摘 要

通过单轴拉伸试验、半圆弯拉试验和冻融劈裂试验等，考察了纤维类型和埋深与沥青的黏结作用，并分析了玻璃纤维掺量对基质沥青/改性沥青混合料高温稳定性、低温性能、中温抗裂性能和水稳定性的影响。结果表明，玻璃纤维与基质沥青/改性沥青的黏结强度高于玄武岩纤维和钢纤维，且改性沥青与纤维的黏结效果优于基质沥青。相同玻璃纤维掺量时，改性沥青混合料的稳定度、马歇尔模数、破坏拉伸应变、劈裂抗拉强度、断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变都要高于基质沥青混合料，流值和破坏劲度模量都小于基质沥青混合料；改性沥青混合料有相较基质沥青混合料更好的高温稳定性、低温抵抗变形能力和中温抗裂性能。适量玻璃纤维的掺加有利于提高基质沥青/改性沥青混合料的劈裂强度，玻璃纤维－改性沥青混合料的水稳定性高于玻璃纤维－基质沥青混合料。玻璃纤维掺量为0.30%的改性沥青混合料具有更佳的路用性能。

关键词

沥青混合料 | 玻璃纤维 | 基质沥青 | 改性沥青 | 掺量 | 性能

沥青混合料作为当前国内公路路面面层主要原料，在使用过程中需要长期承受雨水冲刷、高温暴晒和冻融等自然因素作用[1]。传统沥青混凝土路面中使用的密级配沥青混凝土在雨雪等天气下存在抗滑能力不足等问题[2]，而新型多孔沥青混凝土由于具有抗滑性好、噪音低等优点而有望被广泛应用于现代化公路、桥梁的建设中[3]。然而在实际应用过程中，多孔沥青路面通常会由于长时间承受雨水冲刷、高温暴晒和冻融等作用而发生局部破坏，严重情况下还会影响正常交通运行以及造成交通事故等，因而急需对沥青混合料进行改性处理以增强沥青黏合力，解决低温、高温和冻融等环境下沥青混合料路面的松散和剥落现象[4]。纤维掺入沥青混合料中已被证实是提高沥青混合料路用性能的有效措施，但是目前关于纤维种类对沥青混合料黏结性能的影响以及纤维掺量对改性沥青路用性能的影响方面的报道相对较少[5-7]。本文从优化纤维种类、玻璃纤维掺量和改性沥青的角度，考察纤维类型和埋深与沥青的黏结作用，并分析了玻璃纤维掺量对基质沥青/改性沥青混合料高温稳定性、低温性能、中温抗裂性能和水稳定性的影响，结果将有助于新型纤维-沥青混合料的开发，并推动其在公路等路面工程中的应用。

试验材料与方法

试验原料

试验原料包括玻璃纤维(直径14μm、密度2.5g/cm³、抗拉强度3250MPa、断后伸长率3.4%)、玄武岩纤维(直径13μm、密度2.71g/cm³、抗拉强度3200MPa、断后伸长率2.6%)、钢纤维(直径220μm、密度7.85g/cm³、抗拉强度3050MPa)、AH70基质沥青(针入度68(0.1mm)、针入度指数－0.76、动力黏度216Pa·s、含蜡量1.8%)、TPS添加剂(针入度43mm、延度2375px、软化点92.5℃)、改性沥青(AH70基质沥青＋15%TPS外加剂)和岩质矿粉(表观密度2.629g/cm³、含水率0.89%)等。

试件制备

采用击实法制备不同类型的纤维－沥青混合料试件，沥青添加量为5%、纤维掺量为0~0.45%。预热后的集料加入搅拌锅中拌和均匀后加入沥青，搅拌均匀后加入纤维继续搅拌，拌和完成后用击实仪制备马歇尔试件(双面击实次数50次)[8]。

测试与表征

1)黏结性能：采用图1所示的试验装置测维、玄武岩纤维和钢纤维与沥青都置于烘箱中加热至相同温度，然后插入沥青灌入槽后浇筑基质沥青，降温至室温凝固后转入水浴箱中进行120min保温处理；取出试件后将连接杆与拉伸试验机连接并进行单轴拉伸试验，加载速率为25mm/min，测试拉伸破坏时的更大荷载。

2)高温性能：根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2019)进行高温稳定性测试，将玻璃纤维-沥青混合料制备成标准马歇尔试件(101.6mm×63.5mm)，脱模后置于60℃水浴中，30min后利用DF-5型沥青混合料稳定度测定仪测试稳定度和流值，并根据式(1)计算马歇尔模数T[9]。

3)低温性能：将标准马歇尔试件在-10℃恒温冰箱中保温8h，采用液压伺服拉伸试验机进行试验荷载大值(P)的测试，并根据下列公式计算破坏拉伸应变ε、劲度模量S和劈裂抗拉强度R[10]。

