摘 要

通過單軸拉伸試驗、半圓彎拉試驗和凍融劈裂試驗等，考察了纖維類型和埋深與瀝青的黏結作用，并分析了玻璃纖維摻量對基質瀝青/改性瀝青混合料高溫穩定性、低溫性能、中溫抗裂性能和水穩定性的影響。結果表明，玻璃纖維與基質瀝青/改性瀝青的黏結強度高于玄武巖纖維和鋼纖維，且改性瀝青與纖維的黏結效果優于基質瀝青。相同玻璃纖維摻量時，改性瀝青混合料的穩定度、馬歇爾模數、破壞拉伸應變、劈裂抗拉強度、斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變都要高于基質瀝青混合料，流值和破壞勁度模量都小于基質瀝青混合料；改性瀝青混合料有相較基質瀝青混合料更好的高溫穩定性、低溫抵抗變形能力和中溫抗裂性能。適量玻璃纖維的摻加有利于提高基質瀝青/改性瀝青混合料的劈裂強度，玻璃纖維－改性瀝青混合料的水穩定性高于玻璃纖維－基質瀝青混合料。玻璃纖維摻量為0.30%的改性瀝青混合料具有最佳的路用性能。

關鍵詞

瀝青混合料 | 玻璃纖維 | 基質瀝青 | 改性瀝青 | 摻量 | 性能

瀝青混合料作為當前國內公路路面面層主要原料，在使用過程中需要長期承受雨水沖刷、高溫暴曬和凍融等自然因素作用[1]。傳統瀝青混凝土路面中使用的密級配瀝青混凝土在雨雪等天氣下存在抗滑能力不足等問題[2]，而新型多孔瀝青混凝土由于具有抗滑性好、噪音低等優點而有望被廣泛應用于現代化公路、橋梁的建設中[3]。然而在實際應用過程中，多孔瀝青路面通常會由于長時間承受雨水沖刷、高溫暴曬和凍融等作用而發生局部破壞，嚴重情況下還會影響正常交通運行以及造成交通事故等，因而急需對瀝青混合料進行改性處理以增強瀝青黏合力，解決低溫、高溫和凍融等環境下瀝青混合料路面的松散和剝落現象[4]。纖維摻入瀝青混合料中已被證實是提高瀝青混合料路用性能的有效措施，但是目前關于纖維種類對瀝青混合料黏結性能的影響以及纖維摻量對改性瀝青路用性能的影響方面的報道相對較少[5-7]。本文從優化纖維種類、玻璃纖維摻量和改性瀝青的角度，考察纖維類型和埋深與瀝青的黏結作用，并分析了玻璃纖維摻量對基質瀝青/改性瀝青混合料高溫穩定性、低溫性能、中溫抗裂性能和水穩定性的影響，結果將有助于新型纖維-瀝青混合料的開發，并推動其在公路等路面工程中的應用。

試驗材料與方法

試驗原料

試驗原料包括玻璃纖維(直徑14μm、密度2.5g/cm3、抗拉強度3250MPa、斷后伸長率3.4%)、玄武巖纖維(直徑13μm、密度2.71g/cm3、抗拉強度3200MPa、斷后伸長率2.6%)、鋼纖維(直徑220μm、密度7.85g/cm3、抗拉強度3050MPa)、AH70基質瀝青(針入度68(0.1mm)、針入度指數－0.76、動力黏度216Pa·s、含蠟量1.8%)、TPS添加劑(針入度43mm、延度2375px、軟化點92.5℃)、改性瀝青(AH70基質瀝青＋15%TPS外加劑)和巖質礦粉(表觀密度2.629g/cm3、含水率0.89%)等。

試件制備

采用擊實法制備不同類型的纖維－瀝青混合料試件，瀝青添加量為5%、纖維摻量為0~0.45%。預熱后的集料加入攪拌鍋中拌和均勻后加入瀝青，攪拌均勻后加入纖維繼續攪拌，拌和完成后用擊實儀制備馬歇爾試件(雙面擊實次數50次)[8]。

測試與表征

1)黏結性能：采用圖1所示的自制試驗裝置測維、玄武巖纖維和鋼纖維與瀝青都置于烘箱中加熱至相同溫度，然后插入瀝青灌入槽后澆筑基質瀝青，降溫至室溫凝固后轉入水浴箱中進行120min保溫處理；取出試件后將連接桿與萬能拉伸試驗機連接并進行單軸拉伸試驗，加載速率為25mm/min，測試拉伸破壞時的最大荷載。

2)高溫性能：根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20-2019)進行高溫穩定性測試，將玻璃纖維-瀝青混合料制備成標準馬歇爾試件(101.6mm×63.5mm)，脫模后置于60℃水浴中，30min后利用DF-5型瀝青混合料穩定度測定儀測試穩定度和流值，并根據式(1)計算馬歇爾模數T[9]。

3)低溫性能：將標準馬歇爾試件在-10℃恒溫冰箱中保溫8h，采用液壓伺服萬能拉伸試驗機進行試驗荷載最大值(P)的測試，并根據下列公式計算破壞拉伸應變ε、勁度模量S和劈裂抗拉強度R[10]。

