摘 要

为减缓高温地区沥青路面车辙病害，文中研究提出向沥青混合料中掺加石棉纤维的方法。对不同掺量，包括0.2％、0.3％、0.4％和0.5％掺量的石棉纤维沥青混合料和AC-13沥青混合料，进行热阻性能试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验，研究石棉纤维掺量对沥青混合料热阻性能、高温性能、水稳性能及低温性能的影响。结果表明：石棉纤维能有效改善沥青混合料的热阻性能，试件最大温差较AC-13混合料低4.3℃；同时，石棉提高了沥青混合料的动稳定度和低温抗变形能力，改善了沥青的高、低温性能沥青网sinoasphalt.com。最后综合考虑对沥青混合料热阻性能及路用性能的影响，推荐采用石棉纤维的剂量为0.4％。

关键词

道路工程 | 沥青混合料 | 石棉纤维 | 热阻性能 | 路用性能

随着全球气候的恶化，夏季极端高温天气持续时间越来越长，沥青路面的车辙病害日趋严重。沥青混合料具有较高的太阳辐射吸收率，因此更多的学者试图从降低路面温度的角度应对车辙病害［1］。热阻式路面能阻止热量在沥青路面内传递，降低路面内部的温度，从而减缓沥青路面车辙病害的产生。目前，常用的热阻路面主要有3种，包括大孔隙混合料路面、保水式路面和热阻集料路面。

20世界60年代，美国、日本率先对大孔隙沥青路面进行了研究，随后法国、荷兰、新加坡等也铺筑了试验路，试验结果表明大孔隙路面不仅具有一定的隔热效果，还能降低车辆行驶噪声［2-4］。我国于2003年和2005年分别在西安机场高速段和盐通高速段铺筑了大孔隙试验路，经过多年跟踪检测，试验路使用效果尚好［5-7］。国内外研究表明，大孔隙沥青路面的导热率比普通路面能降低30％左右［8］。日本对保水式路面研究开展最早，提出采用高炉矿渣、海泡石等作为保水材料［9］。我国长安大学及重庆交通大学也对保水式路面进行了深入研究，并提出保水式路面原材料技术标准要求、具体施工工艺等［10-12］。热阻集料式路面理念为，将导热系数较低的材料替换或者加入集料中，从而降低导热系数，阻止路表吸收的热量向路面内传递，达到提高抗车辙性能的效果。沙爱民等对膨胀蛭石热阻式路面进行了研究，室内试验表明虽然混合料降温效果很好，但承载力较差［13］；随后杨风雷对铝矾土热阻式混合料进行研究，结果表明虽然能降低温度约６℃，但水稳性较差［14］。刘佳［15］将不同掺量的膨胀蛭石以等体积替换细集料的形式应用于SMA-13混合料中，发现替换量为５０％时，可降低路面温度约2.5℃。Mallick等［16］研究了不同掺量的陶砂沥青混合料的路用性能，室内试验结果表明陶砂为15％掺量时，沥青混合料的高温稳定性和水稳性有大幅度提升，但低温效果不佳。赵秋华等［17］研究表明，陶瓷颗粒可将沥青混合料温度降低3.7℃左右。冯德成等［18-20］将陶粒替代普通集料加入沥青磨耗层，制备了热阻磨耗层，研究表明替代量为20％时，磨耗层导热系数可降低20％。由现有国内外研究现状可知，具有较高热阻能力的路面，性能不尽完善。因此有必要寻求其他材料，并研究掺入该材料后的沥青混合料性能。

石棉纤维作为一种天然的保温材料，具有导热系数小、耐高温、机械强度高、成本低等特点，且现有研究表明石棉纤维能提高软土的强度，具有较好的抗水性能，能提高基体材料的抗裂强度［21-23］。因此，本研究向AC-13沥青混合料中掺入不同剂量的石棉纤维，并通过马歇尔试验确定不同石棉纤维掺量下的最佳沥青用量，然后研究石棉纤维掺量对混合料热阻性能的影响。进行不同石棉纤维掺量下沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳性能试验，研究石棉纤维对沥青混合料性能的影响，并确定合理的石棉纤维掺量。

沥青

本研究采用掺入4％SBS的壳牌A-90号道路石油沥青作为基质沥青。该沥青的基本技术指标如表1所示，技术指标均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）［24］的要求。

集料

(1)粗集料。粗集料技术指标如表２所示，均能满足规范《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）［25］的要求。