4)中温抗裂性：制备尺寸152mm×94mm马歇尔试件，切割机对剖后在1/2直径处加工深25px切口，然后置于25℃恒温箱中保温8h，取出后置于拉伸试验机上进行半圆弯拉试验，加载速率为25mm/min，得到位移~荷载曲线，并根据下列公式计算断裂能G、层底抗拉强度σ和层底抗拉应变εcd[11]。

5)水稳定性：根据JTGE20-2019标准制备不同玻璃纤维掺量的圆柱体试件，分两组进行非冻融(室内放置)和冻融(90.0kPa真空保水15min、常压放置30min后置于装有10mL水的塑料袋中、-18℃保温16h后取出置于室温水浴中融化6h)试验；冻融完成后的试样置于室温水浴箱中保温120min后进行劈裂试验，加载速率为25mm/min，得到非冻融和冻融试件的劈裂抗拉强度，并根据下式计算冻融劈裂强度比TSR[12]。

试验结果与分析

纤维与沥青的黏结强度

表1为不同类型和埋深的纤维与沥青的拉伸试验结果，分别列出了玻璃纤维、玄武岩纤维和钢纤维在纤维埋深为5~25mm时的大荷载测试数据。对于基质沥青，相同纤维埋深下玻璃纤维－基质沥青的荷载更大，其次为玄武岩纤维，而钢纤维－基质沥青的荷载更小；对于改性沥青，不同纤维－改性沥青的荷载从高至低顺序为玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维。无论是哪种纤维或者沥青，拉伸的荷载都会随着纤维埋深增加而变大，且在相同埋深下，改性沥青的荷载要明显高于基质沥青。总体而言，玻璃纤维与基质沥青/改性沥青的黏结强度要高于玄武岩纤维和钢纤维，且改性沥青与纤维的黏结效果更好。

高温性能

图2为玻璃纤维掺量对基质沥青/改性沥青混合料稳定度、流值和马歇尔模数的影响。从玻璃纤维掺量~稳定度曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的稳定度呈现先增加后减小特征，在玻璃纤维掺量为0.15%时取得更大值，且相同玻璃纤维掺量下，改性沥青混合料的稳定度要高于基质沥青混合料；从玻璃纤维掺量~流值曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的流值呈现先减小后大特征，在玻璃纤维掺量为0.15%时取得更小值，且掺加玻璃纤维的改性沥青混合料的流值要小于基质沥青混合料；由玻璃纤维掺量~马歇尔模数曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的马歇尔模数呈现先大后减小特征，在玻璃纤维掺量为0.15%时取得大值，且相同玻璃纤维掺量下，改性沥青混合料的马歇尔模数要高于基质沥青混合料。总体而言，相同玻璃纤维掺量的改性沥青混合料的稳定度和马歇尔模数都要高于基质沥青混合料，这也就说明改性沥青混合料具有相对基质沥青混合料更好的高温稳定性[13]；虽然未掺加玻璃纤维的改性沥青的流值大于基质沥青，但是掺加相同含量玻璃纤维的改性沥青混合料的流值都小于基质沥青混合料，可见，在改性沥青中掺加玻璃纤维可以更有效地降低混合料的流值，从而提高纤维~沥青混合料的高温性能；无论是基质沥青还是改性沥青，当玻璃纤维掺量为0.15%时，混合料的稳定度和马歇尔模数都更大，而对应的流值更小，表明此时混合料的抗变形能力更大，高温稳定性更好。

低温性能

图3为玻璃纤维掺量对破坏拉伸应变、破坏劲度模量和劈裂抗拉强度的影响。从玻璃纤维掺量~破坏拉伸应变曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的破坏拉伸应变呈现先增加后减小特征，且相同玻璃纤维掺量下，改性沥青混合料的破坏拉伸应变要高于基质沥青混合料；从玻璃纤维掺量~破坏劲度模量曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的破坏劲度模量呈现先减小后大特征，且相同玻璃纤维掺量下改性沥青混合料的破坏劲度模量要小于基质沥青混合料；从玻璃纤维掺量~劈裂抗拉强度曲线可知，随着玻璃纤维掺量增加，混合料的劈裂抗拉强度呈现先大后减小特征，且相同玻璃纤维掺量下改性沥青混合料的劈裂抗拉强度要大于基质沥青混合料。综合而言，掺加玻璃纤维有助于提高混合料的破坏拉伸应变和劈裂抗拉强度，并降低混合料的破坏劲度模量；相同玻璃纤维掺量的改性沥青混合料的破坏拉伸应变和劈裂抗拉强度都高于基质沥青，破坏劲度模量小于基质沥青混合料，表明改性沥青混合料相较基质沥青混合料有更好的低温抵抗变形能力。

