浅析纤维沥青混凝土路面路用性能的合理性

摘 要：通过对沥青混合料掺加纤维的研究．系统分析了纤维增强沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性、抗疲劳性等路用性能，探讨了纤维增强沥青混合料的强度作用机理。结果表明：纤维对于增强沥青混合料是一种具有优良品质和发展前景的沥青路面材料

关键词：沥青混合料；纤维；路面性能

1引言

随着现代交通大发展，提高沥青路面使用品质，延长路面的使用寿命，成为当今世界各国道路发展主旨。自20世纪80年代以来，为适应现代重载交通对路面材料性能要求提高的特点及解决沥青路面早期破坏的问题，欧美一些国家就广泛开展了加强沥青材料的空用研究，并在纤维加强沥青路面方面做了大量工作

近年来我们采用如SMA路面技术、SBS改性沥青、橡胶沥青、钢纤维路面技术等方法。这些技术措施的应用对提高路面品质具有一定成效，但也存在一些问题。如加大了施工工艺要求、增大了工程综合造价等。因此，选用更符合我国国情的路面新材料、新工艺、新技术既可保证提高路面品质，又不过多提高工程造价，而且施工工艺简单易行，是应该进行认真探究的。因此，在纤维改善沥青混合料路面性能上出现了两大研究方向，一是钢纤维，二是软纤维如聚合物纤维、玻璃纤维、木质素纤维。

2路面材料的选择与应用

美国联邦公路局1996～2000年科研计划是以发展新技术、应用新材料、改善道路性能为原则的，其中就有两项科研项目是关于材料和路面结构的。我国在《中国土木工程学会2004年重点学术会议计划表》也将钢纤维、合成纤维的混凝土应用列入《第十届纤维混凝土学术会议》中研究探讨。

自1998年以来“加强纤维”在我国很多地方的公路建设中广泛应用，经调研应用效果良好，如新疆地区昼夜温差大，在沥青混凝土中掺加“加强纤维”后抗高温、低温性能明显加强；南京长江二桥的业主为了保证路面在正常使用条件15年内不大修，多方考察下在21公里的道路、引桥的路面面层中全部加入“加强纤维”；河北石黄高速公路内蒙古210国道新建工程也采用这种材料，据业主介绍，应用效果均达到技术要求，而施工工艺与不加纤维时基本相同。经过“马歇尔试验”、“车辙试验”、“低温弯曲试验”等试验结果表明，掺加“加强纤维”后，确实提高了高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性等路面性能，有效的提高了沥青混凝土路面质量。

3加强纤维的路用性能分析

本文以钢纤维和软纤维（聚合物纤维、木质素纤维）为例，通过沥青混凝土掺加“加强纤维”的一些工程实例和试验结果分析，显示“加强纤维”对改善路用性能有其良好的效果，并把有关试验结果汇总如下：

3.1高温性能的改善的比较

（1）因马歇尔实验的稳定度可在一定程度上反映出沥青混合料的高温稳定性能，比较沥青混合料在纤维掺加前后的稳定性能。结果表明：

钢纤维沥青混合料，在掺加1％～5％钢纤维的沥青混合料马歇尔稳定度从5KN增加到8.0KN～9.4KN，提高了60％～80％。掺量越多，效果就越显著。木质素纤维沥青混合料，在掺加0.3％木质素纤维的沥青混合料马歇尔稳定度从9.35KN增加到11.12KN，提高了18.9％。聚合物纤维沥青混合料，在掺加0.3％聚合物纤维的沥青混合料马歇尔稳定度从9.35KN增加到12.68KN，提高了35.6％。可见，聚合物纤维沥青混合料马歇尔稳定度比木质素纤维沥青混合料马歇尔稳定度有所提高；相对软纤维来讲，钢纤维沥青混合料马歇尔稳定度值要有一定的提高。

（2）国内外研究表明，抗车辙性能可以直观的反映沥青混合料的高温性能。掺钢纤维的沥青混凝土的高温60℃动稳定度D.S明显提高，在掺加1％～5％钢纤维的沥青混合料的动稳定度D.S从900次／min增加到1850次／min～3520次／min，提高了l～3倍。掺量越多效果越显著。掺加0.3％木质素纤维的沥青混凝土的高温60℃动稳定度D.S从1200次／min增加到3150次／min，可提高约3倍。掺加0.3％聚合物纤维的沥青混凝土的高温60℃动稳定度D.S从1200次/min增加到3960次／min，可提高约4倍。后两者比较可以得出，聚合物纤维对沥青混凝土的抗车辙效果优于木质素纤维的掺加沥青混凝土；相对软纤维而言，钢纤维沥青混合料抗车辙效果要有一定的提高。综上，在软纤维中，聚合物纤维对沥青混凝土的高温稳定性能优于木质素纤维的掺加沥青混凝土；相对软纤维而言，钢纤维沥青混合料高温稳定性能要有一定的提高。

