曹檢云，高凱凱

(1. 長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司，長沙 410125； 2. 交通運輸部科學研究院，北京 100029；3. 交科院公路工程科技(北京)有限公司，北京 100088)

新疆地區(qū)夏季炎熱、冬季寒冷，因此該地區(qū)瀝青路面對瀝青混合料的綜合性能要求較高。為避免新疆地區(qū)瀝青路面過早出現(xiàn)車轍、開裂等病害，提升道路的服務水平，延長路面使用年限，需要綜合考慮瀝青混合料的高低溫路用性能[1-2]。為提升瀝青混合料高溫性能，工程中多采用較粗級配的瀝青混合料，但粗級配的混合料在低溫條件下易出現(xiàn)開裂破壞[3-4]；如采用較細級配的瀝青混合料、提高混合料中的瀝青含量，可以提高瀝青混合料的低溫抗變形能力，但此時瀝青混合料在高溫條件下容易出現(xiàn)車轍、泛油等病害[5]。也有研究試圖通過提升瀝青性能以達到改善瀝青混合料綜合性能的目的，但改性瀝青質(zhì)量穩(wěn)定性難以控制[6-7]，故此方法難以應用于實際工程中。在瀝青混合料中摻入纖維，可提升瀝青混合料的綜合性能[8-9]，同時，AC-20瀝青混合料一般應用于瀝青路面的中下面層，混合料的低溫性能有待提高[10]。本文基于室內(nèi)試驗研究不同纖維種類及摻量下AC-20瀝青混合料性能的變化規(guī)律，總結(jié)纖維種類及摻量對瀝青混合料性能的影響，為實際應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 原材料性能

1.1 瀝青

本文選用克拉瑪依70#瀝青，經(jīng)檢測，克拉瑪依70#瀝青各項指標如表1所示。

表1 克拉瑪依70#瀝青各項指標

1.2 纖維

本文選用玄武巖纖維(礦物纖維)、木質(zhì)素纖維及聚酯纖維(聚合物纖維)，3種纖維的技術(shù)指標如表2所示。

表2 3種纖維的技術(shù)指標

1.3 礦料

本文選用石灰?guī)r集料，AC-20瀝青混合料礦料級配如表3所示。

表3 AC-20瀝青混合料礦料級配

1.4 試驗方案

為研究纖維種類和摻量對AC-20瀝青混合料路用性能的影響，本文選用玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維及聚酯纖維，每種纖維在瀝青混合料中的摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。采用馬歇爾法，確定不同纖維摻量下AC-20瀝青混合料的最佳油石比如表4所示，并在最佳油石比下制備AC-20 瀝青混合料試樣，測試其高溫穩(wěn)定性[馬歇爾穩(wěn)定度(MS)和動穩(wěn)定度(DS)]、低溫抗裂性(抗彎拉強度和破壞應變)以及水穩(wěn)定性(凍融劈裂強度比)。

表4 不同纖維摻量下AC-20瀝青混合料的最佳油石比

由表4可知，隨著AC-20瀝青混合料中纖維摻量的增加，各瀝青混合料的最佳油石比呈現(xiàn)增大趨勢，且摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料的最佳油石比明顯大于摻加其他兩種纖維的。這是因為纖維能較好地吸附瀝青，使得摻加纖維的瀝青混合料達到最佳狀態(tài)所需的瀝青用量相比未摻加時增加，且木質(zhì)素纖維呈絮狀結(jié)構(gòu)，相對于其他兩種纖維比表面積更大，吸附的瀝青更多，所以在相同的纖維摻量下，摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料最佳油石比較大[11-13]。

2 纖維種類及摻量對AC-20瀝青混合料路用性能的影響

2.1 3種纖維摻量對AC-20瀝青混合料高溫性能的影響

為評價纖維種類及摻量對AC-20瀝青混合料高溫性能的影響，本文按照馬歇爾法確定的最佳油石比，成型不同纖維種類和摻量的AC-20瀝青混合料標準馬歇爾試件及車轍板，測試AC-20瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度，AC-20瀝青混合料高溫性能隨纖維摻量變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，隨著AC-20瀝青混合料中纖維摻量的增加，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢；當玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時，對應的瀝青混合料的高溫性能達到最高點；與普通瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、聚酯纖維瀝青混合料和木質(zhì)素纖維瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度分別提升了16.8%、15.4%和13.9%；動穩(wěn)定度分別提升了30.5%、22.9%和18.2%。可以看出，在最佳纖維摻量下，玄武巖纖維對瀝青混合料高溫性能的提升效果最好，聚酯纖維次之，木質(zhì)素纖維的提升效果較弱。

