摘 要：

为探究不同纤维改性及其沥青混合料的路用性能，文中分别选取玄武岩纤维、聚酯纤维、陶瓷纤维制备改性沥青及沥青混合料。首先通过三大指标试验评价改性沥青的性能；其次通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验分别分析不同纤维沥青混合料的路用性能。研究结果表明，经过测试后，玄武岩纤维改性沥青性能居中，其沥青混合料的性能最佳沥青网sinoasphalt.com。高温、低温以及水稳定性能比性能最差的聚酯纤维改性沥青混合料分别提升了77.8%，54.5%，11.3%。研究结果为不同纤维改性沥青在路面材料中的应用提供一定的理论指导价值。

关键词: 纤维沥青混合料；高温性能；低温性能；水稳定性

0 引言

随着经济的高速发展，我国的沥青路面里程也逐渐增多。但由于各种极端环境以及荷载的作用，如高温、低温、多雨等。会导致沥青路面产生车辙［1-3］、开裂［4］等不良病害，损坏沥青路面的结构完整性，影响沥青路面的使用寿命。因此，很多学者对提高沥青路面抗病害的能力做出了研究。研究人员发现，向沥青混合料中加入纤维，相当于对沥青混合料进行“加筋”作用［5-7］，可以显著改善沥青混合料的性能。夏炎［8］对玄武岩纤维沥青混合料的抗裂性能做出了研究，研究结果表明，玄武岩纤维可以明显提高沥青混合料的抗裂及裂缝扩展能力。Ye Q 等［9］研究了纤维改性后的沥青混合料的疲劳性能，研究发现掺入纤维的沥青混合料疲劳参数明显降低，表明纤维可以改善疲劳性能。

肖鹏等［10］利用数字图像散斑技术对玄武岩纤维沥青混合料长期抗裂性能做了分析，结果发现玄武岩纤维在沥青混合料中会形成三维网状结构，来提高其抗裂性能。综上所述，纤维加入可以有效提高沥青混合料的路用性能，但不同纤维改性后的沥青混合料路用性能对比也需要做出研究，以便根据不同的环境要求使用合理的纤维种类。因此，文中选用玄武岩纤维、聚酯纤维、陶瓷纤维3种常见的纤维，制备纤维改性沥青及改性的沥青混合料，通过动态剪切流变试验、低温延度试验来分析不同纤维改性沥青的路用性能差异，同时采用车辙试验、低温小梁弯曲试验以及冻融劈裂试验对纤维改性沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性做出对比分析，得出不同纤维改性沥青混合料的适用条件。

1 材料选取

文中所使用的陶瓷纤维技术指标：纤维直径长为2.8μm；长度为20mm；密度为80.2kg/m3。最大工作温度为1400℃，安全工作温度为1350℃。

1.3 纤维改性沥青的制备

文中在制备纤维改性沥青时，3种纤维掺量均选用其他学者研究确定的最佳掺量，其中，玄武岩纤维最佳掺量为 3%［11］，聚酯纤维最佳掺量为 3%［12］，陶瓷纤维最佳掺量为4%［13］。制备时首先将300g沥青融化后，分别称取沥青重量的3%的玄武岩纤维、2%的聚酯纤维以及4%的陶瓷纤维在3000r/min，165℃的条件下利用高速剪切搅拌机搅拌50min，使纤维在沥青内部充分混合均匀。

1.4 沥青混合料配合比设计

为分析不同纤维沥青混合料的路用性能差异，因此在制备沥青混合料时，玄武岩纤维掺量为0.3%，聚酯纤维掺量选用 0.3%，陶瓷纤维掺量为 0.4%。文中选用AC-13配比的沥青混合料，混合料的级配曲线见图1。

2 试验研究

文中为避免偶然性造成的影响，每个试验均测试3个试件，并取测试结果的平均值来代表试验的测试结果。

2.1 针入度试验

针入度试验可以被用来测试改性沥青的抗剪能力。为分析3种纤维改性沥青的抗剪能力差异，文中利用针入度仪按照 JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中 T0604—2011 的要求，在25℃，荷载重量为100±0.1g的条件下进行测试，测试时间为5s。

2.2 软化点试验

软化点试验可以用来测试改性沥青的高温性能，为探究3种纤维改性沥青的高温性能差异，文中参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的要求进行软化点测试。

2.3 延度试验

延度试验可以被用来测试改性沥青的低温性能。为了分析纤维种类对沥青的低温性能的影响，文中根据 JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的方法测试3种纤维改性沥青的延度。

2.4 车辙试验

文中参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的要求，对3种纤维沥青混合料在60℃、0.7MPa的条件下进行车辙试验，每种纤维沥青混合料制备3个试件，通过试验结果计算得到3种纤维沥青混合料的动稳定度，对每种纤维沥青混合料的动稳定度计算结果取平均值来代表纤维沥青混合料的动稳定度，以分析3种纤维沥青混合料的高温性能差异。

