劉 浩，孫永新 ，王朝秦，張?zhí)m蘭

（1 洛陽市騰元公路工程有限公司，河南 洛陽 471000；2 華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；3 洛陽市交通事業(yè)發(fā)展中心，河南 洛陽 471026；4 洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 洛陽 471023）

瀝青混合料憑借出色的性能在我國高等級(jí)公路中得到了大量應(yīng)用，但隨著交通量的快速增長及大型化車輛的增加，導(dǎo)致常規(guī)的瀝青路面過早出現(xiàn)大量的病害，損害其使用性能和服役壽命。使用改性瀝青或添加外加材料是提高瀝青混合料性能的常用方法，其中纖維穩(wěn)定劑是一種典型的外加材料，具有材料易于取得、添加方式簡單、性能改善效果好等特點(diǎn)，在瀝青路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程得到了廣泛應(yīng)用。纖維穩(wěn)定劑在瀝青混合料中通過吸附作用、加筋作用、橋接作用和穩(wěn)定作用，有效改善了混合料的整體性能，使其能夠承擔(dān)沉重的交通荷載、繁重的交通量和惡劣的環(huán)境條件，擴(kuò)展了瀝青混合料的應(yīng)用范圍[1-2]。瀝青混合料中添加的纖維穩(wěn)定劑主要有合成纖維、植物纖維和礦物纖維等，其中聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維應(yīng)用的相對(duì)較多，而其他植物纖維如竹纖維和劍麻纖維等較少采用。但竹纖維和劍麻纖維屬于綠色、環(huán)保、可再生資源，原料分別為毛竹和劍麻，具有生產(chǎn)周期快、時(shí)間短的特點(diǎn)，不像木質(zhì)素纖維的原料多為原木（針葉林、闊葉林），成才周期較長，大規(guī)模使用會(huì)破壞我國寶貴的森林資源，因此推廣其他植物纖維在瀝青混合料的應(yīng)用具有廣闊的前景和顯著的社會(huì)、環(huán)境效益。

木質(zhì)素纖維是《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中推薦采用的穩(wěn)定劑，主要應(yīng)用于SMA混合料中，規(guī)范中給出了纖維質(zhì)量技術(shù)要求、添加量和存放要求等。竹纖維和劍麻纖維的使用也有效改善了瀝青混合料的力學(xué)與路用性能，但這些纖維在瀝青混合料中應(yīng)用的時(shí)間相對(duì)較短，尚處于研究探索階段，沒有制定可推廣的指標(biāo)要求。李靜等[3]研究了竹纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能和低溫抗裂性能的改善效果，確定了竹纖維的最佳摻量和長度，推薦1cm、2cm和3cm長竹纖維的最佳摻量分別為2.5%、2.0%和1.5%。Yu等[4]研究了竹纖維改性對(duì)瀝青混合料性能的增強(qiáng)效果，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺-甲醛共聚物的使用改善了竹纖維與瀝青膠漿的界面結(jié)合能力，且提高了瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，尤其是抗低溫破壞能力和水損害能力。Jia等[5]研究指出，瀝青混合料摻加0.3%的竹纖維或聚酯纖維，則有效提高了瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和疲勞壽命，其中竹纖維瀝青混合料疲勞壽命略低于聚酯纖維瀝青混合料。Cui等[6]研究了不同纖維表面處理工藝對(duì)纖維改性瀝青性能的影響，指出竹纖維表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑、堿處理和熱處理后，可有效提高纖維改性瀝青的疲勞壽命，其中硅烷偶聯(lián)劑處理竹纖維表面則對(duì)瀝青流變性和潤濕性的改善效果最明顯。艾暢等[7]研究了劍麻纖維對(duì)高模量瀝青混合料低溫性能的改善效果，發(fā)現(xiàn)高模量瀝青混合料摻加0.3%的6mm長劍麻纖維，則對(duì)混合料低溫性能的改善效果最好，且同時(shí)可提升混合料的高溫性能和水穩(wěn)性能。陸宏新等[8]研究指出，劍麻纖維經(jīng)堿處理后可提高集料表面的瀝青膜厚度，改善瀝青與集料的界面結(jié)合能力，相應(yīng)提升混合料的路用性能。Ramalinga等[9]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料摻加低劑量的劍麻纖維后，疲勞壽命和抗水損害能力顯著提高；根據(jù)路用性能試驗(yàn)結(jié)果，建議所選混合料摻加劍麻纖維的劑量和長度分別為0.05%和15mm。柳一村等[10]研究指出，AC-13混合料摻加0.2%的劍麻纖維可顯著改善其高溫性能和低溫抗裂性能。以上研究說明竹纖維和劍麻纖維對(duì)瀝青混合料性能的改善效果，但主要從纖維劑量與長度和纖維表面處理方式等方面開展研究；瀝青混合料摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維等后，其性能改善效果及作用機(jī)理是否存在差異目前仍缺乏深入的研究，不利于竹纖維和劍麻纖維在道路中的推廣應(yīng)用。

