林欽國， 李斯拓， 徐宏武， 陳 偉

(1.中交第四航務(wù)工程局有限公司， 廣州 510000； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量迅猛增加，使得瀝青路面在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)車轍、坑槽、裂縫等質(zhì)量問題[1-2]，影響路面使用性能。近些年，我國在提升瀝青路面質(zhì)量、減少早期路面損害等方面做了大量研究。聚酯纖維是聚合物中的一種有機(jī)纖維，自1997年引進(jìn)聚酯纖維加筋瀝青路面技術(shù)以來，已廣泛用于我國多數(shù)橋面鋪裝和路面工程中，實(shí)踐證明聚酯纖維能有效增強(qiáng)瀝青混合料的路用性能[3-6]。

進(jìn)入21世紀(jì)，Bueno等[7]開始對(duì)纖維摻量和長度進(jìn)行研究，提出摻量和長度對(duì)冷拌瀝青混合料性能有增強(qiáng)作用。Montestruque等[8]在研究舊瀝青路面修復(fù)過程中發(fā)現(xiàn)高模量聚酯格柵能有效延長新覆蓋層的使用壽命。Kalia等[9]研究表明聚酯纖維能有效提高瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度和馬歇爾穩(wěn)定性。與國外相比，國內(nèi)瀝青路面應(yīng)用起步相對(duì)較晚，陳華鑫等[10]系統(tǒng)分析了纖維增強(qiáng)瀝青膠漿性能機(jī)理，表明聚合物纖維均優(yōu)于其他纖維。馬翔等[11]將聚酯纖維與改性瀝青混合制成瀝青混合料，其力學(xué)性能、高低溫性能都顯著提升。廖常川等[12]以聚酯纖維組成的混合物和SBS改性瀝青為研究對(duì)象，表明溫度越高，聚酯纖維對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定度越明顯。杜丹超等[13]利用聚酯纖維長度和摻量研究纖維瀝青膠漿性能，結(jié)果表明聚酯纖維能有效增強(qiáng)瀝青膠漿高溫抗車轍性和低溫延性。隨著科研人員對(duì)聚酯纖維乃至其他纖維瀝青混合料研究的不斷深入，取得了顯著的成果，本文通過分析聚酯纖維的長度和摻量2個(gè)因素來探究纖維瀝青混合料物理性能試驗(yàn)及其對(duì)路用性能的影響。

1 原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 瀝青

考慮到低等級(jí)路面的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，本研究所需瀝青材料采用路安特70#基質(zhì)瀝青，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行瀝青性能技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青性能技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 聚酯纖維

聚酯纖維是一種穩(wěn)定性好、吸濕性低、強(qiáng)度較高、彎曲彈性高、延伸率高的高聚合物纖維。其物理指標(biāo)如表2所示。

表2 聚酯纖維物理技術(shù)指標(biāo)

2 聚酯纖維瀝青混合料物理性能試驗(yàn)

2.1 纖維摻量影響

本文選用6 mm聚酯纖維作為混合料研究對(duì)象，分析不同摻量下聚酯纖維對(duì)瀝青混合料物理性能試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖1所示。

(a) 最佳瀝青用量

(b) 毛體積相對(duì)密度

由圖1(a)可知，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料最佳瀝青用量也隨之增加，其原因可能是因充當(dāng)填料的纖維自身吸附能力強(qiáng)，比表面積大，從而吸附了更多瀝青。從圖1(b)可見，聚酯纖維摻量增加，瀝青混合料毛體積相對(duì)密度呈減小趨勢(shì)，聚酯纖維與礦料相比，相對(duì)密度較小，通過馬歇爾擊實(shí)儀成型的馬歇爾試件在體積一定的情況下，降低了纖維瀝青混合料密度，摻加纖維后的瀝青混合料密度會(huì)隨著纖維摻量增加而降低。