4)中溫抗裂性：制備尺寸152mm×94mm馬歇爾試件，切割機對剖后在1/2直徑處加工深25px切口，然后置于25℃恒溫箱中保溫8h，取出后置于萬能拉伸試驗機上進行半圓彎拉試驗，加載速率為25mm/min，得到位移~荷載曲線，并根據下列公式計算斷裂能G、層底抗拉強度σ和層底抗拉應變εcd[11]。

5)水穩定性：根據JTGE20-2019標準制備不同玻璃纖維摻量的圓柱體試件，分兩組進行非凍融(室內放置)和凍融(90.0kPa真空保水15min、常壓放置30min后置于裝有10mL水的塑料袋中、-18℃保溫16h后取出置于室溫水浴中融化6h)試驗；凍融完成后的試樣置于室溫水浴箱中保溫120min后進行劈裂試驗，加載速率為25mm/min，得到非凍融和凍融試件的劈裂抗拉強度，并根據下式計算凍融劈裂強度比TSR[12]。

試驗結果與分析

纖維與瀝青的黏結強度

表1為不同類型和埋深的纖維與瀝青的拉伸試驗結果，分別列出了玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維在纖維埋深為5~25mm時的最大荷載測試數據。對于基質瀝青，相同纖維埋深下玻璃纖維－基質瀝青的最大荷載最大，其次為玄武巖纖維，而鋼纖維－基質瀝青的最大荷載最??；對于改性瀝青，不同纖維－改性瀝青的最大荷載從高至低順序為玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維。無論是哪種纖維或者瀝青，拉伸的最大荷載都會隨著纖維埋深增加而增大，且在相同埋深下，改性瀝青的最大荷載要明顯高于基質瀝青?？傮w而言，玻璃纖維與基質瀝青/改性瀝青的黏結強度要高于玄武巖纖維和鋼纖維，且改性瀝青與纖維的黏結效果更好。

高溫性能

圖2為玻璃纖維摻量對基質瀝青/改性瀝青混合料穩定度、流值和馬歇爾模數的影響。從玻璃纖維摻量~穩定度曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的穩定度呈現先增加后減小特征，在玻璃纖維摻量為0.15%時取得最大值，且相同玻璃纖維摻量下，改性瀝青混合料的穩定度要高于基質瀝青混合料；從玻璃纖維摻量~流值曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的流值呈現先減小后增大特征，在玻璃纖維摻量為0.15%時取得最小值，且摻加玻璃纖維的改性瀝青混合料的流值要小于基質瀝青混合料；由玻璃纖維摻量~馬歇爾模數曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的馬歇爾模數呈現先增大后減小特征，在玻璃纖維摻量為0.15%時取得最大值，且相同玻璃纖維摻量下，改性瀝青混合料的馬歇爾模數要高于基質瀝青混合料?？傮w而言，相同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料的穩定度和馬歇爾模數都要高于基質瀝青混合料，這也就說明改性瀝青混合料具有相對基質瀝青混合料更好的高溫穩定性[13]；雖然未摻加玻璃纖維的改性瀝青的流值大于基質瀝青，但是摻加相同含量玻璃纖維的改性瀝青混合料的流值都小于基質瀝青混合料，可見，在改性瀝青中摻加玻璃纖維可以更有效地降低混合料的流值，從而提高纖維~瀝青混合料的高溫性能；無論是基質瀝青還是改性瀝青，當玻璃纖維摻量為0.15%時，混合料的穩定度和馬歇爾模數都最大，而對應的流值最小，表明此時混合料的抗變形能力最大，高溫穩定性最好。

低溫性能

圖3為玻璃纖維摻量對破壞拉伸應變、破壞勁度模量和劈裂抗拉強度的影響。從玻璃纖維摻量~破壞拉伸應變曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的破壞拉伸應變呈現先增加后減小特征，且相同玻璃纖維摻量下，改性瀝青混合料的破壞拉伸應變要高于基質瀝青混合料；從玻璃纖維摻量~破壞勁度模量曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的破壞勁度模量呈現先減小后增大特征，且相同玻璃纖維摻量下改性瀝青混合料的破壞勁度模量要小于基質瀝青混合料；從玻璃纖維摻量~劈裂抗拉強度曲線可知，隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的劈裂抗拉強度呈現先增大后減小特征，且相同玻璃纖維摻量下改性瀝青混合料的劈裂抗拉強度要大于基質瀝青混合料。綜合而言，摻加玻璃纖維有助于提高混合料的破壞拉伸應變和劈裂抗拉強度，并降低混合料的破壞勁度模量；相同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料的破壞拉伸應變和劈裂抗拉強度都高于基質瀝青，破壞勁度模量小于基質瀝青混合料，表明改性瀝青混合料相較基質瀝青混合料有更好的低溫抵抗變形能力。

