王 慶， 李文凱， 邵景干， 陳紅奎， 王菲菲， 王新嚴(yán)

（1.鄭州市交通基本建設(shè)質(zhì)量檢測站，鄭州 450000；2.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，鄭州 450046；3.河南建元公路附屬設(shè)施工程有限公司，河南新鄉(xiāng) 453400）

截至2021年底，中國公路建成并通車總里程高達(dá)519.81余萬公里，高速公路通車運(yùn)營16.10余萬公里，高居世界第一. 我國早期公路多為水泥混凝土路面，因其施工養(yǎng)護(hù)周期長、通車慢、行車舒適性差及后期養(yǎng)護(hù)成本高等缺點(diǎn)在高等級公路建設(shè)中逐漸被淘汰，瀝青混凝土路面隨著施工工藝不斷成熟、施工周期短、行車舒適性好及便于后期養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在目前高等級公路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用［1-3］. 早期通車運(yùn)營的瀝青路面由于交通量的迅速增加，尤其重軸載車輛的增多以及后期管養(yǎng)不到位等因素在通車運(yùn)營的早期就出現(xiàn)諸多路面病害，不僅影響路面美觀，同時對行車安全及舒適性造成不利影響［4-6］. 造成瀝青路面早期病害的因素有多種，主要包括原材料質(zhì)量、混合料級配類型、施工工藝、外加劑的種類以及交通量的超預(yù)期快速增加等，在原材料質(zhì)量及施工工藝相同的前提下，混合料級配類型及外加劑種類對瀝青路面后期的服務(wù)水平及使用年限至關(guān)重要［7-9］.

通常情況下，將長徑比大于1000，且具有一定強(qiáng)度及韌性的材料稱之為纖維，礦物纖維、聚合物纖維、植物纖維是常見的纖維類型. 礦物纖維是以礦物石料為原材料，通過一定的工藝高溫熔融、拉絲制得，其本質(zhì)是物理形態(tài)的不同表現(xiàn)形式，具有較高的強(qiáng)度，與瀝青具有較好黏附能力，在混合料中起到吸附瀝青、穩(wěn)定瀝青且在礦料之間形成搭橋的作用，如玄武巖纖維、水鎂石纖維等；聚合物纖維主要選用石油化工材料通過一定的生產(chǎn)工藝加工而成，如PF 聚酯纖維、PP 聚丙烯纖維等；植物纖維是以植物的莖為原材料，通過擠壓、抽絲、剪切制得，具有較強(qiáng)的吸附瀝青的作用，如木質(zhì)素纖維、竹纖維等. 目前，國內(nèi)外道路工作者將纖維作為一種外加劑摻入到瀝青混合料當(dāng)中來改善瀝青路面的路用性能及使用年限進(jìn)行了大量研究.周健和田宗杰［10］將不同摻量的PVA 聚乙烯醇纖維摻入到AC-10C 瀝青路面中進(jìn)行相關(guān)路用性能研究得出，隨著纖維摻量的增加，混合料高低溫性能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)纖維摻量為3.0%（占瀝青質(zhì)量）時達(dá)到峰值，動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果提高了9.53%，小梁低溫彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變分別提高了54.36%、82.44%. 賈暗明［11］將化學(xué)改性處理后的竹纖維摻入到瀝青混合料中進(jìn)行研究，確定了竹纖維的最佳摻量及混合料最佳瀝青用量，并通過FTIR、NMR 等技術(shù)在微觀層面上檢測竹纖維與瀝青混合料的結(jié)合情況，得出竹纖維摻量為0.2%（占混合料質(zhì)量）、長度為20 mm 時，瀝青混合料整體路用性能最優(yōu). 李振霞等［12］通過研究開發(fā)出玉米秸稈纖維的最佳生產(chǎn)技術(shù)，并與木質(zhì)素纖維作為對照確定瀝青混合料的最佳纖維摻量和最佳油石比，發(fā)現(xiàn)兩種纖維在相同摻量下對混合料性能的提升效果相近，同時利用SEM 電鏡掃描技術(shù)重點(diǎn)分析了玉米秸稈纖維對瀝青路面路用性能的改善機(jī)理. 魏志峰［13］對木質(zhì)素纖維及聚酯纖維混摻瀝青混合料在橋面鋪裝工程上的應(yīng)用展開研究得出，適當(dāng)?shù)睦w維摻量有助于瀝青混合料性能的提升，纖維摻量過大時會起到副作用，木質(zhì)素纖維與聚酯纖維在2∶3的比例以總摻量為0.3%（占混合料質(zhì)量）時，混合料整體性能最優(yōu).