2.2 纖維長度影響

采用不同的纖維長度進(jìn)行物理性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

(a) 毛體積相對(duì)密度

(b) 空隙率

由圖2(a)可知，瀝青混合料毛體積密度在不同纖維摻量下隨纖維長度的遞增呈減小趨勢(shì)。在纖維摻量為0.2%時(shí)，瀝青混合料的毛體積密度要大于摻量為0.3%和0.4%的。纖維摻量越多，瀝青混合料毛體積密度越小，纖維長度對(duì)瀝青混合料毛體積密度影響不大。由圖2(b)可知，瀝青混合料空隙率在不同纖維摻量下隨纖維長度遞增而增大，但增大幅度不大，從整體上分析，瀝青混合料空隙率仍然只與纖維摻量關(guān)系明顯，并隨纖維摻量增加而增大。

3 聚酯纖維瀝青混合料路用性能分析

3.1 聚酯纖維瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

3.1.1 試驗(yàn)方法

本研究中車轍試驗(yàn)根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中的操作步驟進(jìn)行，用不同摻量、不同長度的纖維分別在各自的最佳瀝青用量條件下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)。動(dòng)穩(wěn)定度Ds采用式(1)計(jì)算：

Ds=N×(t2-t1)/(d2-d1)×C1×C2

(1)

式中：N為橡膠輪滾動(dòng)速度，取42次/min；d1、d2分別為45 min和60 min時(shí)車轍變形量，mm；C1為試驗(yàn)及修正系數(shù)，本試驗(yàn)取1.0；C2為試件系數(shù)，本試驗(yàn)取1.0。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 纖維摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性影響分析

動(dòng)穩(wěn)定度和永久變形量試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

(a) 動(dòng)穩(wěn)定度

(b) 永久變形量

從圖3可知，在相同試驗(yàn)條件下，不同纖維長度的纖維瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在纖維摻量遞增的過程中，永久變形量出現(xiàn)了與動(dòng)穩(wěn)定度峰值對(duì)應(yīng)的最低值，此時(shí)其對(duì)應(yīng)于車轍板最終的車轍深度，因此該試驗(yàn)較直接地反映了纖維瀝青混合料的抗高溫車轍性能，充分說明瀝青混合料中添加聚酯纖維對(duì)瀝青混合料高溫抗車轍性能有一定的提高作用。

2) 纖維長度對(duì)高溫穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)車轍試驗(yàn)結(jié)果繪制出纖維長度與動(dòng)穩(wěn)定度和永久變形量之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在一定的纖維摻量下，動(dòng)穩(wěn)定度隨著纖維長度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，而永久變形量隨著纖維長度的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，表明在一定的纖維摻量下，瀝青混合料高溫車轍性能會(huì)受到纖維長度的影響。

(b) 永久變形量

3.2 聚酯纖維瀝青混合料低溫抗裂性

3.2.1 試驗(yàn)方法

小梁彎曲試驗(yàn)根據(jù)JTG E20—2011《瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行。1) 通過輪碾成型標(biāo)準(zhǔn)尺寸車轍板，養(yǎng)護(hù)至少12 h后切割成長250 mm±2 mm、寬30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm的棱柱體小梁；2) 將試件放入-10 ℃恒溫水槽中不少于45 min；3) 取出試件置于萬能材料試驗(yàn)機(jī)兩支點(diǎn)上，跨徑為200 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min；4) 測得撓度、最大荷載與試件荷載作用點(diǎn)處的尺寸。根據(jù)公式(2)計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和勁度模量：

(a) 動(dòng)穩(wěn)定度

(2)

式中：RB為破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；εB為破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變，με；SB為破壞時(shí)的彎曲勁度模量，MPa；PB為破壞時(shí)的最大荷載，kN/mm3;b為試件跨中寬度，mm；h為試件跨中高度，mm；d為試件跨中撓度，mm;L為試件跨徑，mm。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 纖維摻量對(duì)低溫抗裂性影響分析

根據(jù)小梁低溫彎曲試驗(yàn)繪制出聚酯纖維摻量與抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5(a)可知，隨著纖維摻量的增加，抗彎拉強(qiáng)度隨之增大。纖維摻量為0.2%時(shí)，抗彎拉強(qiáng)度隨著纖維長度的增加而呈增大趨勢(shì)；隨著纖維摻量繼續(xù)增加，纖維長度僅為6 mm混合料抗彎拉強(qiáng)度保持增大趨勢(shì)，而纖維長度為9 mm和12 mm先出現(xiàn)峰值后逐漸減小。其原因可能是因纖維摻入過量導(dǎo)致纖維分散性降低，使之不能與瀝青基體更好地結(jié)合形成較厚的瀝青薄膜，反而減弱了纖維對(duì)其抗彎拉強(qiáng)度提升效果。從圖5(b)可知，在不同纖維長度下，隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料最大抗彎拉應(yīng)變逐漸增大，增大的幅度隨著纖維長度增加而增加。

