摘 要
為了提升瀝青混合料的性能，采用滑移剪切試驗裝置測試了木質素纖維、礦物纖維、聚酯纖維、復合纖維在相同摻量與各自最佳摻量下纖維瀝青混合料的滑移剪切性能，驗證纖維的加筋效果。試驗結果表明：加入纖維后，瀝青混合料的滑移剪切能大大提高，纖維顯著改善了瀝青混合料的加筋效果；不同種類的纖維瀝青混合料滑移剪切能有明顯的區別。
關鍵詞
道路材料 纖維瀝青 加筋性能 瀝青混合料
引言
瀝青混合料中加入纖維材料，是改善瀝青混合料綜合性能的主要途徑之一［1－3］。該方法不僅可以提高混合料的耐老化性能、抗永久變形的能力［４－6］；而且纖維和瀝青之間形成的復雜三維網絡結構能讓纖維瀝青混合料的整體力學性能得到明顯改善［7－8］。
目前，各國學者對纖維瀝青的加筋效果展開了相關的研究：傅珍等研究了纖維瀝青混合料抵抗老化能力的效果和機理［9］；陳永慧研究了玄武巖纖維對瀝青最佳用量的影響，并得出適合的纖維瀝青混合料的制備工藝［10］；吳萌萌等研究了纖維摻量、纖維種類等因素對瀝青膠漿高低溫性能的影響，結果表明纖維的摻入能提高瀝青膠漿高溫穩定性和低溫抗裂性能［11］；ＡＤａｖａｒ等研究了玄武巖纖維和硅藻土的復合材料對于熱拌瀝青（ＨＭＡ）混合料疲勞壽命和拉伸強度的影響，結果表明纖維與硅藻土的使用可以使其壽命加倍，并且這種復合材料可以很好地彌補瀝青混合料在較低溫度下的弱點［12］；陳奕琛等通過低溫彎曲蠕變試驗，研究了在不同試驗溫度和不同的纖維摻量下瀝青混合料的低溫抗裂性［13］；李宗毅通過對不同玄武巖纖維摻量下的纖維瀝青混合料進行試驗，研究了纖維摻量對改性瀝青混合料路用性能的影響［14］；ＱＬｉｕ等研究了添加鋼纖維對瀝青混合料性能的影響，結果表明添加鋼纖維可以提高瀝青混合料的水穩定性、抗斷裂性能［15］。
當前對纖維瀝青的研究主要集中在比較瀝青混合料加入纖維前后相關性能指標的變化上，而對于纖維在混合料中加筋作用的探討，并以此指導混合料的配合比設計和綜合性能的改善研究較少。
本文基于現有研究成果，通過滑移剪切試驗，對幾種纖維瀝青混合料的滑移剪切性能進行分析，從而驗證纖維在瀝青混合料中的加筋效果，提出一種有關纖維瀝青混合料的設計方法，以便為道路工程中不同瀝青混合料的設計提供參考。
原材料性能
（１）瀝青。瀝青采用韓國SK70＃重交通道路石油瀝青，其技術指標均滿足規范要求，如表1所示。
（２）集料。為了減弱粗細集料之間的摩擦、接觸和嵌擠等復雜作用對纖維加筋效果的影響，選取砂粒式AC－5中值級配。細集料的表觀相對密度如表2所示。
（３）纖維。本文選取3種傳統纖維（木質素纖維、礦物纖維、聚酯纖維）與一種新研發的復合纖維。復合纖維是將木質素纖維和聚酯纖維按照一定比例組合而成，兼有二者的優點。4種纖維外觀形態見圖1。
試驗方法
采用瀝青混合料滑移剪切試驗裝置（圖2）施加荷載并作用于圓柱體壓頭。該裝置的主要特點是，能夠準確地反映混合料滑移剪切過程，操作簡單，得到的參數能夠準確體現纖維瀝青的加筋效果［16］。試驗壓頭直徑為40ｍｍ，萬能試驗機加載速率為20ｍｍ·ｍｉｎ^－１，試驗溫度為60℃。