3.2低温抗裂性能的改善比较

国内外有关沥青路面低温开裂研究认为，沥青混合料的低温劲度模量能反映低温抗裂性能。通常采用直接拉伸法试验测定沥青混合料的直接抗拉强度及相应的劲度模量。从20℃钢纤维沥青混凝土直接拉伸法试验结果表明：在掺加l％～2％钢纤维后，沥青混凝土的抗拉强度从3.92MPa增加到5.89MPa，沥青混合料的劲度模量降低了50％～54%；极限应变从0.16增加到0.24，增加了50%；从低温收缩系数实试验可知，掺加1％～3％钢纤维后，沥青混合料的平均线收缩系数降低了10%～16%，可见掺加钢纤维后沥青混合料的低温收缩变形有所减少。掺加钢纤维后沥青混合料，因钢纤维的阻裂增强作用（钢纤维的一般抗拉强度为600MPa～1000MPa)，其跨越裂缝两边，使钢纤维于裂缝两边的混凝土之间的黏结力起着约束裂缝的作用。因此，使钢纤维能推迟和延缓裂缝的产生。

按照我国提出的沥青混合料低温性能评价方法――低温弯曲破坏试验来评价沥青混合料的低温抗裂性。结果得出：掺加聚合物纤维后的沥青混凝土的极限拉应变约增大2.8%，抗裂强度于约增大15%。木质素纤维混合料在添加纤维后对沥青混合料的低温抗裂性有所改善，因纤维本身具有抗拉能力，使其在沥青混合料中起加筋作用，因而可以改善低温抗裂性，但效果并不显著结合三者在试验中的结果和实际工程可知，三者在不同程度上改善了沥青混合料的低温抗裂性能，钢纤维对沥青混合料低温抗裂性能的作用优于聚合物纤维和木质素纤维，这决定于钢纤维特有的高强度、抗弯拉的特性。

3.3水稳定性的改善比较

目前，我国常用的评价水稳定性的指标采用马歇尔试验下的沥青混凝土残留稳定度。马歇尔试验结果表明：掺加聚合物纤维后沥青混凝土残留稳定度比不掺加纤维的原样沥青混凝土残留稳定度提高4%～8%，说明掺加聚合物纤维后，沥青混凝土水稳定性得到较大改善。而加入木质素纤维的沥青混凝土的残留稳定度提高了5%～9%，这使由于木质素纤维质地疏松，表面粗糙，成多孔性，多侧向分支，对沥青吸附性强，导致吸附在矿料上的沥青膜变厚，并减少了自由沥青含量，提高沥青与集料的黏结力，加强沥青混合料中沥青与集料形成的界面膜抵抗水剥落作用的能力，因而，添加木质素纤维的沥青混合料表现出较高的残留稳定度，因此抗水害能力增强。对于钢纤维沥青混合料，因其活性较强，易受混凝土酸碱性环境影响，在湿气影响下反而易锈蚀，影响其路用性能。从试验数据和性能分析可得出，木质素纤维对沥青混凝上的抗水损坏性能是效果较好的。

3.4抗疲劳性能的改善比较

在研究沥青混合料疲劳耐久性方面，J积分方法得以广泛应用。试验可采用美国产的MTS电液伺服机上实现，控制方法采用控制加载应力的加载模式。试验结果显示：加入0.3％木质素纤维，疲劳寿命提高了0.6倍左右；而加入0.3％聚合物纤维的改善效果更明显，疲劳寿命提高了15倍。聚合物纤维由于其良好的抗拉强度及其分散纤维数目庞大，能够在最大限度上延缓材料的破坏进程，因此对沥青混合料疲劳性能的改善要优于木质素纤维。对于钢纤维，从路面力学抗疲劳破坏角度考虑，希望沥青面层的抗弯拉强度较大，而弯拉回弹模量尽可能小。为此，掺加钢纤维1％～3%，0℃沥青混合料抗弯拉强度提高51％～59%，相应回弹模量仅提高1％～6%，钢纤维混合料抗弯拉强度明显提高，而弯拉回弹模量提高不大。纤维对沥青混合料疲劳性能的改善可用裂缝发展原理于银纹理论解释。银纹指的是材料表面和内部的一些缺陷在受到应力集中时引发的细微纹痕，当形变进一步发展时，取向伸直的纹裂发生断裂，就转化为微裂缝，重复荷载的作用下，微裂缝发育成熟，最终引起断裂破坏对纤维沥青混合料，在银纹转化为裂缝时，界面处存在大量的纤维，从而阻碍了裂缝的进一步扩大发展，同时吸收和消耗了混合料断裂所需要的能量；银纹发展时，纤维会使银纹转化或支化，减慢裂缝产生的速率，延缓材料的破坏过程；这些过程的协调作用，大大提高了沥青混合料的疲劳耐久性，但是，由于沥青用量的降低，所以当应力水平较高时，加纤维沥青混合料的疲劳性有一定下降。