鑒于不同纖維對瀝青混合料相關(guān)性能的改善效果存在差異，瀝青路面常見的礦料級配類型主要有AC型密級配、SMA間斷級配、OGFC開級配等，本文選用高低溫及水穩(wěn)定性能較優(yōu)的AC-13C密級配瀝青混合料，并選用玄武巖纖維及木質(zhì)素兩種纖維混摻作為外加劑展開研究，為瀝青路面各方面性能的改善開辟一種新型的思路，并利用功效系數(shù)法對試驗(yàn)結(jié)果展開分析，確定兩種纖維最佳的混摻方案，為混摻纖維在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

原材料質(zhì)量對瀝青路面的路用性能及運(yùn)營年限有著重要的影響，其中瀝青種類的選擇至關(guān)重要，瀝青作為混合料的膠凝材料，不僅需要具備良好的高低溫性能、抗長期老化性能，還需要具備良好的黏附能力.本文選用許昌金歐特瀝青股份有限公司生產(chǎn)的SBS I-C 聚合物改性瀝青進(jìn)行研究，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對開展相關(guān)性能指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 SBS I-C 聚合物改性瀝青相關(guān)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of relevant indexes of SBS I-C polymer modified asphalt

1.2 纖維

纖維與改性瀝青對混合料性能的改善效果存在差異，性能優(yōu)異的瀝青能夠保證瀝青路面夏季炎熱天氣具有良好的黏性，降低車轍病害的出現(xiàn)，同時冬季寒冷天氣具有良好的韌性，延緩裂縫病害的出現(xiàn). 而纖維能夠三維亂相地分散在混合料當(dāng)中，起到穩(wěn)定、吸附瀝青的作用，增加了結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度，使得混合料整體穩(wěn)定性增強(qiáng). 本文選用玄武巖及木質(zhì)素兩種纖維作為添加劑，其中玄武巖纖維為金褐色短切礦物纖維，木質(zhì)纖維為絮狀、灰色植物纖維. 兩種纖維示意圖見圖1所示，兩種纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2.

圖1 不同類型纖維示意圖Fig.1 Schematic diagrams of different types of fibers

表2 兩種纖維主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of main technical indexes of two fibers

1.3 礦料

礦料作為瀝青路面用量最大的原材料，礦料之間良好的嵌擠效果才能保證瀝青路面具有足夠的承載能力，AC-13C 瀝青路面作為最表層結(jié)構(gòu)層，礦料需具備針片狀含量少、風(fēng)化程度低、良好的顆粒級配及與瀝青具有良好的黏附能力的性能. 本文粗骨料分別選用粒徑為＞5～10 mm、＞10～15 mm 玄武巖碎石，細(xì)骨料為＞0～5 mm機(jī)制砂、填料為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉. 參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）相關(guān)規(guī)定對粗、細(xì)骨料及礦粉進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表4.