(2)细集料。细集料各项技术指标如表3所示，各项指标均满足规范要求。

(3)矿粉。矿粉各项技术指标如表4所示，各项技术指标均满足规范要求。

(4)AC-13配合比。本研究所用AC-13配合比如表5所示。

石棉纤维

本研究所用石棉（如图1所示）由河北省某公司提供，各项技术指标见表6。

为研究石棉纤维对沥青混合料性能的影响，取0.2％、0.3％、0.4％和0.5％等4种掺量，按照集料重量比例进行掺加。掺加石棉纤维时AC-13最佳油石比为5.0％，在该油石比范围内按照上述石棉纤维掺量进行马歇尔试验，并确定出不同掺量下的最佳油石比分别为5.27％、5.35％、5.38％、5.40％。试验结果如表7所示。可见随着石棉纤维掺量的增加，最佳油石比逐渐升高。

将普通AC-13混合料和石棉纤维AC-13混合料分别成型尺寸为300ｍｍ×300ｍｍ×50ｍｍ车辙板试件，并将试件置于保温系统中，如图2（ａ）所示。并在试样上下表面布设温度传感器（如图２（ｂ）所示），采用碘钨灯进行照射，然后采集不同时间段试样的上、下表面温度。

通过分析石棉纤维沥青混合料的阻热性能，研究不同时间段热量在试件内部的传递情况，结果上下表面平均温度的温差随时间变化的情况如图3所示。由该图可知，随着时间的增加，各试件温差呈先迅速增大、然后缓慢降低的趋势。光照1ｈ内，各试件上表面持续吸收热量且来不及向下传递，因此表面温度迅速升高。随着时间的推延（在1~2ｈ内），表面层升温速率逐渐降低，热量缓缓向下传递，试件上下表面温差逐渐变小。随后，在持续光照下，上表面温度接近热平衡温度，升温速率几近为0，上表面的热量仍不断向下传递，从而导致温差进一步减小。最后在约7ｈ时，试件上下表面温差逐渐稳定。

为了直观反映石棉纤维沥青混合料的降温效果，分别计算石棉掺量为0.2％、0.3％、0.4％和0.5％的AC-13混合料试件上下表面温度差与普通AC-13混合料试件上下表面温度差的差值，结果如图4所示。由图4可以看出，当石棉纤维掺量小于0.4％时，随着掺量的增加，试件上下表面温差与普通试件上下表面温差逐渐增大，但掺量为0.4％、0.5％时的温差差值相近。2ｈ后，温度差差值出现较大变化，且掺量为0.5％时，温度差值达到4.3℃。显然，加入石棉纤维后，沥青混合料的热阻能力随着掺量的增加而增强。仅从热阻性能方面考虑，推荐石棉纤维掺量为0.4％。

(1)高温稳定性。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关试验方法进行车辙试验，测试AC-13沥青混合料及不同掺量的石棉纤维沥青混合料的高温稳定性，试验结果如表8所示。随着石棉纤维掺量的增加，沥青混合料动稳定度会逐渐增加，高温稳定性增强，增加量分别为4.6％、17.9％、24.5％和26.7％。0.5％掺量的沥青混合料动稳定度较0.4％掺量的沥青混合料动稳定度增加幅度较小，仅增加了3.2％。

(2)水稳定性。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关试验方法，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，测试AC-13沥青混合料及石棉纤维混合料的水稳定性，试验结果如表9所示。显然，随着石棉纤维掺量的增加，沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度均逐渐增大。可见，石棉纤维提高了沥青混合料的水稳性能，对于多雨高温地区，石棉纤维沥青混合料中面层具有更好的适用性。

(3)低温抗裂性。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关试验方法，成型车辙板试件并将其切割为250ｍｍ×30ｍｍ×35ｍｍ的小梁，进行低温弯曲试验，测试AC-13沥青混合料和石棉纤维混合料的低温抗裂性能，试验结果如表10所示。可见，向沥青混合料中掺入石棉纤维后，不同掺量的混合料弯曲变形分别提升了0.9％、2.9％、4.7％和5.4％，显然混合料的抗变形能力得到了提升。这是因为石棉纤维加入后，在混合料内部形成纤维网，增加了材料的弹性。而且加入石棉纤维后，沥青的用量有一定提升，进一步增强了集料之间的黏结力。二者共同作用，在温度降低时缓冲了沥青混合料内部的温度应力，缓冲了变形，提高了沥青混合料的低温性能。

通过对不同掺量石棉纤维的沥青混合料与AC-13沥青混合料性能进行对比试验及热阻室内试验可以得到如下结论。

(1)向沥青混合料中加入石棉纤维后，沥青混合料热阻能力得到提升。在0.4％掺量范围内，随着石棉纤维掺量增大，混合料热阻能力越好。掺有石棉纤维的沥青混合料试件上下表面温差较普通沥青混合料试件最大低4.3℃。

(2)对石棉纤维沥青混合料性能测定结果表明，石棉纤维的加入能有效提高沥青混合料的高温性能和低温性能，同时也确保了水稳定性不降低。

(3)综合石棉纤维对沥青混合料热阻性能及路用性能的改善状况，本研究推荐沥青混合料中石棉纤维掺量为0.4％。