圖4為玻璃纖維摻量對斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變的影響。隨著玻璃纖維摻量增加，混合料的斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變呈現先增加后減小特征，基質瀝青混合料和改性瀝青混合料分別在玻璃纖維摻量為0.15%和0.30%時具有最高的斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變；相同玻璃纖維摻量下，改性瀝青混合料的斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變要高于基質瀝青混合料，表明基質瀝青混合料的中溫抗裂性能低于改性瀝青混合料。究其原因，這主要是因為纖維、集料與改性瀝青具有較好的黏結作用，在中溫抗裂性能測試過程中相對基質瀝青混合料需要更高的能量才能破壞[14]。玻璃纖維摻量為0.30%的改性瀝青混合料具有最高的斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變，即具有最佳的中溫抗裂性能。

水穩定性

表2為玻璃纖維~瀝青混合料的凍融劈裂測試結果，分別列出了不同玻璃纖維摻量的基質瀝青/改性瀝青混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度比。未摻加玻璃纖維時，未凍融狀態的基質瀝青和改性瀝青劈裂強度分別為0.67MPa和0.82MPa，凍融循環后的劈裂強度分別為0.62MPa和0.73MPa；摻加0.15%和0.30%玻璃纖維后，未凍融/凍融狀態的基質瀝青和改性瀝青劈裂強度都有不同程度提高，而摻加0.45%玻璃纖維~基質瀝青混合料的劈裂強度明顯低于未摻加玻璃纖維的試樣，這主要是因為過高的玻璃纖維摻量會降低與基質瀝青的黏結力，造成瀝青無法完全包裹玻璃纖維而使得抵抗劈裂的能力降低[15]。相較而言，相同玻璃纖維摻量下，未凍融/凍融狀態基質瀝青混合料的劈裂強度都小于改性瀝青混合料，且在改性瀝青中摻加0.45%及以下的玻璃纖維都可以有效提升混合料的劈裂抗拉強度。這主要是由于改性瀝青可以提升集料/集料、集料/纖維和集料/瀝青之間的黏結度，從而發揮混合料中各組分的共同作用而增強抵抗劈裂的能力[16]。從凍融劈裂強度比上看，玻璃纖維摻量為0和0.15%時，改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比要小于基質瀝青混合料。這主要是因為摻加玻璃纖維后混合料的空隙率會隨著玻璃纖維摻加而增大，凍融過程中空隙處的凍脹應力作用會造成劈裂強度減小[17]，因此空隙率較大的混合料的劈裂強度會降低更加明顯，進而使得凍融劈裂強度比減??；玻璃纖維摻量為0.30%和0.45%時，改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比大于基質瀝青混合料，這主要是因為隨著玻璃纖維摻量增大，混合料中的空隙率減小，凍融過程中對劈裂強度的影響減弱[18]，此時改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比反而高于基質瀝青混合料。此外，凍融過程中，水分會侵入混合料中的空隙并增加與混合料的接觸面積，纖維~瀝青混合料的水穩定性會降低、劈裂抗拉強度減小，且混合料中玻璃纖維的摻加，會使得凍融過程中的水分沿著部分玻璃纖維侵入到集料/纖維和集料/瀝青之間，從而降低纖維~瀝青混合料的抗水損性能，因此，玻璃纖維~瀝青混合料的凍融劈裂強度比會隨著玻璃纖維摻量增大而減小。綜合而言，適量玻璃纖維的摻加有利于提高基質瀝青/改性瀝青混合料的劈裂強度，玻璃纖維~改性瀝青混合料的水穩定性要高于玻璃纖維~基質瀝青混合料。

結語

(1)在黏結強度試驗中，纖維~瀝青試件拉伸的最大荷載從高至低順序為玻璃纖維、玄武巖纖維、鋼纖維；玻璃纖維與基質瀝青/改性瀝青的黏結強度高于玄武巖纖維和鋼纖維，且改性瀝青與纖維的黏結效果更好。

(2)相同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料的穩定度和馬歇爾模數都要高于基質瀝青混合料，而流值都小于基質瀝青混合料，改性瀝青混合料相對基質瀝青混合料具有更好的高溫穩定性。摻加玻璃纖維有助于提高混合料的破壞拉伸應變和劈裂抗拉強度，并降低混合料的破壞勁度模量；相同玻璃纖維摻量的改性瀝青混合料的破壞拉伸應變和劈裂抗拉強度都高于基質瀝青混合料，破壞勁度模量小于基質瀝青混合料，改性瀝青混合料相較基質瀝青混合料有更好的低溫抵抗變形能力。相同玻璃纖維摻量下，改性瀝青混合料的斷裂能、層底抗拉強度和層底抗拉應變要高于基質瀝青混合料，基質瀝青混合料的中溫抗裂性能低于改性瀝青混合料；玻璃纖維摻量為0.30%時的改性瀝青混合料具有最佳的中溫抗裂性能。

(3)適量玻璃纖維的摻加有利于提高基質瀝青/改性瀝青混合料的劈裂強度，玻璃纖維~改性瀝青混合料的水穩定性高于玻璃纖維~基質瀝青混合料。

全文完 首發于《公路》2021年7月

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