DolanitAS纤维在SMA沥青混合料中的路用性能研究

时间：2024-08-31

关志深，曾俊标

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064；2.广东华美加工程顾问有限公司，广东广州 510627)

0 引言

Dolanit AS纤维是一种新型的沥青路面专用增强纤维，它具有强度高、耐腐蚀、不溶解，吸附性强，在溶剂中不膨胀，化学性质稳定等诸多优点，可提高路面的柔韧性，减少高温车辙、低温开裂等，从而延长了路面的使用性能寿命。本文将通过对不同掺量Dolanit AS纤维及掺量0.3%的木质素纤维进行比较分析，确定适用于SMA—13混合料的Dolanit AS纤维掺量。

1 Dolanit AS纤维机理分析

DolanitAS纤维是一种有机合成的聚丙烯腈纤维，当添加到沥青混凝土中时，它不仅仅是稳定添加剂，更能改善胶体的结构，起到加强筋的作用。其主要作用表现在以下方面：

a）吸附作用 Dolanit AS纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面，可以充分吸收沥青，使集料表面的沥青膜厚度增大，有利于减缓沥青老化；

b）稳定作用在沥青混合料中，纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，使沥青混合料的粘滞性增强，沥青软化点提高，有效地提高了高温稳定性，而且在高温季节，沥青受热膨胀时，纤维内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青泛油，对高温稳定性也有作用；

c）加筋作用在混合料中纤维是三维随机分布的，由于数量众多而且强度高，分布极为广泛，对混合料的开裂起到阻滞作用，从而提高沥青路面的强度和裂纹自愈能力，减少裂缝的出现；

d）分散作用如果没有纤维，用量颇大的沥青矿粉可能成为胶团，不能均匀地分散在集料之间，纤维可以使胶团适当的分散；

e）增粘作用由于纤维吸附沥青，增强了沥青对集料颗粒的握裹力，通过油膜的粘结，提高集料之间的粘结力，保证沥青路面的整体性而不易松散，使道路施工质量得到改善。

2 原材料性能

本文研究采用泰普克SBS类Ⅰ—D型改性沥青，粗、细集料均采用辉绿岩碎石，矿粉由石灰岩磨制而成，水泥采用普通硅酸盐水泥。上述原材料质量指标均能满足相应规范中的要求。

3 试验方案

SMA—13沥青混合料的设计级配见表1，按掺加0.2%、0.25%、0.3%、0.35% Dolanit AS纤维及掺加0.3%木质素纤维五种方案，统一采用泰普克SBS类Ⅰ—D型改性沥青进行试验比较。

表1 SMA—13沥青混合料矿料合成级配

4 试验结果分析

4.1 马歇尔试验结果分析

按照现行规范规定要求进行马歇尔试验，各纤维不同掺量下的沥青混凝土马歇尔试验结果见表2，不同纤维及掺量与马歇尔稳定度的关系如图1所示。

表2 不同纤维掺量下沥青混凝土的马歇尔试验结果对比

图1 不同掺量纤维沥青混合料的马歇尔稳定度

由表2可以得出，随着Dolanit AS纤维掺量的增加，纤维加筋沥青混合料的最佳油石比逐渐增加，尽管Dolanit AS纤维对沥青有一定的吸持能力，但其吸油性能较低，纤维掺量从0.2%增加到0.35%，最佳油石比仅增加了0.13%，Dolanit AS纤维对沥青的吸油率为1.2∶1。受木质素纤维较强吸油性特点的影响，其油石比较同比例掺量的Dolanit AS纤维沥青混合料略有增加。

由图1可知，SMA—13型沥青混合料中掺加Dolanit AS纤维后，纤维用量为0.25%和0.3%时马歇尔稳定度相差较小，但纤维用量增加到0.35%时，马歇尔稳定度迅速降低，以0.3%掺量的马歇尔稳定度最高。木质素对马歇尔稳定度的改善效果低于Dolanit AS纤维，掺加同比例（0.3%）的纤维时，木质素纤维的马歇尔稳定度约为Dolanit AS纤维的94%。这是因为Dolanit AS纤维长径比较大、根数极多、纤维本身模量高，纤维传递和分散荷载的能力强。此外，在同一级配条件下，混合料中掺加的纤维会吸收和吸附一部分自由沥青，尤其是吸收了沥青组成物质中的轻质组分，也即增加了沥青中沥青质的含量，沥青质含量的提高有助于提高沥青混合料的强度与稳定性。另一方面，由于纤维吸收了部分沥青，如无沥青补充这一部分损失量，将增加混合料的空隙率，降低使用品质，因此应适当增加沥青用量，保证混合料具有足够的密实性，降低空隙率，增强粘聚力，从而提高稳定度值。

