纤维对沥青混合料低温抗裂性能的影响

摘要：通过不同纤维和沥青种类的纤维沥青混合料的-10℃弯曲破坏试验和0℃弯曲蠕变试验，分析了纤维对沥青混合料低温抗裂性能的影响。结果表明，掺入纤维后，沥青混合料的低温抗弯拉强度提高，弯拉应变增大，弯曲蠕变速率增大，改善了沥青混合料的低温抗裂性能，改善效果与纤维种类、沥青种类和矿料级配相关。宜采用-10℃弯曲试验和0℃弯曲蠕变试验结果，综合评价纤维对沥青混合料低温抗裂性能的改善效果。

关键词：道路工程；纤维；沥青混合料；低温抗裂性能；弯曲破坏试验；弯曲蠕变试验

Abstract：Based on the -10℃ bending test and the 0℃ bend-creeping test of fibers reinforced asphalt mixture, influence of fibers to low-temperature anti-cracking performance of asphalt mixture is analyzed. The results indicate that the low-temperature flexural strength of asphalt mixture enhances, flexural strain increases and bend-creeping velocity increases after fibers were mixed into. Fibers can evidently improve the low-temperature anti-cracking performance of asphalt mixture, and the improving effect is correlation of fiber kind, bitumen type and mineral grade. The effect of fibers on low-temperature anti-cracking performance of asphalt mixture should be synthetically evaluated by results of -10℃ bending test and 0℃ bend-creeping test.

Keywords：road engineering；fibers；asphalt mixture；low-temperature anti-cracking performance；bending test；bend-creeping test

沥青路面开裂是路面破坏的主要病害类型之一，已受到国内外道路工作者的普遍关注。而沥青面层温度开裂又是面层开裂的主要形式，一般认为低温开裂有低温收缩开裂和长时间的温度循环作用下产生疲劳开裂两种主要形式。自60年代加拿大率先对沥青面层的低温收缩开裂进行系统研究以来，各国在沥青粘结料和沥青混合料低温性能方面进行了大量研究工作。对沥青结合料进行改性的同时，在沥青混合料中掺入聚合物纤维(如聚酯纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维等) 、木质素纤维和玻璃纤维等纤维，以改善沥青混合料的低温性能。本研究针对甘肃省持续低温和大温差的气候条件，通过不同纤维和沥青种类的纤维沥青混合料的-10℃弯曲破坏试验和0℃弯曲蠕变试验，分析纤维对沥青混合料低温抗裂性能的影响，为大面积推广应用提供依据。

1．原材料与混合料

采用90＃普通沥青和130＃SBR改性沥青两种沥青对比研究，沥青性质见表1。石料采用石灰岩，花岗岩河砂，石灰岩矿粉。纤维采用GoodRoad®Ⅱ和Dolanit®AS，纤维掺量均为沥青混合料总重量的0.225％。矿料级配分别采用1＃级配和2＃级配，经逐级筛分回配后得到。根据不同纤维及其用量的马歇尔试验结果，确定了纤维沥青混合料的最佳沥青用量，结果见表3。

试验矿质级配组成表2

2．-10℃弯曲破坏试验分析

在最佳沥青用量下轮辙成型不同沥青混合料试件，切割成30mm×35mm×250mm的小梁，试验温度为-10℃，MTS材料试验机上进行弯曲破坏试验，结果如表4所示。

纤维沥青混合料-10℃弯曲破坏试验结果表4

由表4可得，-10℃下纤维沥青混合料的抗弯拉强度比未掺纤维沥青混合料高，破坏应变也相应增大，提高幅度与纤维种类、沥青种类和矿料级配相关。

两种纤维的掺入均明显提高了混合料的抗弯拉强度，两种纤维的差别不太大，其中GoodRoad®II纤维的提高幅度略大。沥青混合料棱柱体小梁在弯曲破坏中主要是沿着颗粒间的界面产生拉裂破坏，在裂缝扩展中可能遇到大颗粒而使这些大颗粒产生挤压和剪切，使之产生压剪破坏，因此低温下沥青的界面强度起十分重要作用。纤维加入后沥青用量增加，且沥青稠度随轻组分物质被吸附而变硬，在低温下沥青劲度增大，沥青与矿料间的界面强度相应增加，因此纤维沥青混合料的强度比未掺混合料的要高。

