摘要：纤维沥青混凝土有助于提高路面的高温稳定性、低温阻裂性，降低荷载作用造成的疲劳应力，提高路面的疲劳寿命。纤维的用量、长径比和纤维沥青混凝土的施工工艺对纤维加强沥青混合料的路用性能有很大的影响。本文通过加强沥青混合料的室内试验对纤维的长径比最佳用量进行分析。
关键词：纤维沥青混凝土，纤维用量，长径比
随着经济日新月异的发展，交通量也在快速增长。现代交通向着速度快、密度大、轴载重、渠划分明的方向发展。传统的沥青路面越来越不能适应车载需要，因此路用性能提出了更高的要求。沥青路面具有平整度好、便于施工等方面的优势，成为主要的路面结构。但是沥青路面在实际使用中存在许多技术和质量方面的问题，比如车辙、唧浆等问题。在沥青混合料中掺加纤维后，能提高路面的高温稳定性、低温阻裂性，降低荷载作用造成的疲劳应力，提高路面的疲劳寿命。但是对纤维的长径比和用量控制及纤维沥青混凝土的施工工艺制定都有一定的要求，如果制定的不合理既不能提高纤维沥青混凝土的路用性能，又增加了工程造价，严重时不得不翻修，带来巨大的经济损失。
1纤维长径比对混合料性能的影响
根据复合材料的增强机理,纤维越长,直径越小,则纤维达到极限强度的长度越长,从而能较好发挥纤维的增强作用。但过长过细的纤维在与沥青混凝土拌和过程中容易结团,使纤维难以均匀分布,影响纤维沥青混合料的工作度。为了比较纤维长径比对混合料性能的影响,采用Ⅰ、Ⅱ两种不同物理力学参数的涤纶纤维材料,纤维的基本性质见表1。本试验中采用的纤维为聚合物纤维,其吸油率较木质素纤维低,因此未考虑纤维的吸油影响而增加沥青用量,这也便于比较在相同沥青用量情况下的混合料性能,纤维用量为矿料总重的0.1%。下面通过马歇尔试验和劈裂疲劳实验来对纤维长径比对沥青混合料性能的影响进行探讨。
1.1 劈裂疲劳试验
理论和试验都表明,路面在车轮荷载作用下,其结构内不同位置的应力应变状态也是不同的。虽然应力小于路面材料的抗拉强度,但随着作用次数的增加,路面结构强度逐渐下降,最后发生破坏,这就是材料疲劳引起的路面裂缝。
一般的疲劳试验采用小梁弯曲试验,也可采用间接拉伸疲劳试验。本试验采用的方法为后者。试件由马歇尔击实方法得到的圆柱体试件,直径101.6mm,高度63.5mm,施加荷载的压条宽为12.5mm。试验温度为20℃,在MTS试验机上进行测试。加载方式为应力控制,加载频率为10Hz,应力比采用0.4。不同纤维的沥青混合料劈裂疲劳试验结果如表2
表2纤维沥青混合料的劈裂疲劳试验结果
劈裂疲劳试验结果表明,在应力比为0.4时,掺加纤维的沥青混合料的疲劳破坏次数提高了,由于纤维改善了沥青的粘滞性,降低混合料内部的损伤,从而提高了混合料的抗疲劳破坏的能力。
1.2 马歇尔试验
马歇尔试验是常规的沥青混合料组成设计试验,尤其适合于密实型沥青混合料,它能反映混合料的高温稳定性能。室内试验采用“埃索”70号进口沥青,根据四档玄武岩集料10～15mm、5～10mm、3～5mm和0～3mm,对沥青混合料进行了级配组成设计。
在马歇尔试验中,采用双面75次重型击实的试件。纤维用量为0.1%的Ⅰ和Ⅱ纤维沥青混合料与未加纤维沥青混合料的马歇尔试验结果如表3。
表3纤维沥青混合料的马歇尔试验结果
