摘要：近年，纖維瀝青路面得到了廣泛應用，但在設(shè)計和施工中還存在很多問題。通過對纖維瀝青混合料的一系列性能試驗，研究了Dolanit®AS聚丙烯腈纖維用量對瀝青混合料性能的影響，最佳纖維用量為0.3％，相應的瀝青用量為4.65％。通過不同類型纖維對瀝青混合料性能的影響比較，得出BoniFbers®聚酯纖維效果較好。最后通過對AC-16和SMA-16兩種瀝青混合料摻入纖維后的低溫性能和水穩(wěn)定性試驗證明，摻纖維后纖維瀝青混合料低溫抗裂性提高，水穩(wěn)定性改善，但纖維在瀝青混凝土中存在最佳用量，否則效果不佳。
　　關(guān)鍵詞：纖維瀝青混合料；纖維類型；最佳用量；低溫性能；水穩(wěn)定性
　　0．引言
　　瀝青路面是高速公路主要的路面結(jié)構(gòu)形式，其破壞形式主要表現(xiàn)為車轍、開裂和疲勞破壞，自60年代以來，幾乎大多數(shù)與瀝青路面研究有關(guān)的課題也集中在這三大破壞形式上。我國近十年來修筑的瀝青道路往往都達不到設(shè)計年限，通常出現(xiàn)兩種破壞形式——水損害和反射裂縫，這也逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，并已形成世界性范圍的問題。另外，在我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范（JTJ014-2004）》[1]中提出，有條件時瀝青混合料中可添加纖維提高其使用性能。纖維在瀝青混凝土AC和SMA中究竟起什么作用，其效果究竟如何，鑒于這方面的研究不多，本文針對這一問題，選用了四種聚酯纖維、一種木質(zhì)素纖維和一種礦物纖維、AH-70重交瀝青，配制兩種纖維瀝青混合料（AC-16和SMA-16兩種），對比其馬歇爾試驗指標、低溫劈裂強度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比和高溫穩(wěn)定性（動穩(wěn)定度）等使用性能。
　　1原材料
　　本研究中所選瀝青為中海石油AH-70，試驗所用纖維有：德蘭尼特（Dolanit®AS）聚丙烯腈纖維和ARBOCEL木質(zhì)素纖維，博（BoniFbers®）聚酯纖維和福塔纖維(FORTA®AR纖維由聚丙烯和芳綸纖維復合形成的纖維物)，國產(chǎn)DCPET聚酯纖維，加拿大產(chǎn)的福貝（FIBROX）礦物纖維，共六種纖維。礦質(zhì)集料：玄武巖碎石，花崗巖砂子和玄武巖礦粉。礦料級配選用了AC-16和SMA-16兩種，為盡量避免級配范圍的影響，試驗中采用規(guī)范規(guī)定的級配中值，經(jīng)室內(nèi)逐級篩分后回配得到。
　　2纖維瀝青混合料馬歇爾試驗研究
　　2.1纖維用量對馬歇爾試驗結(jié)果的影響
　　纖維用量是指纖維占全部纖維瀝青混合料的質(zhì)量百分比。纖維用量不同，纖維在混合料中的分散性、有效比表面積及對混合料的加強作用也不盡相同。為此，本文選擇Dolanit®AS聚丙烯腈纖維用AC-16的混合料進行了馬歇爾試驗結(jié)果比較，纖維劑量分別采用0％,0.20％,0.30％,0.40％，0.50％。試驗室內(nèi)首先按馬歇爾試驗法確定不同纖維劑量下的最佳油石比，再在此最佳油石比下測試各馬歇爾試驗指標，如表1所示。
　　表1Dolanit®AS聚丙烯腈纖維用量對AC-16馬歇爾試驗指標的影響
　　纖維劑量（％） 瀝青用量（％） 穩(wěn)定度
　　（KN） 流值
　　（mm） 密度
　　（g/cm3） VV
　　（％） VMA
　　（％） VFA
　　（％）
　　0.00 4.55 9.69 3.55 2.446 3.052 11.888 74.33
　　0.20 4.60 10.88 3.64 2.435 3.450 12.284 71.92
　　0.30 4.65 11.25 3.73 2.427 3.384 12.572 73.09
　　0.40 4.70 10.87 3.75 2.42 3.777 12.824 70.55