表3 粗、細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of main technical indexes of coarse and fine aggregates

表4 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of main technical indexes of mineral powder

1.4 配合比設(shè)計(jì)

本文選用AC-13C間斷級配混合料展開研究，結(jié)合課題組前期試驗(yàn)研究結(jié)果確定纖維總摻量為0.4%（占瀝青混合料質(zhì)量），礦料級配設(shè)計(jì)結(jié)果見表5，玄武巖纖維及木質(zhì)素纖維混摻比例方案見表6，不同纖維混摻方案下AC-13C混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表5 礦料級配設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.5 Design results of mineral aggregate gradation

表6 纖維混摻比例方案Tab.6 Fiber mixing proportion schemes

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Marshall test results

2 路用性能

本章節(jié)在課題組前期混摻纖維優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上對未摻纖維、單摻纖維及不同纖維混摻比例的AC-13C瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害等路用性能研究，評價(jià)不同纖維混摻方案下混合料性能改善效果，確定整體路用性能最優(yōu)時的纖維混摻方案.

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，其路用性能受環(huán)境溫度影響較大，高溫環(huán)境下瀝青混合料韌性降低，塑性增強(qiáng)，在車輛軸載重復(fù)作用下易出現(xiàn)永久性塑性變形，泛油、擁包、車轍等路面病害的出現(xiàn)是高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式［14-15］. 夏季炎熱天氣，室外溫度達(dá)到30 ℃以上，局部地區(qū)甚至?xí)^40 ℃，瀝青路面多為深黑色，具有較強(qiáng)的吸熱能力，表層結(jié)構(gòu)層內(nèi)部往往會達(dá)到60 ℃以上. 影響瀝青路面高溫穩(wěn)定性能的因素有多種，主要包括環(huán)境溫度、交通量、車輛軸載、瀝青標(biāo)號、粗骨料的顆粒狀態(tài)及礦料級配類型等［16］. 本文選用室內(nèi)60 ℃車轍試驗(yàn)來評價(jià)不同纖維混摻方案下AC-13C瀝青混合料高溫抗車轍能力，車轍板試模的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，車轍板成型后需連同試模在室溫條件下靜置48 h后再進(jìn)行車轍試驗(yàn)，車轍深度及動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2、圖3，動穩(wěn)定度按式（1）計(jì)算.

圖2 車轍深度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Rutting depth test results

圖3 動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Dynamic stability test results

式中：DS為動穩(wěn)定度（次/mm）；d1、d2為碾壓時間為t1、t2時的車轍深度（mm），t1、t2分別取45 min、60 min；N為車轍試驗(yàn)機(jī)小輪每分鐘行走的次數(shù)（42次/min）；C1、C2為試驗(yàn)機(jī)常數(shù)，均取1.0.

由圖2、圖3可知：不同纖維摻配方案下，AC-13C 瀝青混合料車轍深度均有所降低，動穩(wěn)定度均有所升高，當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時降低和升高的幅度最大，車轍深度降低幅度為32.52%，動穩(wěn)定度升高幅度為65.95%，這表明不同纖維摻配方案下，AC-13C 瀝青混合料高溫抗車轍能力均得到了改善，其中玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時的摻配方案效果最佳. 究其原因，纖維三維亂相分散在混合料當(dāng)中能夠起到吸附、穩(wěn)定瀝青的效果，使得碾壓后的瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性增強(qiáng)，抵抗軸載塑性變形的能力增加；纖維的摻入增大了混合料的瀝青用量，礦料之間結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度增加，礦料之間的黏結(jié)能力增強(qiáng)；玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的物理、力學(xué)性能存在較大的差異，玄武巖纖維力學(xué)性能較好，木質(zhì)素纖維吸油能力較強(qiáng)，因此合理的纖維混摻方案才能保證混合料具有更優(yōu)的高溫抗車轍能力.

2.2 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青變得硬而脆，混合料脆性增強(qiáng)，黏性降低，車輛軸載作用下混合料各組成材料收縮不一致. 當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的允許拉應(yīng)力小于溫縮應(yīng)力時就會發(fā)生細(xì)微開裂，這些開裂病害多發(fā)生在冬春季節(jié)交替的時候，冬季氣溫較低時路面出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，春季溫度回暖時路面體積膨脹，循環(huán)往復(fù)開裂間隙逐漸增大，裂縫、龜裂、塊狀裂縫的出現(xiàn)是低溫抗開裂能力差的主要表現(xiàn)形式［17-19］，如不加以處治就會進(jìn)一步惡化. 本文選用室內(nèi)-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)來評價(jià)不同纖維混摻方案下AC-13C瀝青混合料低溫抗開裂能力，將車轍板試件切割得到尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，試驗(yàn)時小梁跨徑為200 mm，彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果分別見圖4、圖5，分別按式（2）、式（3）計(jì)算.

