纤维沥青混合料高温性能与最佳掺量试验研究

纤维沥青混合料高温性能与最佳掺量试验研究

陈丽芳林丽魏永强

（1.郑州市交通规划勘察设计研究院郑州450002；2.郑州市弘锐工程技术咨询有限公司郑州450002

3.郑州市交通规划勘察设计研究院郑州450002）

摘要：在原材料物理力学性能试验的基础上,利用图解法并经过配合比调整和优化,得出AC—13Ⅰ矿料的配合比。在此基础上,通过不同纤维种类、不同纤维掺量下沥青混合料的马歇尔试验,得出纤维沥青混合料的最佳沥青用量OAC,然后通过高温车辙试验,研究不同纤维种类和掺量对沥青混合料动稳定度的影响，分析纤维增强机理,从纤维对沥青混合料高温性能的影响特征出发，得出不同种类纤维的最佳掺量。结果表明：纤维能显著改善沥青混合料的高温性能；不同种类的纤维在沥青混合料中对应着不同的最佳掺量。

关键词：道路工程；纤维沥青混合料；车辙试验；高温性能；最佳纤维掺量。

中图分类号：U416.217文献标识码：A

0引言

纤维沥青混合料因其优良的路用性能，受到越来越多的重视。对于纤维沥青混合料路用性能的研究，主要以实验为依托，研究纤维沥青胶浆的性能、纤维沥青混合料的高、低温等路用性能以及纤维沥青混合料的动态性能,运用复合材料理论、界面化学理论等对纤维的增强作用进行分析和探讨[1][2][3][4][5]。总结这些研究成果,仍存在一定的不足。本研究通过集料筛分试验,调配出满足规范要求并经实验验证满足要求的集料级配,然后进行马歇尔实验,确定纤维沥青混合料的最佳油石比,然后通过基体沥青混合料与纤维沥青混合料的高温车辙实验,分析增强机理，研究纤维对基体沥青混合料高温性能的增强能力,从纤维增强能力出发,确定纤维的最佳掺量。

1原材料及合成级配

试验采用国产AH-70沥青，实测各项技术指标见表1。采用两种纤维，一种是国产木质素纤维，技术指标为：纤维长度﹤6mm；灰分含量18％±5％，无挥发物；PH值7.5±1.0；吸油率不小于纤维质量的5倍。另一种是国产聚酯纤维，主要技术指标为：聚酯材质，本色单丝外观，比重1.38，直径4～6D（9km重4～6g为1D），熔点255～260℃，燃点554～559℃，断裂伸长率20～30％，抗拉强度大于500Mpa，弹性模量大于11800MPa。

表1AH-70沥青主要技术指标

Tab.1ThemajortechnicalindexesofAH-70

指标

针入度P/0.1mm

软化点SP/℃

延度D/cm

15℃

25℃

30℃

测值

37

76

113

49

155

表2集料力学性能

Tab.2Mechanicalperformanceofaggregates

项目

表观相对密度

压碎值/%

磨耗度/%

S10碎石

2.84

26

26.4

S13碎石

2.9

11.3

26.2

石屑

2.72

／

／

砂子

2.58

／

／

矿粉

2.63

／

／

集料为玄武岩S13碎石、石灰岩S10碎石、花岗岩砂子和石灰岩矿粉，主要物理力学性能见表2。级配为AC-13Ⅰ。原材料经过筛分试验[6]后用图解法[7]确定矿质混合料初始配合比为：S10碎石：S13碎石：石屑：砂子：矿粉=25：19：24：24：8。经调整优化后各矿料的最终级配为：S10碎石：S13碎石：石屑：砂子：矿粉=27：21：23：22：7。最终级配曲线与调整优化前的级配曲线、规范[8]规定的AC-13Ι级配上限、下限和中值之间的关系见图1。

2马歇尔试验

为得到不同种类纤维沥青混合料的最佳组成和最佳纤维掺量，首先由马歇尔试验确定无纤维沥青混合料的最佳组成作为对比组，以形成纤维沥青混合料的基体。在无纤维沥青混合料马歇尔试验确定的最佳油石比的基础上，将纤维作为掺合料，分别以一定间隔的掺量添加到沥青混合料中，同时以适当的比例增加沥青用量，从而在每一纤维掺量下，又分别以一定间隔的沥青用量成型马歇尔试件进行试验，以确定此种纤维掺量下沥青混合料的最佳油石比。

