀝青，摻入瀝青混合料后，相當于提高了瀝青膠漿的彈性成分比例，從而增強了瀝青膠漿的抗疲勞性能。另外，玻璃纖維分散在瀝青混合料中互相搭接形成三維空間網(wǎng)絡，能抑制部分疲勞裂縫發(fā)展，同時玻璃纖維可有效分散應力集中，一定程度地削弱了應變能積累，從而增強瀝青混合料的韌性。

圖4 彎曲疲勞試驗結(jié)果

3 灰色關(guān)聯(lián)分析

為探討SMA-13、SUP-20、SUP-25級配瀝青混合料的最佳玻璃纖維長度，試驗基于灰色關(guān)聯(lián)分析對瀝青混合料路用性能下各玻璃纖維長度的影響程度進行比較，得出各級配瀝青混合料的玻璃纖維長度最優(yōu)選擇。灰色關(guān)聯(lián)分析是一種衡量各因素間關(guān)聯(lián)程度的常用方法，通過對各因素發(fā)展趨勢及權(quán)重進行對比，計算出指標值與因素的關(guān)聯(lián)程度并進行排序，即可得到影響指標值的主次要因素。

3.1 構(gòu)建矩陣

通過對上述4種不同玻璃纖維長度構(gòu)建方案集A，則方案集A={A1,A2,A3,A4}。由于每種玻璃纖維長度對應4個試驗指標，則指標集B={動穩(wěn)定度，破壞應變，凍融劈裂強度比，疲勞壽命}。建立各級配的方案集A與指標集B矩陣X，則X=(xij)m×n，xij表示i方案中的j試驗指標。列優(yōu)選矩陣，可得到不同級配的矩陣X：

3.2 規(guī)范化矩陣

為了便于比較排序，依次將各級配矩陣內(nèi)的指標進行無量綱化、歸一化處理，使得各試驗指標量綱統(tǒng)一化，便于比較排序。

評價指標數(shù)據(jù)一般可分為成本型和效益型兩類，其中成本型指標的數(shù)值越小表征效果越好，而效益型則反之。

(1) 成本型指標：

yij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(1)

(2) 效益型指標：

yij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj),j=1,2,…,n

(2)

式中：maxxj、minxj分別為j試驗指標中的最大、最小值。

由于指標集B均表現(xiàn)為效益型指標，因此選用式(2)分別計算各級配的正規(guī)化矩陣Y：

3.3 權(quán)重確定

確定評價指標的熵，定義第j個評價指標的熵Hj：

(3)

且假定fij=0時，fijlnfij=0。

則熵權(quán)可表示為：

(4)

參照式(3)計算出各指標的熵Hj:

HSMA-13=[0.62,0.60,0.74,0.54]

HSUP-20=[0.65,0.49,0.745,0.66]

HSUP-25=[0.75,0.61,0.74,0.65]

參照式(4)計算出各指標的熵權(quán)Wj，同時構(gòu)造各級配的熵權(quán)矩陣Wj:

3.4 優(yōu)化選擇

(1) 求屬性矩陣

選用式(5)分別將各級配的矩陣Y規(guī)格化成屬性矩陣R:

R=Y×WJ

(5)

則有：

(2) 求理想點

理想點P:

P=[p1,p2,p3,…,pn]

式中:pj=max{rij|i=1,2,…,m;j=1,2,…,n}。

即在矩陣R中選出理想點P:

PSMA-13=[0.25,0.27,0.17,0.31];PSUP-20=[0.14,0.20,0.10,0.13];PSUP-25=[0.20,0.31,0.21,0.28]

(3) 求距離

計算每個方案到理想點距離L：

L=[l1,l2,…,lm]

計算得：

LSMA-13=[0.41,0.04,0.28,0.51]T

LSUP-20=[0.27,0.2,0.02,0.29]T

LSUP-25=[0.51,0.4,0.21,0]T

從SMA-13級配看：L29 mm>3 mm>12 mm)；從SUP-20級配看：L36 mm>3 mm>12 mm)；從SUP-25級配看：L49 mm>6 mm>3 mm)。

4 結(jié)論

(1) 摻加3、6、9、12 mm 4種長度玻璃纖維均可以明顯提高瀝青混合料的各項路用性能，其中高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂性、抗疲勞性能受玻璃纖維長度影響較大。

(2) 由灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，不同長度玻璃纖維對不同混合料提升效果不同，推薦在SMA-13級配中使用6 mm長度的玻璃纖維，在SUP-20級配中使用9 mm長度的玻璃纖維，在SUP-25級配中使用12 mm長度的玻璃纖維。

(3) 不同級配瀝青混合料所摻入的最佳玻璃纖維長度存在明顯差異，隨著瀝青混合料級配中公稱最大粒徑的增加，摻加的玻璃纖維最佳長度也隨之增大。