式中：RB為試件破壞時的彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為試件破壞時彎拉破壞應(yīng)變，με；b為小梁試件寬度，mm；h為小梁試件高度，mm；L為小梁試件跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件破壞時的跨中撓度，mm.

由圖4、圖5可知：不同纖維摻配方案下，AC-13C瀝青混合料彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果均較未摻纖維的混合料有所提升，當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時提升幅度最大，分別提高34.98%、20.87%，這表明不同纖維摻配方案下，AC-13C瀝青混合料低溫抗開裂能力均得到了改善，其中玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時的摻配方案效果最佳. 究其原因，纖維三維亂相分散在混合料當(dāng)中能夠在骨料之間形成搭接作用，外力彎折作用下能夠一定程度限制小梁試件開裂；纖維的摻入，增大了混合料的瀝青用量，使得礦料之間的黏附能力增強(qiáng)；纖維能夠固定混合料內(nèi)部的自由瀝青，限制其相對流動，使混合料結(jié)構(gòu)整體性增強(qiáng)，能夠有效抵抗荷載及溫縮應(yīng)力產(chǎn)生的變形.

圖4 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Bending tensile strength test results

圖5 彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Bending failure strain test results

2.3 水穩(wěn)定性

多雨地區(qū)，水損害是瀝青路面最常見的病害形式之一. 在車輛軸載、紫外線、雨水沖刷及凍融循環(huán)等綜合因素作用下，瀝青路面中的瀝青會發(fā)生老化，瀝青與礦料之間的黏附能力降低，瀝青膠漿極易從骨料中剝落，松散、坑槽等路面病害的出現(xiàn)是水穩(wěn)定差的主要表現(xiàn)形式［20-22］. 本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)來評價(jià)不同纖維混摻方案下AC-13C瀝青混合料抗水損害能力，浸水馬歇爾及凍融劈裂試件每個摻配方案各8個，取其平均值，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別見圖6、圖7，分別按式（4）、式（5）計(jì)算.

圖6 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Immersion Marshall test results

圖7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Freeze-thaw splitting test results

其中：S0為浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，%；S1為浸水30 min穩(wěn)定度，kN；S2為浸水48 h穩(wěn)定度，kN；TSR 為凍融劈裂殘留強(qiáng)度比，%；RT2為凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；RT1為未凍融劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa.

由圖6、圖7可知：不同纖維摻配方案下，AC-13C瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均較未摻纖維的混合料有所提升，當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為3∶2時提升幅度最大，分別提高6.00%、6.65%，纖維混摻方案的優(yōu)劣順序?yàn)镕＞E＞D＞G＞B＞C＞A，這表明不同纖維摻配方案下，AC-13C瀝青混合料抗水損害能力均得到了改善，其中玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為3∶2時的摻配方案效果最佳. 究其原因，纖維的摻入增大了混合料的瀝青用量，同時纖維能夠吸附、穩(wěn)定瀝青，混合料內(nèi)部自由瀝青含量降低，結(jié)構(gòu)瀝青含量增加，使得礦料之間的黏附能力增強(qiáng)，瀝青膠漿從混合料內(nèi)部剝落的趨勢受到限制，降低了結(jié)構(gòu)層內(nèi)部混合料被水侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)；玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維的物理、力學(xué)性能存在較大的差異，因此合理的纖維混摻方案才能保證混合料具有更優(yōu)的抗水損害能力.

