王 鋒

(新疆通達(dá)路橋工程咨詢有限公司 烏魯木齊市 830011)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會及道路事業(yè)的不斷發(fā)展，以及車輛的日益增多，目前對道路通行量、行車荷載及速度，以及路面耐久性等提出了更高的要求。瀝青路面以其特有的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)中，但傳統(tǒng)的瀝青路面在使用過程中會出現(xiàn)擁包、車轍、裂縫及水損害等問題。為了解決這些狀況，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在普通瀝青混合料中加入適量的玻璃纖維制備而成的瀝青混合料各項性能得到了很大的改善。

玻璃纖維具有抗拉強度高、耐久性好的特點，是一種性能優(yōu)異可用于復(fù)合材料的增強材料。國外于1960年為了改善路面的反射裂縫，開始研究纖維瀝青混合料的性能。1962年Edelmann K等人研究了石棉纖維對瀝青混合料性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石棉纖維能夠很好地改善瀝青混合料的各項性能[1]。Abdelazia利用室內(nèi)試驗的方法研究了玻璃纖維對SMA瀝青混合料的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維可以提高其混合料的抗疲勞特性。Aysar通過研究玻璃纖維摻入瀝青混合料后發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維對瀝青混合料的強度和高溫抗變形能力有很大改善作用，而且能夠延緩裂縫的發(fā)展[2]。國內(nèi)對于纖維瀝青混合料的研究起步較晚，2003年楊振才等人通過小型加速加載試驗研究了纖維對瀝青混合料的應(yīng)力松弛、低溫抗裂能力具有很好的效果[3]。2006年呂偉民研究發(fā)現(xiàn)了木纖維對于SMA瀝青混合料只有吸附瀝青的作用，并不能起到加筋增強的效果，而聚酯纖維有著良好的加筋作用[4]。

目前，國內(nèi)外對于玻璃纖維改善瀝青混凝土的理論體系還不完善，其路用性能也有待進(jìn)一步深入研究。于是，擬采用車轍試驗、凍融劈裂試驗及低溫小梁彎曲試驗，研究瀝青混凝土摻玻璃纖維后對其路用性能的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計

1.1 原材料

(1)瀝青

采用AH-70#基質(zhì)瀝青，AH-70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)見表1。

表1 AH-70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

(2)玻璃纖維

選取了長度12mm的玻璃纖維，分析不同玻璃纖維用量對瀝青混合料路用性能的變化規(guī)律，以選出玻璃纖維的最佳摻量。其技術(shù)性能指標(biāo)見表2。

表2 玻璃纖維技術(shù)性能指標(biāo)

(3)集料

粗集料選取石灰?guī)r碎石，細(xì)集料采用天然中砂與石灰?guī)r石屑，填料選用石灰?guī)r礦粉。所選礦料均按照《公路工程集料試驗規(guī)程》的相關(guān)試驗要求進(jìn)行了測試，礦料的各項性能指標(biāo)都符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

1.2 配合比設(shè)計

(1)礦料級配：試驗選取AC-13型級配，礦料配比依次為粗碎石∶中粗碎石∶砂∶石屑∶礦粉=22∶34∶15∶24∶5，按試驗規(guī)程[5]的相關(guān)要求取其級配中值進(jìn)行礦料配合比組成設(shè)計，其礦料級配如表3，級配曲線見圖1。

表3 AC-13礦料級配組成

圖1 級配曲線

(2)最佳瀝青用量：分別將0.1%、0.2%、0.3%的玻璃纖維添加到瀝青混凝土中，并通過馬歇爾試驗確定各自的最佳瀝青用量。瀝青用量以4.2%±0.3%的幅度變化，采用確定的礦料配比制備所需試件，并對制備好的試件進(jìn)行試驗得出混合料的密度、空隙率、流值及馬歇爾穩(wěn)定度等相關(guān)物理-力學(xué)參數(shù)性能。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不摻加玻璃纖維時最佳瀝青用量為4.6%，當(dāng)玻璃纖維摻入量分別為0.1%、0.2%、0.3%時所對應(yīng)的最佳瀝青用量依次為4.6%、4.6%、4.7%。

2 試驗方案

選用車轍試驗、低溫彎曲試驗和凍融劈裂試驗來評價玻璃纖維瀝青混合料的高溫抗變形能力、低溫抗開裂以及抗水損害性能。

采用AC-13級配對0、0.1%、0.2%、0.3%等玻璃纖維用量的瀝青混合料制備各試驗相應(yīng)尺寸的試件，通過分析和研究不同玻璃纖維摻量下的瀝青混合料各方面路用性能，從而得出玻璃纖維的最佳用量。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面高溫性能是指路面在車輛荷載的作用下抵抗變形的能力，如路面的車轍、擁包及推移等都是路面承受荷載及高溫變形的結(jié)果[6]。高溫性能不好會嚴(yán)重影響路面的使用性能，如路面不平整導(dǎo)致車輛行駛不平穩(wěn)，舒適性較差，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致安全事故的發(fā)生。

采用車轍試驗得到的45～60min之間對應(yīng)的車轍深度及產(chǎn)生1mm車轍深度相對應(yīng)的動穩(wěn)定度DS作為高溫性能的評價指標(biāo)，試件尺寸采用300mm×300mm×50mm，試驗加載頻率為42次/min。試驗結(jié)果見表4和圖2所示。