由上表可知,纤维沥青混合料制备出的沥青面层试件具有良好的稳定度。JTJ032-94的公路沥青路面施工技术规范设计要求标准中稳定度要求大于5.0kN,试验结果中大于7.9kN;空隙率应在4%～10%之间,试验结果为5%～6%左右,均比较理想。
以上两项实验反映出纤维的加入改善了沥青混合料的性能,但同时也看出,长径比较大的Ⅰ纤维的稳定度和疲劳破坏次数小于Ⅱ纤维的稳定度和疲劳破坏次数,甚至低于没加纤维的混合料稳定度和疲劳破坏次数,其原因在于纤维分散性。纤维的分散均匀性是纤维沥青混合料中纤维增强效果的关键,纤维分布不均匀,在局部易引起“局部涨落”现象,从而形成缺陷,对宏观强度造成不利影响,使其增强效果降低。根据混合料的拌和情况也发现,Ⅰ纤维在与矿料干拌时很难均匀分散,甚至结团,造成混合料压实度小,而Ⅱ纤维与矿料干拌时没有出现此情况。因此纤维长径比需根据室内试验得出一个临界值,在实际施工中,考虑拌和难度,所用纤维长径比应略低于此临界值,以确保纤维发挥其最大效用。
2 纤维最佳用量
最佳纤维用量的确定是衡量纤维加筋沥青混凝土的力学性能及经济指标的重要依据。在一定的纤维体积率范围内,纤维沥青的强度和模量随着纤维体积率的增加而增加,大量试验也验证了该观点。纤维体积率小于纤维的临界体积率时,纤维起不到加筋作用,仅仅在沥青中起到分散作用,有时反而会降低沥青的强度。但纤维体积率也不能过大,纤维掺量过多,纤维比表面积增加,包裹在每根纤维周围的沥青胶浆体减少,导致纤维与沥青间粘结力不足。纤维过多还将造成拌和困难,使纤维不能均匀分布,影响材料的强度。另外,纤维掺量的增加也提高了路面造价。
2.1理论计算与试验值的差异
有研究用复合材料的理论计算芳纶纤维增强沥青混凝土的劲度模量,与劈裂实验得出的结果比较,当纤维掺量为0.2%时,理论值与试验值非常接近,而当纤维掺量为0.3%、0.5%时,理论值与试验值差别很大。这是因为,运用复合材料理论做计算时,往往要遵循一定的假设条件:纤维增强体在沥青基体中分布均匀、各向同性,纤维与沥青基体粘结良好。因此理论计算出来的结果是纤维用量越大,纤维增强沥青混凝土的劲度模量、强度及韧性就越高,而实际中由于沥青用量的不足、集料的要求跟不上、拌和工艺不成熟等,过多的纤维不能在沥青基体中分布粘结得很好,起不到应有的增韧作用。纤维结团成束后占有更大空间,使矿料相互接触受阻,尽管沥青用量也增大,但仍存留下较大的孔隙,相反会影响沥青混凝土的性能另外,纤维沥青混凝土是一种多相复合材料,材料的力学特征与纤维增强体、基体及纤维-基体的界面粘结性能有关。采用复合材料混合律理论计算材料的力学参数指标时,所考虑的纤维沥青受力状态都为初裂之前的状态。若发生沥青基体断裂或纤维脱胶,这些公式就不能使用。本文认为在确定纤维的最佳掺量时,应该以理论计算作参考,以室内实验结果作为主要依据,从实用性和经济性的角度出发,得出最佳的纤维用量。
3.结语
纤维长径比不宜过小和过大,需根据室内试验得出一个临界值,在实际施工中,所用纤维长径比应略低于此临界值,以确保纤维发挥其最大效用。
纤维的最佳掺量应该以理论计算作参考,以室内实验结果作为主要依据。不同类型纤维的最佳掺量有所不同,将纤维用量定在0.2%～0.25%时,其效益-成本比是最大的。