　　0.50 4.75 9.56 3.78 2.417 3.590 12.932 72.24
　　如表1所示，隨著纖維用量的增加，瀝青混合料的最佳瀝青用量有一最大值，混合料的密度降低，孔隙率與[VMA]將增大，馬歇爾穩(wěn)定度出現(xiàn)一最大值，而流值隨纖維用量增加而增加。從復合材料角度看，宏觀上纖維瀝青混合料是連續(xù)的，但從微觀角度看又是不連續(xù)且非均質(zhì)的，因而纖維加入后，往往在其分散性受到限制時，結(jié)團成束的纖維成為混合料中的“強度弱點”，引起強度分布不均勻，反而有使混合料強度下降的趨勢。同時，纖維在混合料中又有不同程度的橋接加筋作用，并提高了瀝青與礦料間的界面強度，使混合料整體強度有所提高。因此纖維瀝青混合料的強度值應視具體情況而定。在纖維摻量為0.4%時，瀝青混合料的穩(wěn)定度下降，纖維用量太高，分散性下降，反而使混合料的穩(wěn)定度值降低。由表1結(jié)果可知，對于纖維瀝青混合料而言，存在最佳纖維用量，本研究條件下Dolanit®AS聚丙烯腈纖維的最佳纖維用量為0.3％，相應的瀝青用量為4.65％。
　　流值同瀝青用量關(guān)系十分密切，瀝青用量越大，流值也越高。纖維加入后，混合料的最佳瀝青用量增加，同時纖維又有提高混合料的抗變形能力的作用。因此，纖維混合料的流值隨纖維用量的增加也是增高的，但其增加速度放緩。
　　2.2纖維類型對馬歇爾試驗結(jié)果的影響
　　纖維類型不同，結(jié)構(gòu)組成不一樣，在混合料中的作用也不盡相同，本研究中采用了日前中國常見的六類纖維，分別按馬歇爾法確定出各纖維在相同纖維用量下(0.3%)的最佳瀝青用量，再測試出最佳瀝青用量下馬歇爾結(jié)果如表2所示。
　　由表2可知，六種纖維對AC-16中值級配的馬歇爾試驗指標的作用效果并沒有明顯差異，BoniFbers®聚酯纖維稍勝一籌。
　　表2普通瀝青混凝土AC-16摻加不同纖維的馬歇爾試驗指標的影響
　　纖維類型 瀝青用量（％） 穩(wěn)定度
　　（KN） 流值
　　（mm） 密度
　　（g/cm3） VV
　　（％） VMA
　　（％） VFA
　　（％）
　　無纖維 4.6 10.12 3.67 2.454 3.548 14.056 74.760
　　Dolanit®AS 4.65 11.17 3.85 2.444 3.805 14.488 73.735
　　BoniFbers® 4.65 11.52 3.94 2.446 3.727 14.418 74.153
　　FORTA®AR 4.65 11.07 3.67 2.441 3.923 14.593 73.115
　　DCPET 4.65 11.08 3.65 2.439 4.002 14.663 72.706
　　木質(zhì)素纖維 4.65 10.72 3.79 2.435 4.160 15.622 73.374
　　礦物纖維 4.65 10.69 3.73 2.437 4.056 15.211 73.335
　　3．纖維瀝青混合料低溫抗裂性能研究
　　國內(nèi)外用于研究瀝青混凝土低溫抗裂性能的試驗方法有多種，主要包括：等應變加載的破壞試驗（間接拉伸試驗、彎曲、壓縮試驗）、直接拉伸試驗、彎曲拉伸蠕變試驗、受限試件溫度應力試驗、三點彎曲J積分試驗、C*積分試驗、收縮系數(shù)試驗和應力松弛試驗等。本研究采用了不同溫度的間接拉伸試驗（劈裂試驗）方法，試驗對六種纖維的瀝青混合料進行了劈裂試驗，試驗結(jié)果如表3所示。
　　由結(jié)果可知，在AC-16普通瀝青混凝土中，纖維對提高低溫抗裂性能幾乎沒有貢獻，各種纖維之間也就沒有什么差異。
　　表3纖維對瀝青混合料在不同溫度下劈裂強度的影響
　　混合料
　　類型 纖維類型 15℃（MPa） 10℃（MPa） 0℃
　　（MPa） -10℃（MPa） -20℃（MPa）
　　普通瀝青 無纖維 1.523 2.424 3.501 4.192 3.236
　　 Dolanit®AS 1.648 2.565 3.577 4.272 3.366
　　 BoniFbers® 1.614 2.587 3.550 4.256 3.331