掺入纤维后，沥青混合料的破坏弯拉应变有不同程度的提高，这主要在于纤维加入后除了增大了沥青用量和沥青稠度与劲度外，还对混合料有一定的“桥接”与“加筋”作用，对裂缝的产生有不同程度的阻碍，延缓了破坏过程，造成一种“藕断丝连”的现象，使纤维沥青混合料的破坏应变有所增大。

对于不同沥青种类和矿料级配组成的混合料而言，抗弯拉强度比较接近，纤维掺入后的提高作用也差异不大，但破坏弯拉应变却明显不同。使用改性沥青后的混合料的弯拉应变明显大于普通沥青混合料，而且纤维的改善效果明显提高。一方面是改性沥青本身提高了混合料的低温抗裂性能，另一方面与矿料级配组成有关。由此可见，使用改性沥青，合理调整矿料级配组成，可以更加充分地发挥纤维对沥青混合料低温抗裂性能的改善作用。

3．0℃弯曲蠕变试验分析

不同纤维沥青混合料最佳沥青用量下的0℃弯曲蠕变试验结果如图1所示。

图1沥青混合料0℃弯曲蠕变速率

由图可见，掺入纤维后沥青混合料的弯曲蠕变速率有不同程度的增大，其中使用普通沥青的2＃级配混合料更为明显，两种纤维的影响程度基本相同。纤维加入混合料后，一方面增大了沥青用量，同时也使孔隙率有微略的增加。沥青用量增大使混合料柔性增大，而且纤维的混杂加强作用下对应力具有一定的分散和扩散作用，因此纤维混合料的蠕变速率比未掺混合料的要大。

结合-10℃弯曲试验结果可得，两种试验结果均表明纤维可以改善沥青混合料的低温抗裂性能，但对于不同沥青种类和级配组成混合料的评价结果却不同。就弯拉强度和弯拉应变而言，采用改性沥青和1＃级配时，纤维对混合料低温抗裂性能的改善效果好，而弯曲蠕变速率的变化却不大。这可能与两种试验分别反映了沥青混合料的低温强度或抗变形能力和应力松弛能力有关。沥青路面的低温缩裂是由于温度应力超过了混合料抗拉强度而导致面层开裂的，因此若混合料具有较高强度或在低温下有较好的抗变形能力和较强的应力松弛能力，温度应力则不会过大累积，混合料均会有较好的低温抗裂性能。对相同的温度应力曲线，若材料的抗弯拉强度曲线越高，则材料在温度应力作用下开裂温度越低；对不同的材料，尽管其强度曲线一样，但其应力松弛性能越好，温度应力越低，则在温度应力作用下其开裂时的温度也越低。因此，从提高沥青混合料的低温抗裂性能出发，合理选择纤维种类、沥青和矿料级配时，应综合考虑两种试验结果进行评价，若单一采用其中一个试验结果评价，可能会顾此失彼，无法达到最优。

4．结论

（1）掺入纤维后，沥青混合料的低温抗弯拉强度提高，弯拉应变增大，弯曲蠕变速率增大，改善了沥青混合料的低温抗裂性能，改善效果与纤维种类、沥青种类和矿料级配相关。

（2）宜采用-10℃弯曲试验和0℃弯曲蠕变试验结果，综合评价纤维对沥青混合料低温抗裂性能改善效果。

主要参考文献：

[1]．陈华鑫，张争奇，胡长顺．纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，2004,32(4):82-86．

[2]．马翔，倪富健，顾兴宇等．聚酯纤维沥青混合料料路用性能研究分析[J]．公路交通科技，2006,23(1):24-27．

[3]．陈华鑫，李宁利，胡长顺等．纤维沥青混合料料路用性能[J]．长安大学学报(自然科学版)，2004,24(2):1-6．

[4]．万军，杨军．聚酯纤维对沥青混合料性能影响的研究[J]．公路交通科技，2006,23(5):23-26．

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