2.5 低温小梁弯曲试验

为对比3种纤维沥青混合料的低温性能差异，文中利用UTM万能试验机低温弯曲破坏试验，试件尺寸为250mm×30mm×35mm。

2.6 冻融劈裂试验

文中参照T0729—2000规范要求进行冻融劈裂试验，冻融循环过程设定为-20℃环境中冷冻4h、60℃环境中融化2h、室温环境中静置2h。

3 试验结果分析

3.1 三大指标试验结果分析

文中测试了3种最佳掺量下的纤维沥青的三大指标，测试结果见表4。

针入度越低表明沥青的黏性越强，抗剪能力越强。表4中的数据表明，在最佳掺量下，聚酯纤维针入度最大，为67.2mm；玄武岩纤维次之，为63.7mm；陶瓷纤维的平均针入度最小，为 47.8mm。由此可以推断出，陶瓷纤维改性沥青的黏性最大，抗剪能力最强，但这会导致施工和易性变差。聚酯纤维改性沥青虽有最为优异的施工和易性，但其黏性最低，抗剪能力最弱。所以综合来看，玄武岩纤维改性沥青具有较好的和易性、黏性和抗剪强度。

软化点可以反应出沥青的耐高温性能，软化点越大，表明沥青的高温性能越好。通过表4可以看出，陶瓷纤维改性沥青的软化点最大，玄武岩纤维次之，聚酯纤维改性沥青的软化点最小。由此可以推断出陶瓷纤维改性沥青具有较低的温度敏感性，而聚酯纤维改性沥青耐高温性能则较弱，这可能与陶瓷纤维本身的材料性质有关，陶瓷纤维具有良好的绝热性能，会改变沥青的热力学性质，从而提高其耐高温性能，但在文中分析中，陶瓷纤维改性沥青的和易性较差，所以在考虑高温性能时，还可以选用玄武岩纤维改性沥青。

延度可以体现出沥青的耐低温性能，延度越大，表明沥青的低温性能越好。文中在5℃的环境中测试了3种纤维改性沥青的延度。通过表4可以看出，3种改性沥青的延度大小依次为陶瓷纤维改性沥青＞玄武岩纤维改性沥青＞聚酯纤维改性沥青。因此玄武岩纤维改性沥青具有适中的低温塑性性能，结合文中对于针入度和软化点的分析，文中认为玄武岩纤维改性沥青具有更为优异的综合性能。但其路用性能还要制备沥青混合料进行分析，因此文中对3种纤维改性沥青混合料的路用性能进行分析。

3.2 不同纤维沥青混合料高温稳定性差异分析

文中根据式（1）计算3种纤维沥青混合料的动稳定度：

通过图2可以看出，3种纤维沥青混合料中，玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度最大，陶瓷纤维沥青混合料次之，聚酯纤维沥青混合料动稳定度最小，因为在加入不同纤维后，沥青之间相互作用产生的结构沥青含量不同，玄武岩纤维含有二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁等多种矿物质［14］，可以和沥青之间相互作用产生更多的结构沥青，而陶瓷纤维的主要矿物成分仅为氧化铝一种［15］，因此产生的结构沥青含量要低于玄武岩纤维沥青混合料。同时聚酯纤维的加入，由于不含有矿物成分，对沥青混合料高温性能的提高更多的是体现在形成的三维网状体系对集料颗粒的限制作用，因此，高温性能表现为玄武岩纤维沥青混合料＞陶瓷纤维沥青混合料＞聚酯纤维沥青混合料。

3.3 不同纤维沥青混合料低温性能差异分析

文中根据对比不同纤维沥青混合料的弯拉应变来分析3种纤维沥青混合料的低温性能差异，经过测试后得到的弯拉应变见图3。

通过图3可以看出，相同冻融环境下，玄武岩纤维沥青混合料的弯拉应变最大，陶瓷纤维沥青混合料次之，聚酯纤维沥青混合料弯拉应变最小。因为相对于聚酯纤维来说，玄武岩纤维和陶瓷纤维中含有很多矿物质，可以和沥青相互作用形成结构沥青，增强三维网状结构的力学性能，从而提高改性沥青混合料的抗裂性能；而玄武岩纤维又含有更多种类的矿物质，因此其改性沥青混合料的弯拉应变最大，低温抗裂性能最佳。

3.4 水稳定性分析

文中采用冻融劈裂试验分析3种纤维改性沥青混合料的水稳定性，每种纤维沥青混合料设置3个平行试件，对平行试件的测试结果取平均值，并依照式（2）计算劈裂强度指标。

通过图4可以看出，冻融循环前后3种纤维沥青混合料的劈裂强度排序：玄武岩纤维沥青混合料＞陶瓷纤维沥青混合料＞聚酯纤维沥青混合料。根据其他学者的研究结果表明，纤维的加入可以在沥青与纤维之间的浸润作用及减小沥青混合料内部孔隙双重作用下增强沥青混合料的抗裂性能。因此可以推断出，沥青在玄武岩纤维表面浸润效果最好，同时玄武岩纤维的加入使加筋作用更强，可以减少更多混合料的内部孔隙，因此为满足低温性能，可选用玄武岩纤维沥青混合料。

4 结语

文中通过三大指标试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验分析3种不同纤维沥青混合料的高温、低温及水稳定性能，得到的结论如下：

（1） 综合三大指标测试结果来看，3种改性沥青中，玄武岩纤维改性沥青的性能更具有全面性。

（2） 较其他两种纤维沥青混合料相比，玄武岩纤维的加入可以显著提升沥青混合料的动稳定度，具有更为优异的高温性能。

（3） 在相同低温环境下，玄武岩纤维沥青混合料的弯拉应变值最大，聚酯纤维沥青混合料的弯拉应变值最小，因此玄武岩纤维沥青混合料的低温性能也最为优异。

（4） 冻融循环条件相同时，玄武岩纤维沥青混合料的劈裂强度也高于其他两种纤维沥青混合料，因此也更适用于季冻区。