表4 車轍試驗結(jié)果

圖2 動穩(wěn)定度與玻璃纖維用量的關(guān)系

從表4和圖2可以得到以下結(jié)論：

(1)隨著玻璃纖維摻量的不斷增加，瀝青混合料的車轍深度先降低再增加，在摻量為0.2%時車轍深度最小，相對于普通基質(zhì)瀝青混合料，摻0.2%玻璃纖維的瀝青混合料的車轍深度減小了31%。

(2)瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨著玻璃纖維摻量的增加先升高再下降，在摻量為0.2%時動穩(wěn)定度最高，相對不摻玻璃纖維時增加了55%。

(3)可以看出玻璃纖維在一定程度上能夠增強瀝青混合料的高溫抗車轍能力，并且在玻璃纖維摻量為0.2%時瀝青混凝土的高溫性能最好。這是因為隨著玻璃纖維的摻入，玻璃纖維表面會充分吸附大量瀝青，從而使瀝青膜厚度增加，形成了一層厚厚的結(jié)構(gòu)瀝青界面膜，將集料充分包裹起來，增強了集料與瀝青的粘附性能，從而提高了瀝青混合料的高溫性能。當(dāng)玻璃纖維摻量過高時，纖維不能充分分散于混合料中，形成結(jié)團現(xiàn)象，從而影響了玻璃纖維的提升效果，導(dǎo)致混合料的高溫性能可能會有所降低[7]。

3.2 低溫性能

試驗采用實驗室制備好的尺寸為300mm×300mm×50mm的車轍板切割成30mm×35mm×250mm的長方體試件。將切割好的小梁試件采用MTS萬能材料試驗機做低溫小梁彎曲試驗，試驗溫度為-10℃，加載頻率為50mm/min，試驗結(jié)果見表5和圖3所示。

表5 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

圖3 玻璃纖維摻量對抗拉應(yīng)變和勁度模量參數(shù)的影響

從表5和圖3可以看出：

(1)隨著玻璃纖維摻量的增加，瀝青混合料的彎拉強度基本沒有變化，彎拉強度受玻璃纖維的影響很小。但瀝青混合料的彎拉應(yīng)變隨著摻量的增加而呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，而且在0.2%摻量時出現(xiàn)拐點，與不摻加相比彎拉應(yīng)變提高了21%。

(2)瀝青混合料的勁度模量隨著玻璃纖維摻量的加入先減小后增加，在0.2%時達(dá)到最小，相對無摻加時減小了18%。

(3)說明玻璃纖維可以有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性，在摻量0.2%時效果最佳。這是因為在摻量較小時玻璃纖維在瀝青混合料中的分散性較好，能夠與瀝青形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)瀝青混合料受到外界的拉應(yīng)力時這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就能發(fā)揮加筋以及增韌阻裂的作用，很有力地阻礙了瀝青混合料裂縫的發(fā)展，從而提高了瀝青混合料的低溫抗裂性。當(dāng)摻量過大時玻璃纖維的分散性就會很差，出現(xiàn)結(jié)團，從而就會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而削弱了混合料低溫時抵抗開裂的能力[8]。

3.3 水穩(wěn)定性

通過凍融劈裂試驗得到的凍融劈裂強度比來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，實驗室制作馬歇爾試件，并將制備好的試件隨機分為兩組，一組用于測定常溫狀態(tài)下的劈裂強度，另一組首先真空飽水，放在-18℃的環(huán)境中16h，然后置于60℃恒溫水浴中24h后進(jìn)行強度試驗。試驗結(jié)果如表6和圖4所示。

表6 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

圖4 凍融劈裂強度比和玻璃纖維用量的關(guān)系

從試驗結(jié)果可以得出：

(1)經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料未凍融時，摻玻璃纖維后瀝青混合料的劈裂強度和凍融劈裂強度比均比未摻玻璃纖維時高，這也就說明了摻玻璃纖維能夠提升瀝青混合料的劈裂強度。此外，凍融劈裂強度比伴隨著玻璃纖維摻量增加先升高后降低，在0.2%時效果最佳。

(2)從試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青混合料中加入0.3%玻璃纖維后，出現(xiàn)了纖維結(jié)團的現(xiàn)象，可能原因是玻璃纖維用量較大時，瀝青和纖維之間相互浸潤交織的效果就會削減。另外，在進(jìn)行劈裂試驗時發(fā)現(xiàn)，試件劈裂面的斷裂處纖維大部分被拔出，玻璃纖維在瀝青混合料中基本處于直立狀態(tài)，說明玻璃纖維在瀝青混凝土中起到較好的加筋功能，并且在玻璃纖維摻量小于0.2%時，瀝青混合料中的玻璃纖維分散得相當(dāng)均勻，幾乎沒有抱團現(xiàn)象，這種情況下玻璃纖維吸附瀝青并完全包裹形成交織結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過研究玻璃纖維瀝青混凝土的各方面使用性能，分析玻璃纖維添加量對路用性能產(chǎn)生的變化規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：

(1)玻璃纖維能夠增加瀝青與礦料的內(nèi)摩阻力，大幅提升瀝青混凝土的高溫抗車轍變形性能。

(2)玻璃纖維能夠有效提高瀝青混凝土在低溫條件下抵抗開裂的性能，起到加筋以及增韌阻裂和阻礙裂縫發(fā)展的作用。

(3)玻璃纖維能夠有效提升瀝青混凝土的劈裂強度，增強瀝青混凝土的抗水損害能力。

(4)玻璃纖維摻量較小時其分散性較好，能夠與瀝青形成相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能以及水穩(wěn)定性。綜合各方面路用性能，在摻0.2%玻璃纖維時其使用效果最佳。但摻量過大會出現(xiàn)結(jié)團，不利于瀝青混合料的各方面性能。