玻璃纤维改性的浇注式沥青混合料路用性能的影响研究

玻璃纤维改性的浇注式沥青混合料路用性能的影响研究
作者：周本涛张海啸
来源：《粘接》2023年第09期
摘要：以玻璃纖维和桥面铺装GA10浇注式沥青混合料为研究对象，考察了玻璃纤维掺量对浇注式沥青混合料工作性能、路用性能及抗疲劳性能的影响。

结果表明：（1）浇注式沥青混合料的工作流动性随着玻璃纤维掺量的增加逐渐降低。

（2）浇注式沥青混合料的高温、低温及水稳定等路用性能均随着玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化，适量的玻璃纤维能够吸附胶浆外的自由沥青，加筋于沥青与骨料间，使得沥青混合料的路用性能得到有效提升；过量的玻璃纤维吸附了胶浆内的部分沥青，致使混合料的粘接、延展性下降，沥青混合料的路用性能有所削弱。

（3）随着玻璃纤维的增加，浇注式沥青混合料的抗疲劳开裂性能呈先增大后减小变化，在一定量的玻璃纤维均匀分散加筋作用下，沥青混合料的内部结构更为稳固，抗疲劳开裂性能增强。

综合玻璃纤维浇注式沥青混合料的各项性能，玻璃纤维的适宜掺量为3%。

关键词：桥面铺装；玻璃纤维；浇注式沥青混合料；工作性能；路用性能
中图分类号：TQ171.77+7.32 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）09-0102-04
Study on the influence of glass fiber modified pouring asphalt mixture on road performance
ZHOU Bentao， ZNANG Haixiao
（Henan Transport Investment Shangluo Expressway Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）
Abstract：Taking glass fiber and ga10 pouring asphalt mixture as the research objects， the influence of glass fiber content on the working performance， road performance and fatigue resistance of pouring asphalt mixture was investigated.Results showed that： 1） The working
fluidity of pouring asphalt mixture gradually decreased with the increase of glass fiber content; 2）The high temperature， low temperature， water stability and other road performance of cast-in-place asphalt mixture increased first and then decreased with the increasing of glass fiber content.An appropriate amount of glass fiber adsorbed the free asphalt outside the mortar， and was reinforced between the asphalt and the aggregate， so that the road performance of asphalt mixture was effectively improved.While the excessive glass fiber adsorbed part of the asphalt inside the mortar，resulting in the decrease of the bonding and ductility of the mixture.Therefore， the road performance of asphalt mixture was weakened; 3） With the increase of glass fiber， the fatigue cracking resistance of cast asphalt mixture increased first and then decreased.With a certain amount of glass fiber uniformly dispersed and reinforced， the internal structure of asphalt mixture was more stable，so the fatigue cracking resistance was enhanced.Considering the properties of glass fiber pouring asphalt mixture， the appropriate content of glass fiber was 3%.
Key words：bridge deck pavement; glass fiber; pouring asphalt mixture; working performance; road performance
因我国的交通、气候、地理等条件特殊复杂，使得一些浇注式沥青混合料钢桥面铺装结构出现早期损坏、维修养护严重等问题，给桥梁交通功能带来诸多隐患，因此如何提升浇注式沥青混合料的使用性能成为现阶段桥梁工作者亟需关注的热点课题[1-2]。

近年来，国内学者已在桥面铺装浇注式沥青混合料性能改善方面进行了不少研究，如研究了温拌改性剂类型及掺量对不同油石比浇注式沥青混合料路用性能的影响，得到温拌改性剂的掺量不宜过高，RH改性剂性能改善效果优于Sasobit[3]；考察了集料种类、砂率、矿粉细度对浇注式沥青混合料性能的影响，得出集料种类对混合料性能影响较小，适宜矿粉细度能改善混合料的路用性能[4]；以港珠澳大桥桥面铺装工程为背景，针对浇注式沥青混合料性能优化进行试验研究，确定了其最佳配合比[5]；研究了聚合物、湖沥青及硬质沥青等复合改性沥青的路用性能，得到聚合物复合改性沥青制备而成的浇注式混合料具备更优的综合性能[6]。

基于此，本文以玻璃纤维和桥面铺装GA10浇注式沥青混合料为对象，系统考察了玻璃纤维掺量对浇注式沥青混合料工作性能、路用性能及抗疲劳性能的影响规律，以为桥面铺装浇注式沥青混合料的设计及应用提供参考与借鉴。

