章汪琛， 扈惠敏*， 熊 亮， 黃 歡

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 合肥 2300092； 2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司， 合肥 230009)

在交通荷載及環(huán)境的作用下,即使是道路使用的初期,瀝青路面也可能出現(xiàn)裂縫、車轍等病害。在瀝青路面中摻入纖維增強(qiáng)材料,對瀝青路面的路用性能影響顯著,尤其是改善高溫性能的作用明顯,使其滿足環(huán)境變化和重載交通的要求[1-2]。目前應(yīng)用于實(shí)際工程中的纖維以玻璃纖維、木質(zhì)素纖維、聚合物纖維、礦物纖維為主。對于纖維材料的路用性能研究主要體現(xiàn)于兩個方面:纖維瀝青膠漿的性能及纖維瀝青混合料的性能。中國的纖維瀝青混合料于21世紀(jì)初開始研究,研究內(nèi)容以纖維瀝青混合料的抗疲勞特性、高溫及低溫性能為主。摻入的纖維以聚合物纖維(聚酯纖維等)為主,近幾年也開展了礦物纖維的研究,如玄武巖纖維[3]。通過研究，瀝青路面中摻入纖維能夠提高路面模量、提升低溫性能及改善高溫抗車轍性能[3-7]。對于瀝青混合料性能的研究中瀝青膠漿尤為重要,但是對于纖維瀝青膠漿的研究內(nèi)容相對較少。對纖維瀝青膠漿的研究多采用簡支梁彎曲蠕變試驗(yàn)(BBR)測定車轍因子及勁度和動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR),探究摻入纖維對膠漿材料高溫及低溫性能的影響[7-8]。也有研究者通過測力延度試驗(yàn)探究瀝青膠漿的低溫性能[9].雖然纖維可提升瀝青路面各方面的路用性能,但在路面工程中,應(yīng)用最多的還是提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能,故多用于城市道路的交叉口或公路的長大縱坡路段[10-11]。纖維瀝青膠漿的抗剪切性能對瀝青混合料的高溫抗車轍性能影響較大。對瀝青膠漿性能的研究,提出采用直剪試驗(yàn),探究不同纖維瀝青膠漿的抗剪切力學(xué)性能,進(jìn)而深入認(rèn)知纖維瀝青混合料的高溫性能,并對比不同纖維及纖維的摻加方式對瀝青膠漿高溫性能的改進(jìn)效果。依據(jù)纖維膠漿剪切試驗(yàn),探究膠漿力學(xué)參數(shù)黏聚力C和內(nèi)摩阻角φ的變化規(guī)律,結(jié)合微觀試驗(yàn),分析纖維對膠漿及混合料的改性效果及機(jī)理。

1 纖維性質(zhì)

1.1 纖維基本物理力學(xué)性質(zhì)

為對比研究,試驗(yàn)采用的纖維有三種:碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維。聚酯纖維橫截面為圓形,多呈乳白色,表面光滑,有珠光,具有低吸濕性，是一種高聚物纖維,其大分子鏈通過脂基使各鏈節(jié)相互連接。玄武巖纖維通過高溫熔融(1 450～1 500 ℃)天然玄武巖石料得到,纖維整體呈現(xiàn)褐色,部分呈現(xiàn)為金色。玄武巖纖維強(qiáng)度較高,抗腐蝕好、耐高溫性能強(qiáng),具有電絕緣性能。碳纖維(carbon fiber,CF),強(qiáng)度高、模量高，含碳量95%以上,是新一代的增強(qiáng)纖維材料。碳纖維由有機(jī)纖維(片狀石墨微晶等)沿纖維軸向方向堆砌,并經(jīng)過碳化及石墨化處理后得到的微晶石墨材料,模量高、耐腐蝕好。纖維主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 纖維主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index of fiber

三種纖維中抗拉強(qiáng)度：碳纖維抗拉強(qiáng)度最高，其次為玄武巖纖維，聚酯纖維抗拉強(qiáng)度最低，且碳纖維、玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度是聚酯纖維的4～5倍。

1.2 纖維耐熱性試驗(yàn)