(a) 抗彎拉強(qiáng)度

(b) 抗彎拉應(yīng)變

2) 纖維長度對(duì)低溫抗裂性影響分析

根據(jù)小梁低溫彎曲試驗(yàn)繪制出聚酯纖維長度與抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示。

(a) 最大抗彎拉強(qiáng)度

(b) 最大抗彎拉應(yīng)變

由圖6(a)可知，添加纖維后，瀝青混合料最大抗彎拉強(qiáng)度得到明顯提升，纖維長度不同其強(qiáng)度提升效果各異，充分說明在合適的纖維摻量下，纖維長度對(duì)瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度提升有一定的影響。從圖6(b)可見，添加纖維后，瀝青混合料最大抗彎拉強(qiáng)度得到明顯提升，纖維長度的不同使得強(qiáng)度提升效果出現(xiàn)差異，充分說明在適宜的纖維摻量下，其長度對(duì)瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度的提升有一定的影響。

3.3 聚酯纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性

3.3.1 試驗(yàn)方法

1) 通常浸水馬歇爾試驗(yàn)瀝青與礦料間的粘結(jié)性是通過測得瀝青混合料殘留穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)的。浸水馬歇爾試驗(yàn)采用JTG E20—2011《瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行，將每種纖維參數(shù)的瀝青混合料分2組，一組先測得在60 ℃恒溫水槽保溫30 min后的穩(wěn)定度和流值，另一組保溫48 h后再測其穩(wěn)定度和流值，最后計(jì)算每種瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度。計(jì)算公式如下：

MS0=MS2/MS1×100%

(3)

式中：MS0為試件殘留穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水30 min后穩(wěn)定度,kN；MS2為試件浸水48 h后穩(wěn)定度，kN。

2) 用凍融劈裂試驗(yàn)測得瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比，以此來評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)采用JTG E20—2011《瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行。劈裂強(qiáng)度比計(jì)算公式如下：

TSR=RT2/RT1×100%

(4)

RTi=0.006 287×Fi/h

(5)

式中：TSR為劈裂強(qiáng)度比；RT1為凍融前試件劈裂強(qiáng)度，MPa；RT2為凍融后試件劈裂強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞荷載，kN；h為試件高度，m。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述方法對(duì)不同纖維摻量和長度的纖維瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)所得浸水和未浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融和未凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，摻加聚酯纖維后瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比都明顯增加。由于聚酯纖維的摻加，使得最佳瀝青含量增加，聚酯纖維與瀝青親和性較強(qiáng)，瀝青吸附纖維填充瀝青混合料中剩余空隙，增強(qiáng)了瀝青與礦料間的粘結(jié)強(qiáng)度，水分子滲入瀝青與礦料界面數(shù)量較少，界面受水損害影響較小，提升了水穩(wěn)定性。

(a) 纖維摻量與殘留穩(wěn)定度

(b) 纖維長度與殘留穩(wěn)定度

(a) 纖維摻量與劈裂溫度比

(b) 纖維長度與劈裂溫度比

4 結(jié)束語

選用摻量為0.2%、0.3%、0.4%和長度為6 mm、9 mm、12 mm的聚酯纖維分別對(duì)瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 試驗(yàn)結(jié)果表明，聚酯纖維能有效提升瀝青混合料高溫抗車轍性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。

2) 纖維長度和摻量對(duì)馬歇爾指標(biāo)和路用性能影響具有等效性，即摻量少、長度長和摻量多、長度短的纖維提升路用性能效果相近。

3) 長纖維在低溫性能方面比短纖維提升效果更加明顯。

4) 本文從宏觀和微觀的角度對(duì)纖維增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了物理上的分析，在微觀力學(xué)模型和瀝青與纖維化學(xué)反應(yīng)上，纖維的增強(qiáng)機(jī)理還須進(jìn)一步研究。