基于此，本文以SMA-13和AC-13混合料為試驗(yàn)對(duì)象，研究植物纖維添加對(duì)瀝青混合料性能改善效果的影響。通過強(qiáng)度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)對(duì)比不同纖維的改善效果差異，揭示性能變化產(chǎn)生的原因，并采用方差分析探討混合料與纖維類型因素對(duì)混合料性能的影響差異，以期為植物纖維在瀝青路面中應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青結(jié)合料選用SBS改性瀝青，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1。粗細(xì)集料分別選用玄武巖和石灰?guī)r石料經(jīng)破碎制得，礦粉采用石灰?guī)r石料通過磨細(xì)工藝得到，技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求。SMA-13和AC-13混合料選取的礦料級(jí)配如圖1所示。

圖1 選取的礦料級(jí)配Fig. 1 Selected aggregate gradation

表1 SBS改性瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Table 1 Key technical indicators of SBS modified asphalt

纖維穩(wěn)定劑采用木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維，并通過干法工藝添加到瀝青混合料中；AC-13和SMA-13混合料中不同植物纖維的添加量為0.3%，纖維長度統(tǒng)一為6mm，纖維的基本技術(shù)指標(biāo)如見表2。不同瀝青混合料的最佳瀝青用量采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定，具體見表3。

表2 不同纖維的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indicators of different fibers

表3 不同瀝青混合料最佳油石比Table 3 Optimal asphalt-aggregate ration of different asphalt mixtures

1.2 測(cè)試方法

采用單軸壓縮試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)測(cè)試不同纖維瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，分析植物纖維對(duì)瀝青混合料性能改善效果，具體試驗(yàn)條件見表4。

表4 試驗(yàn)方法和條件Table 4 Test methods and conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 植物纖維對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響

不同瀝青混合料摻加纖維前后的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中看出：①植物纖維的摻加有效提高了瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度，降低了混合料發(fā)生破壞的概率，相比未摻加纖維的AC-13混合料，摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度分別提高39.7%、31.6%和28.5%，纖維在混合料中有效發(fā)揮了吸附、穩(wěn)定等作用，提高了結(jié)構(gòu)瀝青的含量，使其能夠承擔(dān)更重的荷載作用；②不同纖維對(duì)AC-13和SMA-13混合料抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度大小為：木質(zhì)素纖維＞竹纖維＞劍麻纖維，說明竹纖維和劍麻纖維的增強(qiáng)效果略低于木質(zhì)素纖維，但仍具有明顯的增強(qiáng)效果。改善效果存在差異的原因?yàn)槟举|(zhì)素纖維的密度相對(duì)較小，相同質(zhì)量條件下木質(zhì)素纖維的數(shù)量較多，在混合料中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較密，能夠顯著提高混合料的抗荷載破壞能力。

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Result of uniaxial compression test

2.2 植物纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響

AC-13和SMA-13瀝青混合料的抗車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：①AC-13瀝青混合料摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維后，動(dòng)穩(wěn)定度分別提高42.8%、38.2%和27.2%，植物纖維的使用有效改善了混合料的高溫抗車轍性能，降低了瀝青路面車轍病害發(fā)生的概率，混合料中分散均勻的纖維有效吸收瀝青的輕質(zhì)組分，提高了結(jié)合料的黏度，使其在高溫下不容易發(fā)生軟化現(xiàn)象；同時(shí)纖維在混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效限制了礦料的移動(dòng)，提高了混合料抗變形的能力；②木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維對(duì)AC-13和SMA-13混合料高溫性能的改善效果依次降低，摻有木質(zhì)素纖維的瀝青混合料具有更好的高溫性能，但摻有竹纖維和劍麻纖維的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度也明顯高于規(guī)范要求。原因是所選纖維穩(wěn)定劑的密度不同，導(dǎo)致混合料中添加纖維的數(shù)量存在差異，影響纖維改善作用的發(fā)揮。

圖3 不同瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Result of rut test

2.3 植物纖維對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的改善作用

不同瀝青混合料摻加纖維前后的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4中得知：①AC-13瀝青混合料中植物纖維的摻加，有效提高了其低溫抗裂性能，相比未摻加纖維的瀝青混合料，摻有木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的AC-13瀝青混合料破壞應(yīng)變分別提高8.4%、19.5%和10.7%，均勻分散在瀝青混合料中植物纖維有效發(fā)揮了加筋和橋接等作用，提高了混合料的柔韌性，使其試件在荷載作用下不容易被拉斷，因此低溫抗裂性能得到增強(qiáng)；②不同植物纖維對(duì)AC-13和SMA-13混合料低溫性能的改善效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變大小為：竹纖維＞劍麻纖維＞木質(zhì)素纖維，說明竹纖維和劍麻纖維的改善效果相對(duì)較好。原因一方面為不同植物纖維的抗拉強(qiáng)度存在差異，其中竹纖維和劍麻纖維的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，促使其能夠承擔(dān)更重的荷載，從而提升混合料整體的抗拉強(qiáng)度；另一方面為竹纖維的吸油率較高，其摻有該纖維的瀝青混合料的瀝青用量較大，這可使礦料表面的瀝青膜更厚，從而增強(qiáng)混合料的柔韌性，且瀝青混合料的低溫抗裂性能主要受瀝青的影響，油石比的增大使其更多的結(jié)構(gòu)瀝青分散荷載作用，因此竹纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能相對(duì)最好。

