纤维沥青混凝土在路面工程中的应用

时间：2024-08-31

何延刚

郑州市市政总公司（450000）

目前国内的高等级道路大多数采用半刚性基层,因为半刚性材料有较高的强度和良好的稳定性,延长了道路的使用寿命,但随之却在使用早期出现比柔性基层沥青路面多而频繁的裂缝，这些裂缝的出现，尤其是反射裂缝，会使水渗入路面路基结构，减弱其整体结构强度，还容易引起沥青表面层较快地出现龟裂。因此，防止裂缝的相应措施已成为道路工作者关注的重点,其中采用改善面层材料性能来提高路面抗裂能力的方法越来越受重视。在沥青混凝土中加入纤维，改善沥青混凝土的技术性能,有效地提高沥青混凝土路面的使用寿命，在经济上合理，技术上可行，在公路沥青路面建设工程中具有广阔应用前景。本文对纤维在混凝土中的影响、纤维的技术指标及纤维的作用机理,对纤维沥青的高温稳定性、疲劳耐久等多种路用性能进行分析,并对沥青混凝土施工工艺进行了探讨。

1 纤维对沥青混合料的影响分析

纤维的加入会影响沥青混合料性能,对混合料有着加筋与阻裂的作用。研究表明，纤维的类型、长度、细度、纤维在混合料中的质量百分比（纤维剂量）及纤维的分散特性均对纤维沥青混合料有着明显影响。纤维掺加量不同，则纤维在混合料中的分散程度、有效比表面积、对混合料的加强效果等方面均不相同。

1.1 最佳沥青用量

纤维剂量的增加,将使沥青混合料的最佳沥青用量增大，这是因为纤维的加入如同填料一样，需要更多的沥青包裹在纤维表面，纤维含量越多，纤维的比表面越大，吸附沥青也越多，最佳沥青用量也增加。但随着纤维剂量的增大，最佳沥青用量的增大速率减缓,达到一定剂量时最佳沥青用量增加不多或不增加。由此可知，纤维加入有合适剂量，并非纤维越多越好。

1.2 密度

纤维的相对密度均较小，一般小于1.4，比矿料的密度小得多,体积也较疏松，纤维加入混合料后要占用一定的空间，因此在相同的压（击）实功，沥青混合料的密度值反而会下降，纤维剂量越大，密度下降越多。

1.3 稳定度和流值

尽管人们认为马歇尔稳定度和流值作为高温性能指标不太合适,但现行标准中仍采用它作为沥青混合料高温性能的一种控制指标。马歇尔稳定度是马歇尔标准试件在60℃和加载速率50mm/min条件下,沿试件直径方向垂直破坏荷载的最大值；而流值是该最大破坏荷载时试件的垂直变形。前者反映了试件抗破坏性能,而后者一定程度上可以表明试件中自由沥青的含量和试件的抗变形能力。

随着纤维剂量的增加，混合料的稳定度有不同程度的增加,但当超过一定剂量后反而又有所下降。纤维剂量较小时，分散较均匀，且有加强作用，稳定度也有所增加；但较大的纤维剂量下，其分散性受限制，当马歇尔稳定度值随纤维剂量增加到一定值后反而有所降低。

众所周知，流值同沥青用量关系密切，且侧面反映了试件的抗变形性能，尤其是当荷载达到破坏荷载后，其变形值能稳定在某一固定值时的持久性更能体现沥青混合料的抗变形特征。流值有随纤维剂量增大而递增的趋势，混合料中的沥青也较多，同时，纤维加入可有效增强混合料的抗变形能力。实验中，我们观察到没有纤维的混合料均较脆，在最大破坏荷载时立即劈裂开或松散;而纤维混合料试件在最大破坏荷载时，若不仔细分辨，似乎仍保持完好。且可见到其裂缝面上有部分纤维从中被拔出。

1.4 空隙率和矿料间隙率（VMA）

纤维剂量较小时，拌和虽较均匀，但沥青用量比在普通混合料中有所增加，在较高的沥青用量下，其纤维沥青砂浆可充分填充到矿料间，使得剩余空隙率比高剂量时要小；相反在高剂量下，因拌和均匀性受限，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，但仍留下较大的空隙。如前面所述,纤维加入要占一定空间，且在纤维的弹性效应作用下，用相同的击实功击实时，其密实过程受到阻碍，故纤维加入后空隙率均有增大趋势，且随纤维剂量增大而增大。

