聚酯纤维对沥青混合料抗车辙性能的改善作用

【摘要】车辙是沥青路面最主要的病害之一，笔者从聚酯纤维吸收沥青、加筋、稳定沥青、增粘、增韧、阻裂六个角度分析了其对沥青混凝土高温抗车辙的改善机理。

【关键词】沥青路面；聚酯纤维；高温抗车辙性能

沥青路面高温稳定性不足，容易导致路面出现车辙、推移、拥包、搓板等破坏新形式。车辙是沥青路面的主要病害形式之一。严格地讲，沥青路面的泛油也属高温稳定性的范畴[1]。一些国家将车辙限制在一定的范围内，一旦车辙达到规定的深度，就应采取措施，如英国、美国、日本等均有各自的标准。二十多年来，各国在这方面做了不少工作，总结了许多路面材料的永久变形规律，对控制车辙做出了巨大贡献。目前国内外主要通过添加抗车辙剂，改善混合料的级配设计，增加沥青面层厚度等方面来改善沥青路面的高温抗车辙性能，但效果都不是很明显，大量研究表明聚酯纤维的添加能够提高其高温性能。许多室内试验及实体工程研究都已经表明[1，2]，在沥青混合料中添加纤维不仅能够有效提高其高温稳定性以及低温抗裂性能，同时在延长道路的使用寿命等方面均会产生良好的改善效果。而作为添加剂使用与沥青混合料中，路用纤维本身必须具备自身的特殊性质，以适应具体道路的使用条件以及环境的特殊性，只有这样才能更好的发挥纤维改善混合料性能的效果。本文在前人研究[1-3]的基础上，探讨聚酯纤维对沥青路面高温性能的改善机理，为以后的工程应用提供借鉴。

1纤维在沥青混合料中的作用机理

路用纤维的添加能够起到稳定混合料中沥青的作用。裹附在集料表面的沥青在纤维的作用下，能够处于比较稳定的状态，特别是在炎热夏季高温环境中，由于沥青是一种粘弹性体，集料表面的沥青受热膨胀，沥青变软，粘性增强，流动性增大，纤维内部的空隙率为沥青的流动提供缓冲空间，约束沥青的自有流动，从而防止沥青路面泛油病害的产生，进而提高沥青混合料的高温稳定性能，增强沥青路面的高温抗车辙性能。沥青混合料的高温稳定性在一定程度上能够通过传统马歇尔室内试验的稳定度和流值两个指标体现出来。但因为试件成型条件及其它的试验条件与实际路面情况相差较大，因此较少用于评价沥青混合料的高温性能。例如路用纤维的添加能够提高混合料的稳定度，但流值也会同样增加，因此如果通过马歇尔模数来评价混合料的高温性能并不能出现规律性的结果，这与沥青路面的实际使用情况不符。

利用纤维沥青混合料进行车辙试验时，试验初期具有较快的车辙发展速率，这主要是由于路用纤维具有较高的模量和回弹变形能力，纤维的添加使得混合料在外力作用下会出现恢复性变形，因此混合料就更难于压实，从而降低压实度，在相同压实功下，一般情况下纤维沥青混合料的压实度低于普通混合料。在车辙试验的初始阶段，由于车辙主要由压密型车辙构成，因此，纤维沥青混凝土的车辙发展速率明显快于普通沥青混凝土；但到试验后期，随着压密过程的逐渐完成，路用纤维高模量、高弹性及稳定沥青的特点开始发挥作用，这个阶段中纤维混合料的车辙深度发展速率逐渐降低并趋于平缓，所以混合料具有较高的动稳定度，沥青路面的抗车辙性能较强。这主要是因为沥青在高温环境下变软，粘性增强，沥青膜中的部分沥青逐渐表现出流塑性成为自由沥青，此时混合料中的纤维所具有的内部空隙能够有效吸收这部分自有沥青，从而起到稳定沥青，防止沥青路面泛油，提高高温稳定性能的作用；其次，纤维的“桥链”作用通过吸收沥青的溶胀作用而得到更好的发挥，有效地增强混合料的抗剪能力；再者，纤维在混合料以网状结构形式存在，起到嵌锁作用，能够有效阻止集料的相对滑移，但这种嵌锁作用随着集料颗粒的增大而减小[1-3]。