圖4 不同瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Result of low temperature bending test

2.4 植物纖維對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響

AC-13和SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of freeze-thaw splitting test

圖5 中數(shù)據(jù)顯示：①植物纖維的摻加有效改善了AC-13混合料的水穩(wěn)性能，相比未摻加纖維的AC-13瀝青混合料，摻加木質(zhì)素纖維、竹纖維和劍麻纖維的混合料殘留強(qiáng)度比分別提高9.3%、13.5%和10.8%。說明竹纖維和劍麻纖維也能夠改善混合料的水穩(wěn)性能，這是因?yàn)橹参锢w維的使用有效增加了混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青含量和黏度，促使瀝青與礦料間的界面結(jié)合能力增強(qiáng)，降低水分的滲入及其對(duì)瀝青膜的破壞效應(yīng)；②竹纖維、劍麻纖維、木質(zhì)素纖維對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的改善效果依次降低，竹纖維的改善效果相對(duì)最好。這是因?yàn)橹窭w維的吸水率較低，在水分侵蝕時(shí)能夠延緩和降低水分的滲入，水分不容易造成礦料表面瀝青膜的脫落；另一方面竹纖維的吸油率較高，提高了瀝青混合料的瀝青用量，這會(huì)增加瀝青膜的厚度，同時(shí)也說明竹纖維的表面較粗糙，竹纖維與瀝青膠漿的黏結(jié)能力較強(qiáng)，不容易誘使水分的侵入和破壞，故竹纖維瀝青混合料表現(xiàn)出較好的抗水損性能。

2.5 植物纖維對(duì)瀝青混合料抗松散能力評(píng)價(jià)

不同瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：竹纖維、劍麻纖維、木質(zhì)素纖維均能夠增強(qiáng)瀝青-礦料間的黏結(jié)力，降低瀝青混合料的脫落、掉粒和飛散現(xiàn)象，提高瀝青路面的安全運(yùn)營水平。不同植物纖維對(duì)瀝青-礦料間黏結(jié)力的增強(qiáng)效果存在差異，不同纖維瀝青混合料的飛散損失率大小為：木質(zhì)素纖維＞劍麻纖維＞竹纖維，說明竹纖維對(duì)瀝青-礦料間黏結(jié)力的改善效果相對(duì)最好，使其具有的較好的抗松散能力，從而提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。這是因?yàn)橹窭w維具有較低的吸水率，能夠降低水分滲入瀝青-礦料界面結(jié)合處，減少瀝青膜的脫落現(xiàn)象，增強(qiáng)瀝青-礦料間的黏結(jié)力。

圖6 不同瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Result of immersion dispersion test

2.6 植物纖維瀝青混合料性能影響方差分析

為認(rèn)清混合料及植物纖維類型對(duì)瀝青混合料性能影響的顯著性，采用SPSS軟件對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果開展方差分析，分析結(jié)果見表5。由表5可知：所選因素混合料類型與纖維類型對(duì)瀝青混合料性能均有顯著影響，其中混合料類型對(duì)瀝青混合料性能產(chǎn)生的影響更顯著，但纖維類型對(duì)其產(chǎn)生的影響也不能忽略，應(yīng)結(jié)合瀝青混合料性能變化確定合適的纖維類型，使其達(dá)到較好的性價(jià)比。

表5 所選因素對(duì)混合料不同性能的方差分析Table 5 Variance analysis of selected factors for road performance

3 結(jié)論

（1）植物纖維的物理技術(shù)指標(biāo)如密度、吸油率、吸水率、抗拉強(qiáng)度等，顯著影響纖維對(duì)瀝青混合料性能的增強(qiáng)效果，其中吸油率影響瀝青混合料的最佳瀝青用量，吸水率和抗拉強(qiáng)度則影響瀝青混合料的水穩(wěn)性能和低溫性能。

（2）不同植物纖維有效提高了AC-13瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫性能，摻有木質(zhì)素纖維、竹纖維、劍麻纖維的瀝青混合料強(qiáng)度和高溫性能依次降低，但竹纖維瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫性能接近木質(zhì)素纖維瀝青混合料。

（3）AC-13瀝青混合料摻加植物纖維后，低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能和瀝青-礦料黏結(jié)力得到了改善，但植物纖維的不同影響瀝青混合料性能的變化，摻有不同植物纖維的瀝青混合料低溫抗裂性能、水穩(wěn)性能和抗松散性能優(yōu)劣為：竹纖維＞劍麻纖維＞木質(zhì)素纖維。

（4）混合料類型和纖維類型顯著影響瀝青混合料的強(qiáng)度和路用性能，其中混合料類型產(chǎn)生的影響相對(duì)較大，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)在瀝青混合料類型確定的基礎(chǔ)上合理選擇纖維類型。