矿料间隙率（VMA）包括沥青体积百分比和剩余空隙率，前文已述沥青用量随纤维计量增加而增加，而空隙率增大，所以矿料间隙率也是随纤维剂量的增加而增大的，尽管VMA增大，但VMA变化不大，这表明纤维加入后，有效沥青膜厚度有所增大,这有利于混合料的低温和耐久性能。

总之，纤维加入后，最佳沥青用量增加，密度降低，空隙率与VMA增大，马歇尔稳定度就视纤维加强作用和纤维分散性能而定，流值均有增大趋势。

2 纤维在沥青混合料中的作用

2.1 吸附沥青能力

木质素纤维吸附沥青能力最好,在170℃以上的高温下，所吸附的沥青才会析出,而其他纤维只要在120℃～130℃就会析出。相比较而言，木质素纤维可持沥青能力最好，其次是石棉纤维和玻璃纤维,而三种有机纤维可持沥青能力相似。纤维吸附沥青的能力大小主要与纤维的表面粗糙程度、比表面积的大小、纤维的组成结构等因素有关。有人认为纤维吸附沥青较多但没形成有效的沥青膜，造成沥青浪费，成本提高，易使混合料变脆；而另外的人认为纤维可持沥青能力与混合料的自由沥青析漏有关，这是有利的。实际上，这应根据混合料类型而定，SMS、OGFC等结构中主要是防止沥青析漏，如常用木质素纤维和石棉纤维等，而其他普通混合料结构主要采用加筋效果好的聚酪纤维和聚丙烯腈纤维较好。

2.2 改善沥青力学性能

各种纤维均可以改善高温性能、低温抗裂性、耐水性和耐疲劳特性，总体来看，聚脂纤维和聚丙烯腈纤维等有机纤维综合改善性能较好，石棉纤维改善效果也不错，但对环境有污染。

2.3 与混合料的混合与粘结

不论哪种纤维均需与沥青的粘结要好,只有其粘结强度高，才能保证纤维在受拉时不会被拔出，同时，将混合料内产生的拉应力通过纤维进行传递，起到桥接与阻裂作用。因此，纤维的桥接与粘结将是选择纤维的又一重点。

2.4 纤维自身的强度和模量

据复合材料理论，纤维自身强度太小，不利于混合料总体强度的提高；若纤维自身强度和模量过大，与沥青混合料的界面强度不匹配，对短纤维而言，其纤维与混合料结合处的剪切应变不协调，反而会出现应力集中现象，从而使混合料总体强度下降。

3 纤维沥青混合料的增强机理分析

3.1 桥接阻裂作用

当混合料在外力作用下产生裂缝时,均匀分散的纤维在裂尖处起到了桥接作用,从而有效阻止了裂纹的产生和发展。同时在外力作用下颗料性材料间会产生错位与滑移，大的滑移受阻后，使纤维可将单轴应力转移到其它基体上，从而使应力分布扩散更均匀。

3.2 界面增强作用

纤维材料由于其较大的比表面积,使得沥青中的油分被吸附，相当于沥青相对增多，从而使沥青表面的粘度增大，粘附力更强。同时，沥青与纤维间产生的物理和化学吸附、扩散与键合作用下，使得结构沥青膜厚度增大，这样使得纤维沥青相与矿料相之间的界面效应增强,从而有效降低了结构的破坏危险。

3.3 纤维的稳定作用

混合料高温变形能力差,同沥青粘结强度下降迅速有很大关系,而传统混合料在高温下沥青会在结构内产生流动与集中，更进一步加大了其高温变形性能。而纤维加入后，可明显阻止沥青的流动。

3.4 纤维的增韧阻裂性能

纤维的模量值和延伸变形能力很强,当路面产生裂缝时不致于松散破碎。纤维的分布均匀性是纤维沥青混合料中纤维增强效果的关键。纤维强度与界面粘结强度比应适中，否则会产生增而不强现象。纤维沥青混合料中若纤维强度过高，与基体的粘结强度不协调，往往纤维会被拔出；纤维强度过低，起不到增强作用。由于矿质级配不同，使得纤维增强基体的性能差异也较大,矿料的选择应同纤维类型选择相结合。一般在较细的矿质级配中纤维的作用效果较明显，但级配过细，基体的整体强度又偏低，如何协调这一矛盾，在设计和纤维选择时至关重要，应充分考虑。