選取砂粒式AC－5中值級配，并以此級配下的混合料試驗來確定最佳油石比。初步擬定纖維摻量為0.35％（纖維占混合料的質量百分比），油石比范圍為5.0％～7.0％。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料的試驗規程》（ＪＴＧＥ20—2011）的有關要求，將稱量好的各檔集料均勻混合后，按照圖3的步驟制備試件。
纖維用量分別為：木質素纖維6.60％、聚酯纖維6.45％、礦物纖維6.40％、復合纖維6.55％。
試驗結果與分析
纖維瀝青混合料通過滑移剪切試驗后，從模具中脫出，其破壞狀態如圖4所示。
從圖4可以看出，在荷載作用下，試件中間部分發生滑移剪切，使得中間受力區域的混合料從試件中完全剪出，而其余部分保留了很好的完整性。
從微觀方面分析，纖維與瀝青之間形成一種空間隨機分布的復雜的三維網狀結構，在受到外力作用時會形成一個應力區，阻礙其相對滑移。從宏觀方面分析，這種結構會增強混合料的黏結力，減弱其變形能力。無論從宏觀角度還是微觀角度，滑移剪切能能夠較好地揭示混合料特征，所以選取滑移剪切能作為滑移剪切試驗的評估指標。
相同纖維摻量下滑移剪切試驗結果分析
對不同纖維都采用0.35％的摻量，分別拌合制成纖維瀝青混合料馬歇爾試件，進行滑移剪切試驗，結果見圖5。
從圖5中可以看出以下幾點。
（１）與普通瀝青混合料相比，纖維瀝青混合料的滑移剪切能得到顯著提高。說明纖維的摻入能夠極大地提升瀝青混合料的抗剪能力，證明了其具有加筋效果。
（２）在同一纖維摻量和試驗條件下，4種不同纖維瀝青混合料的滑移剪切能有明顯區別，從大到小依次為：聚酯纖維、復合纖維、礦物纖維、木質素纖維。
（３）當各纖維的摻量均為0.35％時，纖維對瀝青混合料的加筋效果與滑移剪切能的大小排序大致相同，只是聚酯纖維和復合纖維交換了順序。分析原因，試驗初步擬定的纖維摻量為0.35％，而實際工程應用中纖維的適宜摻量約為0.30％，所以在過大摻量下復合纖維的滑移剪切能比前者?。?/span>17］。
適宜纖維摻量下滑移剪切試驗結果分析
通過分析現有的纖維在瀝青混合料中適宜摻量［18－19］，擬定各纖維的適宜摻量，如表3所示。
在適宜纖維摻量下，將這4種纖維瀝青混合料與普通瀝青分別制作為馬歇爾試件，并進行滑移剪切試驗。普通瀝青混合料和4種纖維瀝青混合料的滑移剪切能如圖6所示。
從圖6中可以看出，在相同的級配和試驗條件下，當纖維在瀝青混合料中達到各自的適宜摻量時，滑移剪切能從大到小依次為：復合纖維、聚酯纖維、礦物纖維、木質素纖維。這與相同纖維摻量下的變化規律大體相同，其中聚酯纖維瀝青混合料的滑移剪切能比復合纖維瀝青混合料小。在相同試驗條件下，不同種類纖維瀝青混合料的滑移剪切能變化規律與不同種類纖維瀝青的直剪試驗結果相同。原因是，在各自適宜的纖維摻量下，不同種類的纖維加筋作用能夠發揮到最大。
基于纖維加筋性能的瀝青混合料設計方法
基于纖維瀝青混合料滑移剪切試驗，提出基于纖維加筋性能的瀝青混合料設計方法，包括纖維的選擇、纖維瀝青的構成和纖維瀝青的用量。纖維瀝青混合料設計步驟如下。
（１）選出符合要求的纖維種類，再根據纖維的加筋作用評價指標確定出合適的纖維瀝青構成。
（２）確定纖維瀝青的最佳用量。按照確定好的纖維瀝青構成，與骨架結構部分拌合制成試件進行馬歇爾試驗、路用性能試驗，并由試驗指標來確定纖維瀝青的最佳用量。
