钢纤维对提高沥青混凝土高温稳定性的影响作用研究

陈会萍

（河南建筑职业技术学院，河南郑州450007）

近年来，随着公路交通的快速发展，汽车荷载不断增大，普通沥青混凝土路面已经很难满足现代交通的需要。随着荷载和温度的影响，许多路面经常出现早期破坏，而高温车辙破坏就是其中比较常见的破坏之一。这种破坏大大降低了路面的使用寿命，给道路工作者提出了严峻的考验。

1 沥青混凝土道路目前存在状况

沥青路面具有表面平整，无接缝，耐磨，噪声低，行车舒适，施工期短，养护维修简便等优点[1]。随着我国国民经济的飞速发展，公路运输业日益繁忙，严重的超载重载导致沥青路面出现早期损坏，大大降低了沥青路面的路用性能和使用寿命。特别是在高温季节，沥青路面容易泛油发软，在车辆荷载的重复作用下，塑性变形逐渐积累，导致产生永久变形或车辙，从而降低路面的平整性，影响路面的交通安全和行车降舒适性[2]。

2 本文研究的意义

通常认为，沥青混凝土作为沥青路面的铺筑材料是由骨料，沥青结合料和空气组成的三相体系。因此，在改善沥青混凝土的路用性能上有三个主要研究方向：使用改性沥青，调整矿料级配以及在普通沥青混凝土中加入各种纤维[3]。实际研究中经常用到的纤维有软纤维和钢纤维[4]两大类。加入钢纤维后沥青混凝土的路用性能有了较大的提高和优化，并且由于纤维对沥青的吸附作用，可以解决沥青路面在高温条件下的泛油现象，使得沥青路面的高温抗车辙性能得到极大改善，提高了沥青路面的使用年限。但在实际应用中，由于钢纤维价格较高，增加了沥青路面的建设成本。因此，如何合理选择和使用钢纤维，使沥青路面的性能得到提高的同时又能降低建设费用成为道路工作者面临的一个难题。本文拟通过加入不同掺量的钢纤维，研究钢纤维掺量对沥青混凝土路用性能的影响规律，试图找到钢纤维掺量和沥青混凝土路用性能间的最佳平衡点。

3 试验所用钢纤维的性能指标

钢纤维的长径比和掺量、钢纤维的分布和取向以及钢纤维与基体相互间的粘结强度对钢纤维的增强效果均有重要的影响。通常情况下，当钢纤维混凝土出现破坏时，混凝土中的钢纤维并未出现被拉断的现象，而是与混凝土出现分离，因此要想改善钢纤维的增强效果必须提高钢纤维与基体的粘结强度。本文采用的钢纤维的物理性能指标如下：

抗拉强度：＞380 MPa

长径比：149

长度：12.69 mm

等效直径：0.085mm

4 钢纤维沥青混凝土的组成设计

4.1 级配确定

本试验矿料级配采用规范规定的密级配沥青混凝土AC- 13 级配范围中值，由于它能适用于不同的道路等级，不同的气候条件，不同的交通状况，不同的结构层次[5]。AC- 13 级配的上限，下限及中值级配通过下列各筛孔的质量百分率如下表所示。

表4.1 AC-13 连续型密级配上、中、下限通过筛孔的质量百分率

4.2 拌和方法确定

在拌制钢纤维沥青混凝土时采用的投料次序为：先将钢纤维撒入加热后的矿料中拌和均匀后，再加人沥青和矿粉继续搅拌，这样获得的拌合效果非常理想，拌合料中各种粒料分布十分均匀，钢纤维随机散布其中，没有组团现象。

4.3 最佳油石比的确定

油石比是指沥青混凝土中沥青质量与矿料质量的比值，它的大小对沥青路面有着直接影响，如果油石比过大则路面容易出现车辙或者泛油，反之则抗疲劳强度达不到要求，防水性能也受到影响，并且在施工中不容易被压实。本文采用马歇尔试验方法确定钢纤维沥青混凝土的最佳油石比。按照我国现行规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG F40—2004) 中马歇尔试验要求的试验步骤和试验方法，采用AC- 13 中值级配，制作油石比分别为5.3% 、5.8% 、6.3% 、6.8% 、7.3% 、和7.8%的标准马歇尔试件5 组，每组试件4 个，共计24 个。试件制作完成以后，按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的表干法测定试件的各项指标，包括试件的毛体积密度、稳定度、流值、空隙率及VFA，然后进行马歇尔稳定度试验。试验结果见表4.2。通过试验结果绘制沥青用量与马歇尔试件物理力学指标的关系图，并以此为依据计算最佳沥青用量。