4.2 高温稳定性研究

本文高温稳定性研究采用车辙试验，按照规范规定的要求进行车辙试验研究。除了采用动稳定度评价沥青混合料的高温稳定性以外，对车辙试验过程中的早期车辙变形量、车辙变形的时间累积两个指标也进行了相关评价，以期全面考察Dolanit AS纤维对沥青混合料高温抗变形能力的改善效果。车辙试验结果见表3和图2。

表3 不同纤维掺量下沥青混凝土的车辙试验结果对比

图2 不同纤维掺量下沥青混合料的车辙深度（变形量）

从图2可以看出，掺Dolanit AS纤维沥青混合料的早期车辙深度比不含纤维和掺加木质素纤维沥青混合料的车辙深度都要小。这表明Dolanit AS纤维的加入不仅有效地阻止了沥青混合料的高温变形，还对抵抗沥青混合料的早期再压密变形有一定的贡献。

由表3可以看出，尽管按车辙的时间累积数值评价沥青混合料的高温稳定性与动稳定度评价结果一致，但采用车辙的时间累积数值评价时，掺加0.2%～0.3%的Dolanit AS纤维的沥青混合料的高温抗变形能力是未掺加纤维的1.6～2.0倍，掺加0.3%的木质素纤维沥青混合料的动稳定度是未掺加纤维的1.14倍，即相对于采用动稳定度指标而言，对车辙试验采用车辙变形的时间累积指标作为综合评价混合料高温稳定性的依据时，掺加Dolanit AS纤维的沥青混合料的高温稳定性比未掺加纤维的沥青混合料有了更大的提高，而掺加木质素纤维的沥青混合料则相反。

4.3 水稳定性研究

本文主要采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价纤维沥青混合料的水稳定性。按规范规定要求进行水稳定性试验，各试验结果见表4和图3～图5所示。

表4 不同纤维掺量下沥青混合料的水稳定性试验结果

图3 不同纤维掺量下沥青混合料的水稳定性指标

图4 不同纤维掺量下沥青混合料的浸水马歇尔稳定度指标

图5 不同纤维掺量下沥青混合料的冻融劈裂强度指标

从表4、图3～图5的试验结果可以总结出以下几点结论。

4.3.1 对于没有经冻融的试件，加入Dolanit AS纤维后混合料劈裂强度可提高12%左右，加入木质素纤维后混合料劈裂强度提高7%左右。说明纤维加入后，纤维沥青胶浆的粘结强度增大，而且纤维的加筋作用也改善了混合料的劈裂强度，而木质素纤维对沥青胶浆粘结强度提高低于Dolanit AS纤维。

4.3.2 经过冻融循环后，沥青混合料的劈裂强度均有所下降，但不含纤维沥青混合料下降后的劈裂强度仍然较含Dolanit AS纤维沥青混合料小18%～33%，较含木质素纤维沥青混合料小24%左右。

4.3.3 从冻融劈裂抗拉强度比TSR比较来看，掺加Dolanit AS纤维的比例大于0.3%后，沥青混合料的冻融劈裂强度比呈下降趋势。这主要是因为随着纤维的掺入量增加，在沥青用量逐渐增加的同时，沥青混合料空隙率减小；若继续增加纤维用量，沥青混合料密度减小、空隙率增大。试件经过抽真空后，沥青混合料中的空隙充分地被水填充，在－18℃水冻结后对空隙壁产生冻胀应力，经过冻融循环后混合料的强度因此减弱。纤维沥青混合料空隙率增大后，它所受到的冻胀破坏作用更明显，造成纤维沥青混合料的抗劈裂强度能力降低；另一方面，由于纤维和沥青在低温下温缩变形的不协调性，扩大了沥青混合料空隙的体积，使冻胀破坏作用得到进一步强化，因此在纤维沥青混合料的施工中应切实加强路面的压实效果。

4.3.4 经过冻融循环后Dolanit AS纤维沥青混合料试件的劈裂强度下降幅度较未掺加纤维的小，且经过冻融后沥青混合料的劈裂强度绝对值比未掺加纤维沥青混合料的大，这说明Dolanit AS纤维对于混合料抗冻融循环或者说水稳性的提高起到了明显作用。此外，采用基质沥青的Dolanit AS纤维沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比TSR大于无纤维的改性沥青混合料，但由于改性沥青的粘结强度大于掺加Dolanit AS纤维的基质沥青胶浆，未经过冻融的改性沥青混合料的劈裂强度绝对值略大于掺加Dolanit AS纤维的基质沥青混合料，而经过冻融后二者已相差不大。

4.3.5 从冻融后劈裂强度值和冻融劈裂强度比总的来看，Dolanit AS纤维掺量为0.3%时对沥青混合料水稳性的改善最为显著。