瀝青混合料在拌合及攤鋪的過程中的溫度是很高的，通常在160～190 ℃,這就對纖維的耐熱穩(wěn)定性提出了很高的要求。在纖維的選用時，應(yīng)可考慮高溫對纖維化學(xué)及物理性能擾動情況。對纖維在高溫受熱時的形態(tài)變化進(jìn)行觀測。為降低拌和過程瀝青的當(dāng)量高溫老化條件與試驗(yàn)條件偏差，試驗(yàn)條件設(shè)為163 ℃下持續(xù)5 h，將纖維在163 ℃恒溫烘箱中放置5 h。5 h后從烘箱中取出，觀察其表面形態(tài)變化(圖1～圖3)，再稱量其質(zhì)量變化(表2)。

圖1 聚酯纖維加熱前后對比Fig.1 Polyester fibers before and after heating

圖2 玄武巖纖維加熱前后對比Fig.2 Basalt fibers before and after heating

圖3 碳纖維加熱前后對比Fig.3 Carbon fibers before and after heating

表2 纖維耐熱性質(zhì)量變化Table 2 Quality changes in the test of heat-resistant properties

聚酯纖維在經(jīng)過5 h的高溫后，顏色發(fā)生明顯變化，加熱前呈乳白色光澤，加熱后色澤較深，呈現(xiàn)焦紅色，端口出現(xiàn)明顯焦糊狀。玄武巖纖維和碳纖維在加熱前后形態(tài)、顏色體積等指標(biāo)基本不發(fā)生變化。

三種纖維在加熱前后質(zhì)量基本未發(fā)生改變。玄武巖纖維及碳纖維耐熱性能較好，且在瀝青混合料的拌和過程中性質(zhì)不會出現(xiàn)變化，而取樣聚酯纖維的耐熱性能相對較弱，使用時根據(jù)耐熱性試驗(yàn)結(jié)果合理確定纖維類型或拌和溫度。

1.3 纖維吸濕性試驗(yàn)

吸濕性對瀝青混合料水穩(wěn)性能其影響較大。具有高吸濕性的纖維，混合料內(nèi)部易侵入外界水分，從而造成混合料中瀝青與纖維交界面造成濕脹和侵蝕，導(dǎo)致礦料與瀝青直接發(fā)生界面剝離，削弱混合料水穩(wěn)性。試驗(yàn)方法：分別稱取干燥的碳纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維若干質(zhì)量，將其放入潔凈的搪瓷盤中，再將其置于養(yǎng)護(hù)室中調(diào)整規(guī)定溫度和濕度，溫度20 ℃，相對濕度90%。7 d后取出纖維，稱取其質(zhì)量，再與養(yǎng)護(hù)前的質(zhì)量進(jìn)行比較，計(jì)算其吸濕率(表3)。

表3 纖維吸濕性試驗(yàn)Table 3 Results of fiber hygroscopicity test

吸濕率試驗(yàn)結(jié)果顯示，碳纖維的吸濕率最大,玄武巖的吸濕率最小，玄武巖的吸濕率小于聚酯纖維。

1.4 纖維吸濕性與瀝青混合料水穩(wěn)定性相關(guān)性

為探究纖維吸水性與瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)性，采用凍融劈裂試驗(yàn)。試件雙面擊實(shí)50次，試驗(yàn)方法依據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)。

混摻纖維瀝青混合料(玄武巖纖維+聚酯纖維)的殘留強(qiáng)度比提高19.3%，玄武巖纖維提高15.5%，聚酯纖維增幅最小，提高了4.0%。

凍融試件中摻入纖維后測定的劈裂強(qiáng)度比均有所提高(表4),說明纖維的摻加可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性,但不同纖維的提升效果不同。玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定好于聚酯纖維，與其吸濕性小、強(qiáng)度高有關(guān)，與纖維的性質(zhì)具有一致性。

表4 凍融試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度比Table 4 Splitting intensity ratio of freeze-thaw test

2 纖維瀝青膠漿性能

2.1 試驗(yàn)方法與方案

2.1.1 試驗(yàn)方法

瀝青膠漿作為瀝青混合料的重要組成部分，能夠直接影響混合料性能，提高膠漿性能能夠有效改善混合料性能。瀝青混合料、瀝青膠漿作為重要的土工材料，屬于顆粒性材料范疇，其剪切強(qiáng)度符合摩爾庫倫定律。

τf=C+σtanφ

(1)

式(1)中：τf為剪切強(qiáng)度，MPa；C為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩阻角。