　　 FORTA®AR 1.585 2.502 3.592 4.245 3.309
　　 DCPET 1.576 2.533 3.535 4.232 3.287
　　 木質(zhì)素纖維 1.553 2.465 3.514 4.211 3.268
　　 礦物纖維 1.568 2.479 3.527 4.226 3.251
　　AH-70斷級配SMA-16 0.785 1.213 1.796 2.344 2.736
　　AH-70SMA-16 0.885 1.428 2.058 2.637 3.124
　　注：①SMA中添加的纖維為Dolanit®AS聚丙烯腈纖維；
　　②斷級配指沒有添加Dolanit®AS聚丙烯腈纖維，而礦料級配與SMA-16相同的混合料。
　　同樣，相對于SMA-16而言，纖維改善其劈裂強度比在AC-16中有所提高，但效果也不太明顯，提高幅度僅為15%左右。
　　4．纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究
　　瀝青混合料水穩(wěn)定性的評定方法，通常分兩個階段進行，或者說分為兩類：第一階段是評價瀝青與礦料的粘附性；第二階段是評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這兩個階段是不可分割的整體，決不能割裂開來看。前者的試驗方法主要有水煮法、水浸法、光電比色法、攪動水凈吸附法等；后者的試驗方法廣泛應用的有浸水馬歇爾試驗、凍融后劈裂強度比試驗、浸水劈裂強度試驗、浸水抗壓強度試驗、浸水車轍試驗等。按照目前我國的技術(shù)要求，在施工規(guī)范及設(shè)計規(guī)范中都規(guī)定采用了浸水馬歇爾試驗及和凍融劈裂試驗來評價瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。本研究對六種纖維的瀝青混合料進行了浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。
　　4.1浸水馬歇爾試驗結(jié)果與分析
　　試件分成兩組：一組在60℃水浴中保養(yǎng)30min～40min后測定其馬歇爾穩(wěn)定度MS1；另一組在60℃水浴中恒溫保養(yǎng)48h后測定其馬歇爾穩(wěn)定度MS2，用殘留穩(wěn)定度MS0來表征瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，MS0值越大，水穩(wěn)定性越好。AC-16試驗結(jié)果如表4所示，SMA-16的試驗結(jié)果如表5所示。
　　表4纖維對瀝青混凝土AC-16馬歇爾殘留穩(wěn)定度MS0（％）的影響
　　瀝青類型 無纖維 Dolanit®AS BoniFbers® FORTA®AR DCPET 木質(zhì)素纖維 礦物
　　纖維
　　普通瀝青 84 93 89 86 88 83 84
　　由表4可以得出如下結(jié)論：在AC-16瀝青混合料中，纖維對提高瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度有一定貢獻，且聚酯纖維的作用比其他纖維的作用明顯。
　　表5纖維對SMA-16馬歇爾殘留穩(wěn)定度MS0（％）的影響
　　級配類型 AH-70斷級配SMA-16 AH-70
　　SMA-16
　　殘留穩(wěn)定度MS0（％） 75 86
　　注：①SMA中添加的纖維為Dolanit®AS聚丙烯腈纖維。
　　纖維將SMA混合料的殘留穩(wěn)定度提高了15%，超過了AC-16，說明了瀝青與骨料之間的粘結(jié)力才是關(guān)鍵。
　　4.2凍融劈裂試驗結(jié)果與分析
　　我國的凍融劈裂試驗是根據(jù)美國的洛特曼（Lottman）試驗簡化而成的。試件分成兩組：試驗對六種纖維和兩種瀝青混合料共十一種瀝青混凝土作了試驗對比，其試驗結(jié)果如表6所示。
　　表6纖維對瀝青混合料凍融劈裂強度比TSR（％）的影響