综上，沥青混凝土的加强筋纤维应承受大幅度温差和荷载冲击引起的拉伸力，聚合物纤维和钢纤维都具有很高的拉伸强度，但聚合物纤维易于过早断裂，导致其疲劳性能会不及钢纤维。

4纤维在沥青混凝土中的作用

4.1加筋作用

沥青混凝土是一种靠沥青粘合在起的散料组合体，可以认为是不承受拉应力的。而在纤维沥青混凝土中，纤维的作用等同于钢筋混凝土中钢筋的作用，可承受拉应力纤维通过与骨料的咬合作用，形成较大的摩擦角，同时加上沥青胶浆的粘聚作用，将基体的拉应力传递给纤维，并主要由纤维来承担。纤维在混合料中以三维分散存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料之间的粘结力。

4.2吸附和吸收沥青的作用

沥青混合料中加入纤维稳定剂后，这些纤维能够充分吸附（表面）及吸收（内部）沥青，从而使沥青油膜用量增加，沥青油膜变厚，以加强沥青混凝土在大空隙情况下的粘结力，增强耐久性。其主要用于低噪音、抗滑性能好的沥青碎石玛蹄脂类混合料

4.3稳定作用。

纤维使沥青膜处于比较稳定的状态．尤其是在夏天高温季节，沥青受热膨胀时，纤维内部的空隙将具有一定的缓冲作用，不至于使之成为自由沥青而泛油，同时可以改善沥青混合料的高温稳定性。

4.4增粘作用。纤维可以提高沥青的粘结力，增加沥青与矿物的补附性，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，从力学性能上看，表现为沥青混合料的马歇尔稳定度的提高。

4.5阻裂作用。近代胶浆理论认为，沥青混凝土是以沥青为唯一连续相的多级空间网状结构的分散体系，因此沥青的破坏将意味着结构体系的破坏。但在纤维增强沥青混凝土中，纤维网作为更强大的第二连续相在沥青破坏时仍能维持体系的整体性，将会在一定程度上阻止基体破坏的扩展。

4．6增韧作用。纤维能够增强对集料颗粒的握裹力，保证沥青路面的整体性而不易松散，提高了混合料的低温抗裂性，从而对沥青起到了增韧作用。

综上所述，纤维对提高沥青混凝土路面性能的作用主要体现在以下几个方面：（1）减少或延缓反射裂缝的出现；（2）提高路面抗车辙的能力；（3）提高沥青路面疲劳寿命；（4）提高沥青路面的高温稳定性；（5）增强沥青路面的低温抗裂能力；（6）减少沥青路面的水损坏；（7）减薄沥青路面的厚度。

5纤维混凝土的施工工艺

由于掺加加强纤维的沥青混合料中原材料要求与不掺加纤维时相同（矿料一般为碎石、砂、矿粉），所以施工工艺与不掺加纤维时基本相同，只是在搅拌机中加入集料的同时，按要求的掺加量将纤维加入到搅拌机中关键是选择一种合适的方法使纤维均匀地分散在沥青混合料中。

聚合物施工时可不用开包整袋投人，先与集料干拌30秒，然后再加入沥青湿拌30秒（具体拌和时间以纤维裹附良好为准）。木质素纤维施工时，若采用向连续式拌和机或间歇式拌和机添加纤维设备，成包的纤维装人纤维添加设备料斗中后，首先被螺旋升送器打散，采用风动原理使纤维充分分散。钢纤维施工时，现场采用滚筒式连续沥青混合料拌和机，将钢纤维按设计用量直接投入在矿料传送带上，而原拌和工艺不变。

6纤维的优缺点分析小结

1、聚合物纤维对沥青混合料在感温性、耐疲劳方面的改善还是较好的。但其造价最高，单位质量纤维根数最多，用量最少，一般情况下，木质素纤维用量为沥青混合料的3%，聚合物纤维只需0.1％。

2、木质索纤维沥青混合料具有很强的抗水损坏能力。但混合料的最佳沥青用量会增加0.1％～0.3％。而且木质素纤维在运输存储过程中容易吸潮，成团结块，影响其使用效果

3、钢纤维在抗高温性，抗裂性，耐疲劳等方面表现都很好但其金属腐蚀是影响其路用性能的根源；其次金属与混凝土的不相容性，使其与混合料的黏附性较差；另外就是后期效应“凸尖现象”

4、施工方面来讲，能否将纤维均匀分散在沥青混合料中是纤维能否发挥性能的关键

7结语

钢纤维、聚合物纤维、木质素纤维在不同程度上改善了沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗疲劳性等路用性能。从我国目前尚缺质量标准的情况下，选择品种主要还是从施工性能、混合料使用性能、成本等方面进行比较合理选择纤维，使其在提高路面品质方面发挥其应有的作用。