2.2 3種纖維摻量對AC-20瀝青混合料低溫性能的影響

為評價纖維種類及摻量對AC-20瀝青混合料低溫性能的影響，選用不同纖維種類和摻量的瀝青混合料的小梁試件，在-10 ℃環(huán)境下測試其低溫破壞極限荷載及破壞時跨中撓度，并計算其抗彎拉強度和破壞時梁底的彎拉應變，瀝青混合料低溫性能隨纖維摻量變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，隨著瀝青混合料中纖維摻量的增加，摻加3種不同纖維的瀝青混合料的彎拉強度和破壞應變均呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢；當玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時，對應的瀝青混合料的彎拉強度最高、破壞應變最大，混合料低溫性能最優(yōu)；與未摻加纖維的瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、木質(zhì)素纖維瀝青混合料和聚酯纖維瀝青混合料彎拉強度分別提升了19.7%、11.3%和16.9%，破壞應變分別提升了26.1%、22.7%和17.7%，由此可見玄武巖纖維對瀝青混合料低溫性能的提升效果最好，木質(zhì)素纖維次之，聚酯纖維提升效果較弱。

2.3 3種纖維摻量對AC-20瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

為評價3種纖維摻量對AC-20瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用馬歇爾擊實法成型不同纖維種類和摻量的瀝青混合料試件，分別測定其凍融劈裂強度比，瀝青混合料凍融劈裂強度比隨纖維摻量變化曲線如圖3所示，其中，TSR表示凍融劈裂強度比。

由圖3可知，隨著纖維摻量的不斷增加，摻加3種不同纖維的瀝青混合料對應的凍融劈裂強度比呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢；玄武巖纖維摻量為0.3%、木質(zhì)素纖維摻量為0.4%、聚酯纖維摻量為0.2%時，對應瀝青混合料的凍融劈裂強度比最大，混合料水穩(wěn)性能最優(yōu)；與普通瀝青混合料相比，最佳摻量下的玄武巖纖維瀝青混合料、木質(zhì)素纖維瀝青混合料和聚酯纖維瀝青混合料凍融劈裂強度比分別提升5.6%、4.7%和4.6%，由此可見玄武巖纖維提升瀝青混合料水穩(wěn)性能的效果最好，木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的提升效果基本相當。

當瀝青混合料中的纖維摻量較少時，纖維可以較均勻地分散在瀝青混合料中，吸收混合料中的自由瀝青，提高結(jié)構(gòu)瀝青的比例，增加瀝青膠結(jié)料的黏度，并起到加筋的作用，因此混合料的路用性能隨著纖維摻量的增加而逐漸增強，在最佳摻量時吸附作用和加筋作用強度達到最大值，混合料各項性能達到最優(yōu)；當纖維摻量繼續(xù)增加，因纖維拌和均勻性較差，混合料會出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，混合料內(nèi)部性能離散性變大，出現(xiàn)應力集中效應，導致瀝青混合料的性能降低。

3 結(jié)論

本文基于室內(nèi)試驗研究纖維種類和摻量對AC-20瀝青混合料性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1) 瀝青混合料的路用性能與纖維摻量之間呈拋物線關(guān)系，隨纖維摻量增加，瀝青混合料的路用性能先提升后降低。

(2) 當玄武巖纖維、木質(zhì)素纖維和聚酯纖維的摻量分別為0.3%、0.4%和0.2%時，纖維瀝青混合料的綜合性能較優(yōu)。

(3) 分析摻加了不同類型纖維的AC-20瀝青混合料的綜合性能可知，最佳纖維摻量下，玄武巖纖維對AC-20瀝青混合料的性能提升效果最佳，建議在實際工程中推廣應用。

(4) 綜合考慮瀝青混合料的路用性能、經(jīng)濟效益及施工難易程度，建議施工拌和過程中按照室內(nèi)試驗確定的最佳摻量進行摻加，不宜人為增加或降低纖維摻量。