路用纤维的直径通常在20μm以内，因此具有相当大的比表面积，纤维的单位表面积能够达到数平方米以上。混合料中纤维所具有的巨大表面积能够有效的浸透沥青，在纤维界面上能够吸附大量的自由沥青，从而在纤维表面形成一个新的有一定厚度的相，叫做界面层[1-3]。而沥青与纤维两相的性质共同决定了界面层的结构及性质，其作用主要是连接两相并传递、缓冲两相间的应力，但界面层的作用效果是影响整个纤维沥青混合料的物理、力学性能的关键因素。而路用纤维的分子排列、化学性质以及沥青的分子结构与化学元素组成是影响界面层性质的关键因素。

由酸性树脂组分形成的具有牢固结合力的结构沥青界面层与其它自由沥青界面层相比，具有粘度大，温度敏感性低，耐热性好等特点。因为纤维直径纤细，可与周围结构沥青一起很好地裹覆于集料表面，有效增大集料表面的沥青膜厚度。而混合料的孔隙率随着沥青膜厚度的增大而减小，因此较厚的沥青膜厚度能够减慢了沥青老化速率，能够使沥青的粘弹性保持较长的时间，温度敏感性降低，最终达到改善了沥青混合料高温及低温性能的目的。

综上所述，聚酯纤维对沥青混合料中的路用性能的改善作用可以归纳为以下几点[1-3]：

①吸收、吸附沥青作用 纤维稳定剂的添加能够充分吸附沥青混合料（表面）及吸收（内部）沥青，从而有效增加集料表面的沥青油膜用量，增加沥青油膜厚度，从而达到提高大空隙情况下沥青混合料的粘结力，增强耐久性的目的。

②加筋作用 沥青混合料是以沥青为粘合剂粘合而成的散料组合体，因此几乎能够认为是不承受拉应力的。混合料中的纤维以网状结构形式存在，起到了加筋以及嵌锁作用，能够显著增加沥青与矿料的粘附性，有效增强集料之间的粘结力。与钢筋混凝土中钢筋的作用相类似，纤维沥青混凝土中的纤维同样可承受拉应力，增强抗裂性能。纤维通过与骨料的咬合作用以及沥青胶浆的粘聚作用，能够形成较大的摩擦角，最终将混合料所受到的拉应力传递给纤维承担，提高低温及抗剪性能。

③稳定沥青作用 路用纤维的添加能够起到稳定沥青膜的作用，尤其是在炎热的夏天高温季节，沥青受热膨胀形成自有沥青，纤维内部的空隙能够吸收部分沥青，防止沥青路面泛油病害的产生，从而改善沥青混合料高温稳定性，提高抗车辙性能。

④增粘作用 沥青混合料中的纤维能够提高沥青的粘结力，使得沥青与矿物的粘附性得到显著增强，并且通过油膜的粘结作用，提高集料之间的粘结力，提高抗剪性能。

⑤阻裂作用 因为存在于沥青基体内的短纤维的三向分布是随机、无规律的，且数目众多。因此，会有大量的短纤维存在于混合料中的小裂纹周围甚至内部，延缓甚至防止混合料的开裂，最终提高沥青路面裂纹的自愈能力，降低裂缝病害的发生概率。

⑥增韧作用 沥青混合料中的纤维能够增强沥青对集料颗粒的握裹力，提高沥青路面的整体性，增强混合料的低温抗裂性，从而达到对沥青路面的增韧作用。

2结语

纤维用量并非越多越好，存在一个最佳掺量，使得纤维充分分散开并对沥青起到吸附、稳定作用。当纤维用量过大时，那些分散不均匀，绞结成团的纤维非但不能发挥作用，反而会影响沥青混合料的压实，并减小矿料之间的粘结力，出现高温稳定性下降的现象。根据聚酯纤维对沥青混凝土性能的增强机理分析认为，适量掺加聚酯纤维可以改善沥青混凝土路面高温性能，提高路面抗车辙的能力；增强沥青路面的低温抗裂能力，减少或延缓反射裂缝的出现；提高沥青路面疲劳寿命。

参考文献

[1] 张远航. 聚酯纤维沥青混凝土路用性能及应用研究D]. 重庆： 重庆交通大学 2007

[2] 陈华鑫. 纤维沥青混凝土路面研究[D]. 西安：长安大学硕士论文，2002.

[3] 鲁华英，陈小丽，郭彦章，等.纤维沥青混凝土的作用及机理[J]. 中外公路，2004.8：143-148

作者介绍：王睿姝（1979-），女，白族，云南大理人，工程师，主要从事路桥工程的建设工作。单位：重庆交通大学。