瀝青混合料的車轍病害屬于剪切破壞。瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度的高低，直接影響瀝青混合料的抗剪切性能的優(yōu)劣，即高溫抵抗車轍的能力。采用直剪實(shí)驗(yàn)探究不同纖維膠漿的抗剪強(qiáng)度，并分析其抗剪性能中黏聚力C、內(nèi)摩阻角φ。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)方法參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2017)。試驗(yàn)時采用的垂直壓力σ分別為50、100、150、200 kPa。試驗(yàn)溫度25 ℃。采用內(nèi)徑為70 mm的環(huán)刀制作瀝青膠漿試件。由于瀝青膠漿易變形，且剪切強(qiáng)度不高，如果采用土體的剪切速率會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過小，影響試驗(yàn)精度，故采用8 mm/min的剪切速率。試驗(yàn)過程中攪拌纖維瀝青膠漿狀態(tài)如圖4所示，試驗(yàn)成型的試件如圖5所示。

圖4 攪拌狀態(tài)下纖維瀝青Fig.4 Fiber asphalt mastic under mixing condition

圖5 纖維瀝青膠漿試件Fig.5 Fiber asphalt mastic specimens

2.1.2 試驗(yàn)方案

瀝青膠漿中加入的纖維分別有碳纖維、玄武巖纖維及聚酯纖維，采用單摻和混摻兩種方式，纖維瀝青膠漿的具體技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 纖維瀝青膠漿技術(shù)參數(shù)Table 5 Technical parameters of fiber asphalt mastic

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 剪切強(qiáng)度

試驗(yàn)過程中，采集不同纖維瀝青膠漿的剪切位移與剪應(yīng)力數(shù)值，得到不同纖維瀝青膠漿的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(圖6～圖8)。

圖6 聚酯纖維膠漿剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.6 Curves of the shear stress and the shear displacement of polyester fiber mastic

圖7 玄武巖纖維膠漿剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.7 Curves of the shear stress and the shear displacement of basalt fiber mastic

圖8 聚酯纖維+玄武巖纖維瀝青膠漿剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線Fig.8 Curves of the shear stress and the shear displacement of polyester fiber and basalt fiber asphalt mastic

摻入纖維后瀝青膠漿測定的抗剪強(qiáng)度顯著提高(表6)，三種單摻的纖維瀝青膠漿測定的抗剪強(qiáng)度比不摻纖維的普通瀝青膠漿提高1.81～2.83倍。對比三種測定結(jié)果，不同纖維的提升強(qiáng)度不同，聚酯纖維提升最高，其次是碳纖維，玄武巖纖維提升最低，聚酯纖維、碳纖維膠漿的抗剪強(qiáng)度比較接近。

表6 不同纖維瀝青膠漿的抗剪強(qiáng)度Table 6 Shear strength of fibers asphalt mastic

玄武巖纖維+聚酯纖維混摻的效果明顯優(yōu)于所有單獨(dú)摻加纖維的膠漿，與不摻纖維的膠漿相比,其抗剪強(qiáng)度提升3.83倍。

2.2.2 黏聚力C和內(nèi)摩阻角φ

按照庫倫公式τf=C+σtanφ，繪制τf-σ曲線(圖9)，計(jì)算抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C和內(nèi)摩阻角φ。

圖9 纖維瀝青膠漿τf-σ曲線Fig.9 τf-σ curve of fiber asphalt mastic

在τf-σ曲線中，直線的截距為C，直線斜率為內(nèi)摩阻角φ。不同纖維瀝青膠漿的C、φ如表7所示。

表7 纖維瀝青膠漿內(nèi)摩擦角及黏聚力Table 7 Internal friction angle and cohesive force of fiber asphalt mastic

纖維瀝青膠漿的內(nèi)摩擦角、黏聚力均大于未摻加纖維的瀝青膠漿。內(nèi)摩擦角增大0.4～0.8倍，黏聚力增大0.8～3.5倍。三種單摻纖維膠漿內(nèi)摩擦角增大程度相差不大。碳纖維和聚酯纖維瀝青膠漿黏聚力增加明顯，大于玄武巖纖維。

聚酯纖維和玄武巖纖維混摻在一起的纖維瀝青膠漿的內(nèi)摩擦角和黏聚力為三個試驗(yàn)組中最大的，聚酯纖維和玄武巖纖維混摻對改善瀝青膠漿的抗剪性能效果最好。