纖維的選擇
結合纖維在混合料中的應用現狀以及對經濟效益的衡量，可從以下5個方面來考慮選取纖維種類。
（１）纖維在混合料中的分散性。纖維在混合料中能否分散均勻將決定著纖維瀝青混合料的性能能否滿足要求。
（２）纖維對基質瀝青以及瀝青混合料的加筋作用。纖維瀝青最大抗剪強度可以用來評價纖維瀝青的加筋效果，而纖維對混合料性能的改善與其加筋效果相關。
（３）纖維吸附穩定瀝青的能力。由于纖維在混合料中存在高溫離析的現象，所以要求纖維應具有一定吸附瀝青的能力。
（４）纖維材料的幾何特征。從纖維的幾何特征考慮纖維種類時，一方面要盡可能保證纖維的加筋效果，另一方面又要有利于纖維瀝青混合料的施工要求。
（５）纖維的性價比。應結合結構的功能性要求、工程實際應用要求，以及不同纖維在混合料中性能的差異，選擇性價比較高的纖維材料。
纖維瀝青的構成
以滿足纖維在瀝青混合料中的加筋效果為基礎，選擇特定范圍的纖維瀝青構成。既要衡量纖維對混合料其他性能的影響，也要考慮經濟合理性等因素。從以下2個方面選擇纖維瀝青的構成。
（１）纖維瀝青構成的抗剪強度?？辜魪姸仍酱?，其纖維瀝青構成所產生的加筋作用越好。
（２）纖維的摻量。若纖維摻量越大，在混合料拌合過程中纖維的分散性對整體性能的影響越大。通過對木質素纖維瀝青進行直剪試驗，選取了其抗剪強度指標來指導選擇適合的纖維瀝青構成，如圖7、8所示。
分析圖7、8可以得出，在試驗溫度和加載速率保持恒定的情況下，隨著纖維摻量的增加，其木質素纖維改性瀝青最大抗剪強度值逐漸上升，即纖維對瀝青的加筋作用不斷增強。在加載速率和纖維摻量保持恒定的情況下，隨著溫度的上升其最大抗剪強度顯著下降。這主要是由于，溫度升高，瀝青間的黏結力降低，瀝青與纖維之間的網狀結構遭到不同程度的破壞，甚至發生瀝青與纖維完全分離的現象，加筋效果降低。木質素纖維瀝青最大抗剪強度隨著纖維摻量的增加呈現出先上升后逐漸下降的趨勢，表明纖維摻量過大，反而會降低纖維對瀝青的加筋作用。當木質素纖維與瀝青構成比例為7∶100時，5種溫度下的最大抗剪強度的增加值達到最大，所以選7∶100作為木質素纖維瀝青的構成比例。
纖維瀝青的用量
當纖維瀝青的構成確定后，依據常規瀝青混合料的設計方法，兼顧性價比，確定出纖維瀝青的適宜用量。確定纖維瀝青適宜用量的流程見圖9。
結語
本文通過滑移剪切試驗分析了不同纖維在相同摻量和適宜摻量下對瀝青混合料的加筋效果，提出了基于纖維加筋作用的瀝青混合料設計方法，得到以下主要結論。
（１）通過對纖維混合料進行滑移剪切試驗，驗證了４種纖維瀝青混合料在同一纖維摻量下的滑移剪切能從大到小依次為：聚酯纖維、復合纖維、礦物纖維、木質素纖維。由于該摻量對于復合纖維來說過大，導致其比聚酯纖維瀝青混合料的滑移剪切能略小。
（２）依據纖維在瀝青混合料中的加筋效果，采用最佳纖維瀝青構成時的混合料滑移剪切能從大到小依次為：復合纖維、聚酯纖維、礦物纖維、木質素纖維。在適宜的纖維摻量下，纖維瀝青在混合料中的加筋作用能夠發揮到最大。
（３）基于纖維加筋性能提出了纖維瀝青混合料的設計方法：首先選擇出適合的纖維種類；再以纖維瀝青的抗剪強度值為指標確定出纖維瀝青構成；然后與骨架結構部分拌合制成混合料；并進行相關試驗，選擇符合要求的纖維瀝青用量。