本文通过马歇尔试验分别确定了连续密级配沥青混凝土AC- 13 和3 种不同钢纤维掺量的沥青混凝土的最佳沥青用量。沥青混凝土AC- 13 中值的最佳油石比为6.81%，钢纤维掺量为1%的沥青混凝土最佳油石比为6.88%，钢纤维掺量为2%的沥青混凝土的最佳油石比为7.37%，钢纤维掺量为3%的沥青混凝土的最佳油石比为7.6%。

表4.2 AC-13 中值马歇尔试验结果

5 钢纤维沥青混凝土高温稳定性能研究

5.1 试验方法

车辙试验方法最初是由英国道路研究所开发的，而且车辙试件上车辙的产生过程能够很好的模拟实际沥青路面在高温条件下车辙的产生，同时车辙试验的动稳定度非常贴切的反映实际沥青路面中车辙的深度。通常情况下，车辙试验中的试件由轮碾法制作，其标准尺寸为300mm×300mm×50mm。在确定车辙试验板的碾压次数时，应确保试验板与本试验中的标准马歇尔试件具有相同的体积参数。在试压时，应对试压成型的车辙试验板按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法测定试件的密度，以此来决定最终碾压次数。

表5.1 车辙试验结果

5.2 试验结果分析

在进行沥青混凝土车辙试验时，选择四种沥青混凝土进行对比试验，它们分别为密级配沥青混凝土AC- 13 中值，以及在此基础上掺加三种钢纤维掺量（1%，2%，3%）的沥青混凝土，共制作8 个试件，分为4 组。试验结果如下表5.1。

由车辙试验结果可知，钢纤维的加入对沥青混凝土的动稳定度有一定影响。但是似乎随钢纤维掺量的提高动稳定度有降低的趋势，但总体来看，钢纤维的加入都能使沥青混凝土的高温稳定性得到改善，只是改善的程度有所不同。当钢纤维掺量为1% 时使沥青混凝土动稳定度提高了37.2%，当掺量增加至2%时，动稳定度提高了9.1%，掺量为3%时，动稳定度提高了10.4%。这是由于纤维沥青混合料是一种组成结构极为复杂的粘弹性复合材料，其高温稳定性取决于多种因素，除受纤维掺量的影响外，还受诸如沥青的性质和含量、矿料的特性、沥青与矿料的交互作用、矿料比表面、压实沥青混合料的结构特性等因素的影响。以上分析表明，钢纤维可改善沥青混凝土的高温稳定性，但并非掺量越高动稳定度就越高，其改善效果还与其它因素的影响密不可分，尤其是沥青混凝土中的沥青含量。当沥青混凝土中的沥青含量较少时，沥青不足以使矿料颗粒表面完全敷裹，矿料颗粒间缺乏足够的粘聚力，沥青混凝土整体强度较低；当沥青用量过多，在矿料间主要起润滑作用，并将矿料“推开”，从而使沥青混合料的整体强度下降。因此，纤维的掺量必须和沥青增加量相匹配，否则，起不到应有的增强效果。

6 结语

通过本文相关试验可知钢纤维的加入能使沥青混凝土的高温稳定性得到改善；但钢纤维掺量与沥青混凝土的高温稳定性不成直接的线性关系，钢纤维对沥青混凝土高温稳定性的改善效果还受其它因素的影响，其中，沥青含量是最重要的影响因素。钢纤维掺量必须和沥青增加量相匹配，否则，起不到应有的增强效果；根据试验结果，对密级配沥青混凝土AC13，可建立考虑钢纤维掺量和沥青增加量综合影响的动稳定度预估模型。