剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能的改善

艾畅，阳汉，吴冷雷，王明辉，白桃*，张德育

1.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430074；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏南京 211167

剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能的改善

艾畅1，阳汉1，吴冷雷1，王明辉1，白桃1*，张德育2

1.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北武汉 430074；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏南京 211167

采用弯拉应变作为剑麻纤维高模量沥青混合料低温性能的评价指标，考察了剑麻纤维长度及其掺量对高模量沥青混合料低温性能的影响.同时，对剑麻纤维高模量沥青混合料的高温性能和水稳定性进行了验证.结果表明，在剑麻纤维掺量为0.3%条件下，纤维长度能够明显影响弯拉应变值；其中6mm长的剑麻纤维对高模量沥青混合料的弯拉应变值比不掺加剑麻纤维的高模量沥青混合料增幅高达123%.在剑麻纤维长度为6 mm的条件下，弯拉应变值随着剑麻纤维掺量的增大呈现出先增大后减小的变化趋势；其中0.3%掺量的剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能改善效果最为突出.此外，剑麻纤维的添加对高模量沥青混合料的高温和水稳定性能均有一定程度提升.

剑麻纤维；高模量；沥青混合料；低温性能

高模量沥青混合料可有效降低沥青混凝土的剪切变形，增强其抗变形能力.然而，模量的提高会相应降低其低温抗裂性能［1］.为满足实际需求，国内外进行了大量研究来提高沥青混合料的低温抗裂性能，其中掺加纤维等改性剂是较为有效的手段［2］.诸多学者分别研究了废尼龙丝［3］、玄武岩矿物纤维和PE改性剂［4］、聚酯纤维［5-6］、棉桔梗纤维［7］等纤维对普通沥青混合料及高模量沥青混合料低温抗裂性的改善作用.同时，程英伟［8］研究在不同掺量下剑麻纤维对沥青混合料的各项技术指标的影响，得出了剑麻纤维的最佳掺量.杨瑞华［9］通过试验综合确定了剑麻纤维的最佳用量，并进行了相关路用性能验证.

然而，掺加剑麻纤维到高模量沥青混合料中来改善低温抗裂性能的研究不多见.同时，剑麻纤维是一种绿色环保的可再生资源，具有质地坚韧、拉伸强度高、耐磨损、耐酸碱、抗腐蚀及耐低温等多种优点，其中经济性最为突出［10-12］.所以本文通过添加剑麻纤维到高模量沥青混合料中，对其低温性能拟开展相关研究，并对其高温性能以及水稳定性能进行验证.

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 沥青本研究选取沥青为70#基质沥青，所选沥青检测结果如表1所示.

表1 70#基质沥青检测技术指标Tab.1 Technical indices for70#bitumen

1.1.2 矿质混合料本研究采用的粗集料为辉绿岩，细集料为辉绿岩机制砂，填料为石灰岩矿粉.依照《公路工程集料试验规程》（JTG E42－2005）［13］所规定的方法对其进行力学指标的测试，试验检测结果如表2和表3所示.

表2 粗细集料检测技术指标Tab.2 Technical indices for both the coarse and fine aggregates

表3 矿粉检测技术指标Tab.3 Technical indices formineral filler

1.1.3 外掺剂本试验抗车辙剂为黑色颗粒状固体，可以大幅提高沥青混合料的高温抗变形能力.但是，抗车辙剂的掺加会导致沥青混合料的模量增大，从而导致沥青混合料低温抗裂性降低.所以，抗车辙剂的掺量不宜过多.一般情况下，沥青混合料中抗车辙剂掺量为沥青混合料质量百分比的0.3%～0.5%［14］，本试验所用抗车辙剂掺量为0.4%.

本研究选用的剑麻纤维是一种多细胞纤维，其单纤维细胞细长，端部渐尖，纤维壁光滑无特殊的节纹加厚，外观呈浅黄色.试验中通过手工裁剪，获得不同的纤维长度（4 mm、6mm、8mm），如图1所示.