根据试验结果，最佳沥青用量OAC与纤维掺量的关系见图2。可以看出，曲线的峰值点以前，最佳沥青用量OAC随着纤维掺量的增加而增加；峰值处，聚酯纤维引起最佳沥青用量OAC增加约0.48％，木质素纤维引起最佳沥青用量OAC也约增加0.48％；峰值点后，随着纤维掺量的增加,最佳沥青用量OAC逐渐减少。这表明,随着纤维掺量的增加,纤维的比表面积增大[4],纤维要吸附一定数量的沥青,故使得OAC增加，但当纤维掺量进一步增加后,过量的纤维分散性降低,甚至结团成束,使纤维总表面积不增加甚至减少,因而吸附的沥青也不一定增多,所以出现最佳沥青用量OAC也不再增加甚至减少的现象。由此可见,最佳沥青用量OAC的变化反映了纤维在沥青混合料中的分散程度。

3高温车辙试验

依照文献[9]的试验方法,分别测试作为对比组的基体AC-13Ⅰ沥青混合料、纤维掺量分别为0.15%、0.25%和0.35%的聚酯纤维和木质素纤维沥青混合料在各自最佳沥青用量条件下60℃的动稳定度。

纤维沥青混合料的动稳定度与纤维掺量的关系见图3。可以看出，纤维沥青混合料的动稳定度较普通基体沥青混合料的动稳定度有显著提高，当纤维掺量为0.25%时，聚酯纤维沥青混合料的动稳定度提高了95％，木质素纤维沥青混合料的动稳定度提高了55％。纤维的加入能显著改善沥青混合料的高温性能，这是因为,一方面,纤维沥青混凝土中,大量纵横交错乱向分布的纤维形成的桥架作用[4][5]与沥青胶浆的粘聚力相互重叠与补充，承受由于温度升高在混合料中所产生的拉应力，弥补了沥青混凝土靠沥青粘聚力而结合在一起抗拉能力弱的缺点,从而阻止了骨料间的滑移，提高了沥青混合料的高温稳定性；另一方面,由于纤维直径一般小于20μm,每克纤维的表面积可达数平方米以上，纤维分散到沥青混合料中,其巨大的表面积成为可使沥青浸润的界面,在此界面上形成一个新的有一定厚度的相,称为界面层[11]。沥青中具有表面活性的酸性树脂组分与纤维表面产生的吸附作用、物理浸润作用以及有时存在的化学键作用,在纤维表面形成结合力牢固的“结构沥青”界面层[11]，界面层中的结构沥青比界面层以外的自由沥青粘性大,温度敏感性低,耐热性好，从而提高了沥青混合料的高温稳定性。

由图3还可以看出，在适量的纤维掺量条件下，纤维沥青混合料的动稳定度随着纤维掺量的增加而增大，聚酯纤维沥青混合料在纤维掺量约为0.18%时出现动稳定度的峰值，随后逐渐减小，木质素纤维沥青混合料在纤维掺量为0.25%时出现动稳定度的峰值，随后逐渐减小。当纤维掺量超过最佳掺量后,纤维沥青混合料的动稳定度开始下降,这是由于纤维用量过大,纤维分散的均匀性下降,那些没分散的纤维结团成束后成为混合料中的“瑕点”[1],使较大的矿料颗粒被挤开，而且，过量的纤维降低了沥青混凝土的弹性模量,从而降低了沥青混合料的高温稳定性能。

4结论

(1)最佳沥青用量OAC的变化反映了纤维在沥青混合料中的分散程度,适量的纤维掺量引起纤维沥青混合料最佳沥青用量OAC的增大.

(2)纤维对沥青混合料的高温性能有改善作用,适量的纤维能显著提高沥青混合料的高温稳定性能。相同试验条件下，聚酯纤维对沥青混合料高温性能的改善效果优于木质素纤维。

(3)纤维对沥青混合料高温性能的改善对应有一个最佳纤维掺量,本文试验条件下，聚酯纤维的最佳掺量约为0.18%,木质素纤维的最佳掺量约为0.25%。

参考文献

[1]杨大田.纤维沥青混合料性能试验研究[D].重庆:重庆交通学院道路与铁道工程系，2005

[2]张争奇，李平，王秉纲.纤维和矿粉对沥青胶浆性能的影响[J].长安大学学报(自然科学版)，2005，25(5):140～143

[3]郭乃胜，赵颖华，张洪涛.纤维沥青混凝土的等效劲度模量[J].公路交通科技，2006，23(9):23～26

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[8]徐培华，王安玲.公路工程混合料配合比设计与试验技术手册[M].北京：人民交通出版社，2001,120～135

[9]JTJ052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2000.8

[10]JTJF40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S]．北京：人民交通出版社，2005.4

作者简介：陈丽芳（1979—）,女,河南洛阳人,郑州市交通规划勘察设计研究院助理工程师