　　瀝青類型 無纖維 Dolanit®AS BoniFbers® FORTA®AR DCPET 木質(zhì)素纖維 礦物纖維
　　普通瀝青AC-16 83 86 88 85 87 83 86
　　AH-70斷級配SMA-16 71      
　　AH-70SMA-16  88    83 85
　　由表6可知，纖維對AC-16的凍融劈裂強度有一定影響但也不明顯，其結(jié)論與纖維對瀝青混凝土不同溫度下劈裂強度的影響基本一致。纖維對SMA-16的凍融劈裂強度的影響比AC-16混凝土明顯，在標準SMA混凝土中，瀝青混合料的凍融強度比通過添加纖維可提高23.9％。
　　4.3纖維劑量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響
　　為分析纖維劑量對纖維瀝青混凝土耐水害性能的影響，用Dolanit®AS聚丙烯腈纖維和普通瀝青進行纖維用量的影響分析，纖維劑量為0％,0.20％,0.30％,0.40％，0.50％(此劑量為纖維占整個纖維瀝青混凝土的質(zhì)量百分比)。試驗室內(nèi)首先按馬歇爾法確定不同纖維劑量下的最佳油石比，以討論不同纖維劑量對耐水性指標的影響，其結(jié)果如表7、表8所示。
　　表7纖維劑量對殘留穩(wěn)定度的影響
　　纖維劑量（％） MS1（KN） MS2（KN） MS0（％）
　　0.00 9.96 8.47 84
　　0.20 10.89 9.47 87
　　0.30 11.22 10.32 93
　　0.40 10.98 9.88 90
　　0.50 10.85 9.55 88
　　表8纖維劑量對凍融劈裂強度比的影響
　　纖維劑量（％） RT1（MPa） RT2（MPa） TSR（％）
　　0.00 1.011 0.829 83
　　0.20 1.056 0.876 83
　　0.30 1.072 0.911 86
　　0.40 1.034 0.867 84
　　0.50 1.022 0.838 82
　　由以上表7、表8的結(jié)果可知，纖維劑量存在最佳劑量，對于本研究的Dolanit®AS聚丙烯腈纖維而言，其最佳劑量為0.3％，此時纖維對提高瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度最大只達10.7％，對于提高凍融劈裂強度比僅為3.6％，因此可以進一步說明纖維對提高瀝青混凝土的水穩(wěn)定性作用不明顯。
　　5.結(jié)論
　　（1）對于瀝青混凝土的馬歇爾試驗指標、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均存在纖維最佳用量；
　　（2）六種纖維對AC-16中值級配的馬歇爾試驗指標的作用效果沒有明顯差別。對于SMA-16馬歇爾試驗指標而言，纖維的作用比較明顯。
　　（3）纖維對低溫抗裂能力的影響
　　在普通瀝青和改性瀝青的AC-16中，纖維對提高低溫抗裂性能有一定的貢獻，且各種纖維之間也沒有差異。同樣，對于SMA-16而言，纖維對改善其劈裂強度比在AC-16中有所提高，提高幅度為15％左右。
　　（4）纖維對提高水穩(wěn)定性的影響
　　通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，說明纖維對瀝青混凝土AC-16水穩(wěn)定性的貢獻比較小。
　　纖維使SMA的殘留穩(wěn)定度提高3.6％，在標準的SMA中，通過添加纖維可提高凍融劈裂強度23.9％，因此纖維對SMA-16的水穩(wěn)定性有貢獻，且比在AC-16中的作用大。
　　
　　參考文獻：
　　1．中華人民共和國行業(yè)標準．公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范（JTJ014-2004），2004年
　　2.中華人民共和國行業(yè)標準．公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTJ032-94）.北京：人民交通出版社.1994