图1 剑麻纤维图Fig.1 Image of sisal fiber

1.2 矿料级配

本试验采用沥青混合料AC-20级配范围［15］，同时借鉴美国Superpave级配设计方法避开“限制区”［16］，选取通过级配禁区上方级配作为本试验的目标级配.级配筛孔通过率如表4所示.最后采用马歇尔试验方法，确定出目标级配沥青混合料的最佳沥青用量为4.2%.

表4 沥青混合料AC-20级配范围Tab.4 Gradation range for AC-20 asphaltm ixture

2 结果与讨论

2.1 剑麻纤维高模量沥青混合料低温性能

评价沥青混合低温抗裂性能试验方法有很多，本文采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［17］（JTG E20－2011）低温小梁弯曲试验方法来评价高模量沥青混合料的低温抗裂性能，评价指标主要是弯拉应变.按照马歇尔试验确定试件的实测密度成型板式试件，然后将试验件切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，试验温度为-10℃，加载速率为50 mm/m in，在UTM-100材料试验机中进行小梁3点弯曲试验.

2.1.1 剑麻纤维长度影响本试验所用剑麻掺量拟定为相应沥青混合料质量百分比的0.3%，通过掺加不同长度的剑麻纤维（4 mm、6 mm、8 mm）分别进行低温小梁弯曲试验，以破坏应变为指标来探究不同长度的剑麻纤维对混合料低温抗裂性能的影响规律，试验结果如图2所示.

由于掺加的剑麻纤维的直径较小，在沥青混合料中均匀分散后会呈三向网状分布，这样可以阻碍裂纹的扩展，约束裂纹的进一步发展，使得沥青混合料的低温抗裂性能得以提升.掺入纤维后，同应变条件下承受的应力增大，基体材料初裂应变减少.从图2可以看出：掺加剑麻纤维后，沥青混合料最大弯拉应变有明显提升.其中，掺6 mm长的剑麻纤维沥青混合料弯拉应变增加幅度最大，达到123%.其他长度纤维的沥青混合料弯拉应变增幅在46%～49%之间.

通过现场试验观察，8mm长的纤维实验室拌合分散性较差，容易结块，不利于纤维分散构成空间网状结构.对比6mm和4mm剑麻纤维对沥青混合料低温性能增强效果可以看出，4mm长的纤维空间连接效果不如6 mm，其对裂纹扩展的阻滞作用偏低.当裂纹扩展时6mm长的纤维可以承受较大应力，当应力达到最大破坏应力时，还能维持一定的水平阶段，所以弯拉应变最大，效果最好.

图2 纤维长度与低温弯拉应变的关系Fig.2 Relationship between fiber length and bending strain of low temperature

2.1.2剑麻纤维掺量影响采用6 mm长剑麻纤维，调整其掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%.进行低温小梁弯曲试验，探究不同掺量对混合料低温抗裂性能的影响规律，试验结果如图3所示.

图3 纤维掺量与低温弯拉应变的关系Fig.3 Relationship between fibermass fraction and bending strain of low temperature

从图3可以看出：掺加剑麻纤维后，沥青混合料最大弯拉应变呈现增大后减小的趋势.这是由于随着纤维掺量的增加，其在沥青混合料中的分散性越差，而且会结团成束，不利于纤维分散构成空间网状结构，从而使得沥青混合料的低温抗裂性能下降.所以，本试验中0.3%掺量的剑麻纤维其分散效果最佳，对沥青混合料的低温抗裂性能改善效果最好.

2.2 其他路用性能测试

2.2.1 高温性能本文采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［17］（JTG E20－2011）中高温车辙试验来评价高模量沥青混合料的高温性能.由

2.1节可知，在6mm长0.3%掺量的剑麻纤维以及

4.2%油石比条件下，高模量沥青混合料的低温性能最佳.本节对此组合进行高温车辙试验，以动稳定度为评价指标，来验证其高温稳定性.分两组进行对比试验，其中A组为不加纤维，B组为掺加

6mm剑麻纤维，油石比均为4.2%，试验结果见表5.

