馬尚

（揚州市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇揚州225007）

0 引言

由于在運輸過程中存在重載、超載等問題，導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種早期損壞嚴重的現(xiàn)象，這為我國帶來了巨大的經(jīng)濟損失[1]。研究表明，這種路面早期破損嚴重的現(xiàn)象除了與上述客觀因素有關(guān)外，還與瀝青混合料的抗剪性能有關(guān)[2]。相關(guān)試驗及實踐證明，添加纖維能夠顯著改善瀝青混合料的路用性能，且能長時間保持，可降低道路后期的養(yǎng)護成本[3]。但目前的相關(guān)研究多集中在纖維類型、摻量等對瀝青混合料其他路用性能的影響方面[4]。關(guān)于纖維對瀝青混合料的抗剪強度，尤其是抗剪參數(shù)（內(nèi)摩擦角和黏聚力）的影響的研究較少[5]。

在瀝青混合料抗剪強度研究方面，孫立軍基于既往研究總結(jié)了瀝青混合料的抗剪性能及試驗方法后，開發(fā)了單軸貫入試驗方法[6]。Zhu.H等研究者提出了一種正應(yīng)力條件下的扭剪試驗方法[7]。其原理是通過齒條和齒輪將垂直力轉(zhuǎn)化為扭矩，從而使圓形截面試樣發(fā)生剪切。經(jīng)理論分析和室內(nèi)試驗，試驗的破壞模式為剪切破壞，可用于評價瀝青混合料的剪切性能。邵顯智對瀝青混合料在不同條件下進行了單軸貫入試驗，如集料性質(zhì)、級配類型、瀝青種類與溫度變化等，同時研究了瀝青混合料在不同因素條件下抗剪強度的變化[8]。楊軍[9]、朱浩然[10]等研究者通過開展三軸剪切試驗，認為剪切流動是車轍產(chǎn)生的主要原因，得出級配、最佳瀝青用量、瀝青黏度、試驗溫度對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律。

因此，擬采用聚丙烯纖維和AC-13級配，研究纖維對瀝青混合料剪切參數(shù)（抗剪強度、內(nèi)摩擦角、黏聚力）的影響，這對理解和指導(dǎo)纖維瀝青混合料設(shè)計具有一定的現(xiàn)實意義。

1 原材料

該試驗采用成品SBS改性瀝青（PG76-22）、聚丙烯纖維（由江蘇某廠家提供，長度為6mm，直徑為20μm）、石灰?guī)r集料和石灰?guī)r礦粉等材料，集料性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求（SBS改性瀝青性能指標試驗結(jié)果見表1）。

表1 SBS改性瀝青性能指標及試驗結(jié)果

2 瀝青混合料組成設(shè)計

共設(shè)計四種纖維摻量的AC-13瀝青混合料，纖維摻量分別為瀝青混合料質(zhì)量的0%、0.2%、0.3%和0.4%。以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）為參考，對AC-13瀝青混合料進行級配設(shè)計，根據(jù)反復(fù)調(diào)試，最終確定的級配如表2所示，四種瀝青混合料的組成設(shè)計結(jié)果如表3所示。

表2 AC-13瀝青混合料級配設(shè)計

表3 AC-13瀝青混合料組成設(shè)計結(jié)果

3 試驗方法

采取單軸貫入試驗測試瀝青混合料的抗剪強度，該方法由同濟大學孫立軍提出，操作方便，適用性強。單軸壓縮試驗相當于是圍壓為零時的三軸剪切試驗，因此結(jié)合單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗，即可計算出瀝青混合料的抗剪參數(shù)（內(nèi)摩擦角和黏聚力）。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗結(jié)果與分析

該研究選用單軸貫入試驗和單軸壓縮試驗分別對不同纖維摻量的AC-13瀝青混合料進行測試，每種試樣各制備三個平行試件，去除變異值后取其平均值作為極限荷載的最終值，試驗結(jié)果如表4、表5所示。