3 效益分析

功效系數(shù)法因其維度廣、原理科學(xué)、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)在方案優(yōu)選過程中被廣泛應(yīng)用［23］. 為權(quán)衡路用性能及經(jīng)濟(jì)合理兩方面效果，對不同纖維混摻方案選用功效系數(shù)法進(jìn)行分析，功效系數(shù)法的通用式為式（6）.

式中：di為單項(xiàng)指標(biāo)得分；Zis為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測值；Ziy為滿意值；Zib為不滿意值；C、D為常數(shù)，分別取40、60.

3.1 路用性能效益分析

對不同纖維混摻方案下的AC-13C瀝青混合料路用性能選用功效系數(shù)法進(jìn)行分析，高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性能的實(shí)測值、滿意值及不滿意值技術(shù)指標(biāo)見表8，表中相關(guān)路用性能指標(biāo)的滿意值及不滿意值是根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的技術(shù)指標(biāo)要求、行業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)測值由課題組討論及征求行業(yè)專家意見確定. 通過功效系數(shù)法計(jì)算各路用性能指標(biāo)得分及平均得分，計(jì)算結(jié)果見表9.

表8 路用性能指標(biāo)參數(shù)值Tab.8 Index parameter values of road performance

表9 路用性能得分及平均得分Tab.9 Scores and average scores of road performance

由表9可知，纖維的摻入能夠提高AC-13C瀝青混合料的路用性能效益，且纖維混摻效果更為顯著. 不同纖維混摻方案下混合料的路用性能效益排序?yàn)镋＞F＞D＞G＞B＞C＞A.

3.2 成本效益分析

通過市場調(diào)查，SBS I-D 聚合物改性瀝青的單價(jià)為4500元/t，試驗(yàn)采用的級配碎石單價(jià)為70 元/t，玄武巖纖維單價(jià)為9000元/t，木質(zhì)素纖維單價(jià)為4500元/t. 通過計(jì)算每噸AC-13C瀝青混合料的成本來分析不同纖維混摻方案時的成本效益. 原材料單價(jià)見表10.

表10 每噸AC-13C瀝青混合料單價(jià)Tab.10 Unit price per ton of AC-13C asphalt mixture 單位：元

由于近年來國家環(huán)保政策的完善，對礦產(chǎn)資源的開采提出了更高的要求，礦料緊缺導(dǎo)致原材料價(jià)格波動較大，在根據(jù)市場調(diào)查及課題組討論后確定瀝青混合料總成本的滿意值為260元/t，不滿意值為410元/t.由式（1）對不同纖維混摻方案下的AC-13C瀝青混合料總成本進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表11.

表11 材料價(jià)格的得分計(jì)算表Tab.11 Score calculation table of material prices

根據(jù)現(xiàn)有工程總目標(biāo)決策習(xí)慣，路用性能和價(jià)格的權(quán)重分別取0.6、0.4. 利用功效系數(shù)法，兼顧路用性能及總成本兩個因素確定纖維的最佳混摻方案，按照式（7）進(jìn)行合成，得出總功效系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表12.

表12 總成本以及路用性能加權(quán)總得分Tab.12 Total costs and road performance weighted total scores

式中：D為加權(quán)得分；di為分項(xiàng)得分；wi為分項(xiàng)權(quán)重.

由表12可知，總功效系數(shù)加權(quán)得分越大，表明纖維混摻方案性價(jià)比越高，當(dāng)玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時性價(jià)比最高.

4 結(jié)論

本文選用AC-13C瀝青混合料展開研究，并對不同纖維混摻方案下瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害等路用性能研究及效益分析得出以下結(jié)論：

1）不同纖維摻配方案下，AC-13C瀝青混合料高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害性能均較未摻纖維的瀝青混合料大幅度增強(qiáng)，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時，瀝青混合料高低溫性能最優(yōu)；玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為3∶2時，瀝青混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu).

2）對不同纖維混摻方案的AC-13C瀝青混合料選用功效系數(shù)法進(jìn)行路用性能效益及成本效益分析結(jié)果綜合考慮，玄武巖纖維與木質(zhì)素纖維摻配比例為2∶3時效果最佳.