图4为玻璃纤维掺量对断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变的影响。随着玻璃纤维掺量增加，混合料的断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变呈现先增加后减小特征，基质沥青混合料和改性沥青混合料分别在玻璃纤维掺量为0.15%和0.30%时具有更高的断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变；相同玻璃纤维掺量下，改性沥青混合料的断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变要高于基质沥青混合料，表明基质沥青混合料的中温抗裂性能低于改性沥青混合料。究其原因，这主要是因为纤维、集料与改性沥青具有较好的黏结作用，在中温抗裂性能测试过程中相对基质沥青混合料需要更高的能量才能破坏[14]。玻璃纤维掺量为0.30%的改性沥青混合料具有更高的断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变，即具有更佳的中温抗裂性能。

水稳定性

表2为玻璃纤维~沥青混合料的冻融劈裂测试结果，分别列出了不同玻璃纤维掺量的基质沥青/改性沥青混合料的劈裂强度和冻融劈裂强度比。未掺加玻璃纤维时，未冻融状态的基质沥青和改性沥青劈裂强度分别为0.67MPa和0.82MPa，冻融循环后的劈裂强度分别为0.62MPa和0.73MPa；掺加0.15%和0.30%玻璃纤维后，未冻融/冻融状态的基质沥青和改性沥青劈裂强度都有不同程度提高，而掺加0.45%玻璃纤维~基质沥青混合料的劈裂强度明显低于未掺加玻璃纤维的试样，这主要是因为过高的玻璃纤维掺量会降低与基质沥青的黏结力，造成沥青无法完全包裹玻璃纤维而使得抵抗劈裂的能力降低[15]。相较而言，相同玻璃纤维掺量下，未冻融/冻融状态基质沥青混合料的劈裂强度都小于改性沥青混合料，且在改性沥青中掺加0.45%及以下的玻璃纤维都可以有效提升混合料的劈裂抗拉强度。这主要是由于改性沥青可以提升集料/集料、集料/纤维和集料/沥青之间的黏结度，从而发挥混合料中各组分的共同作用而增强抵抗劈裂的能力[16]。从冻融劈裂强度比上看，玻璃纤维掺量为0和0.15%时，改性沥青混合料的冻融劈裂强度比要小于基质沥青混合料。这主要是因为掺加玻璃纤维后混合料的空隙率会随着玻璃纤维掺加而变大，冻融过程中空隙处的冻胀应力作用会造成劈裂强度减小[17]，因此空隙率较大的混合料的劈裂强度会降低更加明显，进而使得冻融劈裂强度比减小；玻璃纤维掺量为0.30%和0.45%时，改性沥青混合料的冻融劈裂强度比大于基质沥青混合料，这主要是因为随着玻璃纤维掺量变大，混合料中的空隙率减小，冻融过程中对劈裂强度的影响减弱[18]，此时改性沥青混合料的冻融劈裂强度比反而高于基质沥青混合料。此外，冻融过程中，水分会侵入混合料中的空隙并增加与混合料的接触面积，纤维~沥青混合料的水稳定性会降低、劈裂抗拉强度减小，且混合料中玻璃纤维的掺加，会使得冻融过程中的水分沿着部分玻璃纤维侵入到集料/纤维和集料/沥青之间，从而降低纤维~沥青混合料的抗水损性能，因此，玻璃纤维~沥青混合料的冻融劈裂强度比会随着玻璃纤维掺量变大而减小。综合而言，适量玻璃纤维的掺加有利于提高基质沥青/改性沥青混合料的劈裂强度，玻璃纤维~改性沥青混合料的水稳定性要高于玻璃纤维~基质沥青混合料。

结语

(1)在黏结强度试验中，纤维~沥青试件拉伸的荷载从高至低顺序为玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维；玻璃纤维与基质沥青/改性沥青的黏结强度高于玄武岩纤维和钢纤维，且改性沥青与纤维的黏结效果更好。

(2)相同玻璃纤维掺量的改性沥青混合料的稳定度和马歇尔模数都要高于基质沥青混合料，而流值都小于基质沥青混合料，改性沥青混合料相对基质沥青混合料具有更好的高温稳定性。掺加玻璃纤维有助于提高混合料的破坏拉伸应变和劈裂抗拉强度，并降低混合料的破坏劲度模量；相同玻璃纤维掺量的改性沥青混合料的破坏拉伸应变和劈裂抗拉强度都高于基质沥青混合料，破坏劲度模量小于基质沥青混合料，改性沥青混合料相较基质沥青混合料有更好的低温抵抗变形能力。相同玻璃纤维掺量下，改性沥青混合料的断裂能、层底抗拉强度和层底抗拉应变要高于基质沥青混合料，基质沥青混合料的中温抗裂性能低于改性沥青混合料；玻璃纤维掺量为0.30%时的改性沥青混合料具有更佳的中温抗裂性能。

(3)适量玻璃纤维的掺加有利于提高基质沥青/改性沥青混合料的劈裂强度，玻璃纤维~改性沥青混合料的水稳定性高于玻璃纤维~基质沥青混合料。

全文完 发布于《公路》2021年7月  如涉侵权，请联系删除！

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