羅良惠 覃廣

作者簡(jiǎn)介：

羅良惠（1986—），工程師，主要從事路橋工程施工管理工作;

覃 廣（1985—），工程師，主要從事路橋工程施工管理工作。

為研究玻璃纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，文章介紹了路用玻璃纖維的原料選擇和表面改性工藝，并通過車轍試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，研究不同摻量下玻璃纖維對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：摻加玻璃纖維可以有效改善混合料的高溫穩(wěn)定性，但是隨著摻量增加，改善作用存在上限;摻加玻璃纖維可以提高瀝青混合料在低溫時(shí)的彈性和抗變形能力，但是對(duì)彎拉強(qiáng)度沒有幫助;玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)能夠顯著提升混合料的劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，但是摻量過多會(huì)導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性顯著下降。

道路工程;玻璃纖維;瀝青混合料;路用性能

U416.217A200683

0 引言

在我國(guó)道路交通量不斷增大及行車荷載不斷增重的背景下，早期建設(shè)的瀝青路面開始出現(xiàn)裂縫、車轍等病害，現(xiàn)狀大量路面已不能滿足高速發(fā)展的交通運(yùn)輸事業(yè)的要求。國(guó)內(nèi)外道路從業(yè)者發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中摻加各類纖維材料開發(fā)新的復(fù)合材料，結(jié)合纖維自身力學(xué)特性，可以改善混合料整體力學(xué)性能[1]。目前常見的瀝青路面改性用纖維有木質(zhì)素纖維、礦物纖維和聚酯纖維等。而木質(zhì)素纖維存在易吸水腐敗、增強(qiáng)效果差的缺點(diǎn)。石棉纖維也有易致癌、不環(huán)保的缺陷。玄武巖纖維雖然各項(xiàng)技術(shù)性能優(yōu)良，但是成本較高，難以得到推廣[2]，因此需要開發(fā)一種廉價(jià)的高強(qiáng)高韌纖維材料。玻璃纖維是一種以硅砂、石灰石等天然礦石為原料的無機(jī)非金屬材料，取材方便且價(jià)格僅為聚酯纖維的1/5，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，比表面積大但吸水率低，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 500～5000 MPa。但是玻璃纖維較脆，拌和時(shí)極易斷裂，且受熱時(shí)易靜電結(jié)團(tuán)，很難形成均勻的三維分布狀態(tài)[3]，從而無法起到加強(qiáng)作用。為解決上述制備工藝問題，本文從纖維類型和規(guī)格選擇、表面改性工藝等方面進(jìn)行技術(shù)探討，研究了不同摻量玻璃纖維混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂等路用性能，以期為玻璃纖維的推廣提供充足的理論依據(jù)。

1 玻璃纖維

1.1 玻璃纖維種類和規(guī)格選擇

（1）纖維種類

按照化學(xué)成分，玻璃纖維可以分為無堿玻璃纖維、中堿玻璃纖維、高堿玻璃纖維及高強(qiáng)玻璃纖維四種。由于成分不同，各種玻璃纖維的特點(diǎn)各不一致，如表1所示。

（2）纖維單絲規(guī)格

玻璃纖維的單絲直徑極細(xì)，通常以μm為單位計(jì)量。國(guó)外從業(yè)者研究發(fā)現(xiàn)，纖維直徑對(duì)纖維強(qiáng)度影響甚微，且隨直徑減小，纖維韌性顯著提高，但是工藝難度和生產(chǎn)成本也明顯提高。在混合料中分布均勻的玻璃纖維混合料可對(duì)路面起到加筋作用，提高路面強(qiáng)度。而纖維的長(zhǎng)徑比是影響其在混合料中分散均勻性的重要影響因素。長(zhǎng)徑比過大會(huì)導(dǎo)致纖維在生產(chǎn)拌和時(shí)受熱結(jié)團(tuán)[5]。綜合考慮玻璃纖維的經(jīng)濟(jì)效益以及柔韌性、耐久性需求，本文選用單絲直徑<10 μm，長(zhǎng)度為6 mm的短切玻璃纖維，其物理性能與其他類型纖維的對(duì)比見表2。

1.2 玻璃纖維表面改性

玻璃纖維表面光滑，摩擦或受熱易起靜電，若不經(jīng)過表面處理直接摻加會(huì)在拌和過程中結(jié)團(tuán)，分布不均勻，導(dǎo)致混合料整體強(qiáng)度下降;同時(shí)，玻璃纖維與瀝青粘附性差，混合料受力時(shí)纖維無法與瀝青咬合，起不到加筋和搭接作用。因此需要在玻璃纖維表面裹附表面處理劑，起到浸潤(rùn)纖維表面、集束、防止靜電積累、提高與瀝青粘附性的作用。

本文選用一種硅烷偶聯(lián)劑類浸潤(rùn)劑，其硅烷偶聯(lián)劑分子一端的基團(tuán)與玻璃纖維表面反應(yīng)形成堅(jiān)固的化學(xué)鍵，另一端基團(tuán)具有有機(jī)物性質(zhì)，可形成防水耐磨的保護(hù)膜，能夠與瀝青產(chǎn)生物理纏繞，使玻璃纖維與瀝青牢固粘結(jié)。其他組成成分有：粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑及抗靜電劑等。另外輔助成分分別有pH調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑、防腐劑或殺菌劑、消泡劑等。粘結(jié)劑主要是為了將單絲聚束，增加纖維柔韌性;潤(rùn)滑劑可以在生產(chǎn)過程中，降低機(jī)械各構(gòu)件的磨損，同時(shí)降低纖維毛絲率;而抗靜電劑可以增加纖維表面的導(dǎo)電性能，以弱化靜電作用引起的纖維間摩擦系數(shù)。