表5 高温车辙试验结果Tab.5 Results ofhigh tem perature rutting test

从表5可以看出，添加剑麻纤维后动稳定度有所增加，且满足规范要求.由于掺加的纤维能够吸附并稳定沥青，能有效减少沥青在高温状态下的流动，使得沥青混合料的塑性变形减小，从而提高混合料的抗车辙能力.同时，纤维在混合料中呈三向网状分布，对混合料起到一种“加筋”作用，有效的阻碍矿料之间的滑移，减少变形的产生，从而提高了高温性能.

2.2.2 水稳定性能本研究选取冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性，评价指标主要是残留强度比TSR.同样选用上述A和B组合进行对比试验，试验结果见表6.

表6 冻融劈裂试验结果Tab.6 Resultsof freeze-thaw sp litting test

从表6可以看出，添加剑麻纤维后残留强度比有所增加，且满足规范要求.因为加入纤维后，其有效沥青膜厚度增大，有效阻碍了水对沥青的剥离作用，同时剑麻纤维表面粗糙，有众多竖向条纹，有利于提高与沥青之间的黏结性.

3 结语

在高模量沥青混合料中掺加剑麻纤维，采用低温小梁试验进行其低温性能改善试验研究，得到如下结论：

1）掺加剑麻纤维对高模量沥青混合料低温抗裂性能有明显提升，作用效果与纤维长度关联性比较强，以6mm长的剑麻纤维高模量沥青混合料低温抗裂性能增强幅度最大，其弯拉应变增幅高达到123%.

2）随着纤维掺量的增大，混合料的弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势，对于选定级配，6mm长0.3%掺量的剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能改善效果最佳.

3）掺加剑麻纤维对高模量沥青混合料高温性能以及水稳定性能均有一定程度提升.

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本文编辑：苗变

Improvement of Low Tem perature Perform ance of High M odu lus Asphalt Mixture by Sisal Fiber

AIChang1，YANG Han1，WU Lenglei1，WANG Minghu i1，BAITao1*，ZHANG Deyu2
1.SchoolofResource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.SchoolofCivil Engineering and Architecture，Nanjing Instituteof Technology，Nanjing 211167，China

The influences of the length and mass fraction of sisal fiber on the low temperature performance of high modulus asphaltmixture（HMAM）were investigated by selecting the bending strain as the evaluation index，and the high temperature performance and water stability of HMAM of sisal fiberwere also explored.The results demonstrate that the bending strain of the HMAM was significantly affected by the fiber lengthswhen the mass fraction of sisal fiber keeps at0.3%，and it increases by 123%compared to thatwith no sisal fiber as the length of sisal fiber is 6 mm.The bending strain of HMAM increases first and then decreases with the mass fraction of sisal fiber increasing when the length of sisal fiber keeps at 6 mm，and the sisal fiber with mass fraction of 0.3%possesses the best enhancement effect on the low temperature performance of HMAM.We also find that the sisal fiber can improve the performance of high temperature and water stability of the HMAM.

sisal fiber；highmodulus；asphaltmixture；low temperature performance

U416

Adoi：10.3969/j.issn.1674⁃2869.2017.01.012

1674-2869（2017）01-0069-05

2016-05-12

湖北省高等学校省级大学生创新创业训练计划项目（201410490019）；沥青路面结构特性与材料设计关联性的理论研究项目（201373113）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）（BK20140109）

艾畅，硕士研究生.E-mail：1512507609@qq.com

*通讯作者：白桃，博士，副教授.E-mail：2775531860@qq.com

艾畅，阳汉，吴冷雷，等.剑麻纤维对高模量沥青混合料低温性能的改善［J］.武汉工程大学学报，2017，39（1）：69-73. AIC，YANG H，WU L L，etal.Improvementof low temperature performance of highmodulus asphaltmixture by sisal fiber［J］.JournalofWuhan Institute of Technology，2017，39（1）：69-73.