表5 AC-13單軸壓縮試驗結(jié)果

由表4可知，相對于較普通的AC-13瀝青混合料，當其中的聚丙烯纖維含量增加到0.2%、0.3%、0.4%時，AC-13瀝青混合料的抗剪強度可增大8.8%、13.4%、24.1%。這是由于將聚丙烯纖維添加到瀝青混合料中，會在其內(nèi)部形成較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青膠漿的黏結(jié)力會在一定程度上限制內(nèi)部細小顆粒的移動，在纖維直徑不變的情況下，纖維摻量增加，便會增加瀝青混合料內(nèi)部的纖維根數(shù)，從而加強三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使混合料的抗剪強度明顯提升。

表4 AC-13單軸貫入試驗結(jié)果

由表5可知，與普通AC-13瀝青混合料相比，摻加聚丙烯纖維的AC-13瀝青混合料的壓縮強度明顯提高，當纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，壓縮強度分別增加8.2%、13.5%、21.3%，即混合料的壓縮強度隨纖維摻量的增加而增加。這是因為聚丙烯纖維與瀝青混合料有較好的黏合性，能有效阻止膠漿流動，纖維摻量增加，會更大程度地阻止膠漿流動，使混合料的壓縮強度增加?？梢?，在瀝青混合料中合理加入聚丙烯纖維可明顯提高其壓縮強度。

4.2 瀝青混合料抗剪參數(shù)分析

根據(jù)抗剪強度和壓縮強度數(shù)據(jù)，可計算不同纖維摻量下瀝青混合料的黏聚力及內(nèi)摩擦角，計算結(jié)果如表6所示。

表6 AC-13抗剪參數(shù)計算結(jié)果

由表6可知，與普通的AC-13瀝青混合料相比，摻加聚丙烯纖維的AC-13瀝青混合料的黏聚力（c）值有所提高。這是因為將纖維摻入瀝青混合料，會形成纖維瀝青膠漿，在一定程度上對混合物起到加強穩(wěn)固的作用，從而提高混合物內(nèi)部細小顆粒間的黏聚力。與普通的AC-13瀝青混合料相比，聚丙烯纖維AC-13瀝青混合料的內(nèi)摩擦角增加范圍在0%～0.4%，變化幅度很小，且不同纖維摻量下，混合料的內(nèi)摩擦角并沒有明顯的變化規(guī)律。因此可得出：AC-13瀝青混合料的黏聚力會隨纖維摻入量的增加而增加，但纖維摻量的變化對內(nèi)摩擦角的影響甚微。這主要是由于在AC-13瀝青混合料中加入一定量的聚丙烯纖維，會在混合料內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維對混合料中的膠漿有增黏作用，在一定范圍內(nèi)，纖維摻量越大，對混合料的增黏作用越強，從而會增強混合料的黏聚力；而AC-13瀝青混合料是“懸浮-密實”結(jié)構(gòu)，集料在其中無法形成骨架，故混合料的內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

就聚丙烯纖維對AC-13瀝青混合料抗剪強度和抗剪參數(shù)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）的影響進行研究，得出如下結(jié)論：

第一，普通AC-13瀝青混合料的最佳油石比確定為4.9%，纖維摻量分別為0.2%、0.3%和0.4%的瀝青混合料的最佳油石比為5%、5%、5.1%，說明摻加纖維會提升AC13瀝青混合料的最佳油石比。

第二，聚丙烯纖維能夠提升AC-13瀝青混合料的抗剪強度和壓縮強度，當纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，抗剪強度分別增加8.8%、13.4%、24.1%，壓縮強度分別增加8.2%、13.5%、21.3%，說明聚丙烯纖維在混合料內(nèi)部形成三維網(wǎng)、與瀝青有效黏結(jié)，可改善AC-13瀝青混合料的力學性能。

第三，將聚丙烯纖維摻入AC-13瀝青混合料中，可提高混合料的黏聚力，且黏聚力的提高與一定范圍內(nèi)的纖維摻量呈正相關(guān)，但纖維摻量對內(nèi)摩擦角的影響甚微，這是由AC-13瀝青混合料的“懸浮-密實”結(jié)構(gòu)決定的。