2 路用性能

采用石灰?guī)r、殼牌70號(hào)A級(jí)重交基質(zhì)瀝青作為本文試驗(yàn)集料與粘結(jié)料。纖維改性通常用于SMA路面，但是為了研究結(jié)果的適用性，本文試驗(yàn)級(jí)配選用細(xì)型AC-13F進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)（如表3所示）。通過馬歇爾試驗(yàn)最終確定未摻加纖維時(shí)的最佳瀝青用量為4.6%。

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定的級(jí)配和最佳油石比，以0%、0.1%、0.2%、0.3%的摻量制備玻璃纖維SMA-13瀝青混合料車轍試件，參考《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），分別在60 ℃和70 ℃下以輪壓0.7 MPa進(jìn)行車轍試驗(yàn)60 min。試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：

（1）摻加玻璃纖維后混合料的高溫穩(wěn)定性得到有效提升。在圖1中，隨玻璃纖維摻量增加，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不斷提高，即使摻量為0.1%，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度也比摻量為0時(shí)提高了52.5%。這是因?yàn)榻?jīng)過表面浸潤(rùn)處理的玻璃纖維不易結(jié)團(tuán)、與瀝青粘結(jié)性好，可以均勻分散在混合料中，吸收大量的自由瀝青，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使自由瀝青的數(shù)量相對(duì)減少，提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

（2）隨著摻量的增加，玻璃纖維對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的改善存在上限。在圖1中，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維摻量的增加整體呈上升趨勢(shì)，但是摻量0.3%時(shí)相比0.2%時(shí)基本不變;在圖2中，60 ℃和70 ℃的永久變形在摻量0.2%時(shí)最小，摻量達(dá)到0.3%時(shí)趨于穩(wěn)定。

2.2 低溫抗裂性

根據(jù)《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）對(duì)低溫小梁彎曲試驗(yàn)的規(guī)定，以50 mm/min加載速率在-10 ℃環(huán)境下分別對(duì)纖維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%的混合料進(jìn)行低溫抗裂性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，玻璃纖維可以提高瀝青混合料的低溫彈性和抗變形能力，但是對(duì)彎拉強(qiáng)度沒有幫助。4種摻量下混合料的彎拉強(qiáng)度沒有變化，隨著玻璃纖維摻量的增加，彎拉勁度模量呈上升趨勢(shì)，彎拉應(yīng)變呈下降趨勢(shì)，但是在0.3%摻量時(shí)均有反彈現(xiàn)象。這是因?yàn)閾饺氩ＡЮw維后，纖維吸附了瀝青中的輕質(zhì)組分，使瀝青勁度模量提升;纖維分散了瀝青混合料試件內(nèi)部的拉應(yīng)力，阻礙了微裂縫發(fā)育，宏觀上則體現(xiàn)為混合料整體低溫抗開裂能力提升。

2.3 水穩(wěn)定性

參考規(guī)范對(duì)室溫組（25 ℃浸水2 h）和凍融組（-18 ℃浸水16 h，再60 ℃水浴24 h）進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以干燥狀態(tài)與浸水狀態(tài)劈裂強(qiáng)度比值ITSR表征水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：

（1）瀝青混合料中的玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)試件劈裂強(qiáng)度最大、水穩(wěn)定性最佳。在圖3中，摻加玻璃纖維達(dá)到0.1%和0.2%后，干燥和凍融劈裂強(qiáng)度均有較大提升，0.2%時(shí)的凍融劈裂強(qiáng)度比0時(shí)的干燥劈裂強(qiáng)度都要高;在圖4中，ITSR在摻量0.1%和0.2%時(shí)對(duì)比摻量為0時(shí)分別增長(zhǎng)了2%和2.4%。這是因?yàn)閾郊硬ＡЮw維后，瀝青膠漿的黏度明顯提升，6 mm玻璃纖維吸附在集料上時(shí)能夠起到搭接和加筋作用，提高了劈裂強(qiáng)度。

（2）玻璃纖維摻量過多會(huì)劣化混合料水穩(wěn)定性。在圖3中，纖維摻量0.3%后，干燥和凍融劈裂強(qiáng)度有所下降，其中凍融劈裂強(qiáng)度下降顯著;在圖4中，ITSR在摻量0.3%時(shí)對(duì)比摻量0下降了4.2%。這是因?yàn)槎嘤嗟睦w維在混合料內(nèi)部不能均勻分布，結(jié)團(tuán)纏繞，阻斷了集料之間的粘結(jié)。

3 結(jié)語

通過研究表面改性工藝和不同摻量玻璃纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）摻加玻璃纖維可以有效改善混合料的高溫穩(wěn)定性，但是隨著摻量增加，改善作用存在上限。

（2）摻加玻璃纖維可以提高瀝青混合料在低溫時(shí)的彈性和抗變形能力，但是對(duì)彎拉強(qiáng)度沒有幫助。

（3）玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)能夠顯著提升混合料的劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，但是摻量過多會(huì)導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性顯著下降。

[1]祖小軍.玻璃纖維微表處組成設(shè)計(jì)與路用性能研究[J].福建交通科技，2020（1）：13-15，26.

[2]孫增智，薛 博，陳華鑫.纖維微表處路用性能的影響因素[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2019，36（3）：56-61.

[3]郭寅川，陳喬森，申愛琴，等.玻璃纖維改善礫石瀝青混合料路用性能[J].公路交通科技，2018，35（8）：28-33.

[4]黃劍飛.玻璃纖維對(duì)溫拌瀝青混合料路用性能的影響研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[5]劉 松.玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.