纖維瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度的提升原因是黏聚力C和內(nèi)摩阻角φ的增大,但主要是黏聚力C的增大,其對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率約為78%。

2.3 機(jī)理分析

瀝青膠漿中摻入單種纖維時，聚酯纖維的抗剪強(qiáng)度最強(qiáng)，測定的結(jié)果中C、φ都明顯增大，尤其是C提高明顯，從而提高了瀝青膠漿的高溫性能。

當(dāng)纖維用量相同時，聚酯纖維+玄武巖纖維混摻的瀝青膠漿在所有摻加方式中(包括單摻與混摻)，其內(nèi)摩擦角及黏聚力都是最大的，剪切強(qiáng)度也是最高的。這與兩種纖維與瀝青的黏附方式有關(guān)。由圖10可知，聚酯纖維的優(yōu)點(diǎn)是更容易黏附瀝青膠漿；玄武巖纖維的瀝青黏附量較少，但玄武巖纖維強(qiáng)度高，其加勁效果明顯。兩種纖維混摻，很好地發(fā)揮了各自優(yōu)勢，效果最佳。

圖10 纖維與瀝青的黏結(jié)狀態(tài)Fig.10 Bond state of fibers and asphalt

3 纖維瀝青混合料的高溫性能

根據(jù)瀝青膠漿的試驗(yàn)結(jié)果，選用聚酯纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維+玄武巖纖維混摻三種形式開展纖維瀝青混合料的路用性能研究，重點(diǎn)是與抗剪強(qiáng)度相關(guān)的高溫穩(wěn)定性。

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性指的是瀝青混合料在荷載的作用下抵抗永久變形的能力，評定瀝青混合料高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)的結(jié)果，測定混合料中不同纖維及混摻形式的動穩(wěn)定度。試驗(yàn)儀器采用車轍儀，溫度控制為60 ℃。方法依據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，結(jié)果如表8所示。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of of rutting test

瀝青混合料中纖維的摻入對動穩(wěn)定度提高顯著，摻入聚酯纖維、玄武巖纖維測定的動穩(wěn)定度比不摻纖維分別提高了8.2%、20.6%，兩種混摻纖維，即聚酯纖維+玄武巖纖維測定的動穩(wěn)定度最高，比不摻纖維提高了103%。這和瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)律是一致的。

4 結(jié)論

(1)摻入纖維后瀝青膠漿測定的抗剪強(qiáng)度顯著提高，三種單摻的纖維瀝青膠漿測定的抗剪強(qiáng)度比不摻纖維的普通瀝青膠漿提高1.81～2.83倍。對比三種測定結(jié)果，不同纖維的提升強(qiáng)度不同，聚酯纖維提升最高，其次是碳纖維，玄武巖纖維提升最低，聚酯纖維、碳纖維膠漿的抗剪強(qiáng)度值比較接近。玄武巖纖維+聚酯纖維混摻的效果明顯優(yōu)于所有單獨(dú)摻加纖維的膠漿，與不摻纖維的膠漿相比,其抗剪強(qiáng)度提升3.83倍。

(2)纖維瀝青膠漿的內(nèi)摩擦角、黏聚力均大于未摻加纖維的瀝青膠漿。內(nèi)摩擦角增大0.4～0.8倍，黏聚力增大0.8～3.5倍。聚酯纖維和玄武巖纖維混摻膠漿的內(nèi)摩擦角和黏聚力都是最大。纖維瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度的提升原因是黏聚力C和內(nèi)摩阻角φ的增大,但主要是黏聚力C的增大,其對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率約為78%。

(3)瀝青混合料中纖維的摻入對動穩(wěn)定度提高顯著，摻入聚酯纖維、玄武巖纖維測定的動穩(wěn)定度比不摻纖維分別提高了8.2%、20.6%，兩種混摻纖維，即聚酯纖維+玄武巖纖維測定的動穩(wěn)定度最高，比不摻纖維提高了103%。這和瀝青膠漿抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的規(guī)律是一致的。

(4)凍融試件中摻入纖維后測定的劈裂強(qiáng)度比均有所提高,說明纖維的摻加可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性,但不同纖維的提升效果不同。玄武巖纖維瀝青混合料水穩(wěn)定好于聚酯纖維，與其吸濕性小、強(qiáng)度高有關(guān)，與纖維的性質(zhì)具有一致性。