1 试验材料与级配设计
1.1 试验原材料
沥青结合料采用特立尼达TLA湖沥青与AH70#基质沥青复配的混合沥青（质量比为
70∶30），试验方法采用JTG E20—2011，其相关性能指标与检测结果如表1所示。

粗集料采用规格为3～5、5～10 mm的玄武岩，细集料采用规格为0～3 mm的石灰石机制砂，填料采用无团粒结块的石灰石粉，粗细集料的性能指标均满足相关规范要求。

纤维采用长度为12 mm的普通玻璃
纤维，其性能指标如表2所示。

1.2 级配设计
按照文献[7]、文献[8]的方法采用GA10级配作为浇注式沥青混合料性能的矿料级配，其级配设计如表3所示。

试验首先根据级配设计与初拟油石比（7.2%、7.6%、8%、8.4%、
8.8%），在室内成型沥青混合料试件，然后分别对成型试件依次进行工作性能、高温及低温性能试验，测试出刘埃尔流动度（240 ℃）、贯入度（60 ℃）及最大弯曲应变（-10 ℃）等一系列指标参数（见表4），并确定出浇注式沥青混合料的最佳油石比为8%。

2 试验结果及分析
为了研究玻璃纤维对浇注式沥青混合料工作性能、路用性能及疲劳性能的影响，本文设计了玻璃纤维掺量为0%、1%、2%、3%、4%、5%的6组纤维浇注式沥青混合料试件，以评价玻璃纤维浇注式沥青混合料的各项性能指标。

2.1 工作性能
玻璃纤维浇注式沥青混合料的工作性能采用240 ℃刘埃尔流动度进行评价，其值越小表明了沥青混合料的流动性更优。

通过对不同玻璃纤维掺量浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度进行测试，得到测试结果如图1所示。

由图1可知，浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度随着玻璃纤维掺量的增加呈逐渐增大变化趋势，说明沥青混合料的流动性随之逐渐减弱。

不同玻璃纤维浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度均在10～19 s，表明沥青混合料的施工性能均满足规范的要求（3～20 s），其中玻璃纤维掺量为0%时，浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度为10 s；当玻璃纤维掺量为5%时，沥青混合料的刘埃尔流动度则达到了19 s，较于未掺纤维浇注式沥青混合料的流动度减弱了90%，原因是沥青混合料中存在一部分沥青保证了胶浆的粘结性与延展性，但也存在另一部分自由分散的沥青则被玻璃纤维逐步吸附，因而削弱了沥青混合料的工作流动性。

2.2 高温稳定性
纤维浇注式沥青混合料的高温稳定性分别采用贯入度和车辙动稳定度2个指标进行评价，其中贯入度值越小，表明沥青混合料在高温、荷载共同作用下的抗变形性能更佳。

贯入度试验
及车辙试验的温度均为60 ℃，通过对不同玻璃纤维掺量的浇注式沥青混合料进行高温稳定性测试，结果如图2所示。

由图2可知，浇注式沥青混合料的贯入度随着玻璃纤维掺量的增加呈先减小后增大变化趋势，其中当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，沥青混合料的贯入度逐渐减小，在玻璃纤维为3%时，贯入度达到最小值1.23 mm，说明沥青混合料的高温抗变形能力得到了有效的提升，原因是玻璃纤维吸收了胶浆外的一部分自由沥青，限制了不同骨料之间的滑移能力，加之玻璃纤维具有一定的加筋作用，因此浇注式沥青混合料的高温抗变形性能逐渐增强；但当玻璃纤维掺量由3%增至5%时，沥青混合料的贯入度反而逐渐增大，表明了高温抗变形能力不断降低，原因是过量的玻璃纤维不仅将自由沥青完全吸附，而且连胶浆内的部分沥青也被吸收，导致浇注式沥青混合料的粘结及延展性能下降。

随着玻璃纤维掺量的增加，沥青混合料的车辙动稳定度呈先增大后减小变化趋势，其中未掺玻璃纤维浇注式沥青混合料的车辙动稳定度为483次
/mm，而玻璃纤维掺量为1%～5%时，车辙动稳定度分别为538、599、677、670和621次
/mm，较未掺纤维分别提高了11.4%、24%、40.2%、38.7%、28.6%，说明玻璃纤维掺入对浇注式沥青混合料的高温稳定性均有所改善，且3%玻璃纤维掺量的混合料高温抗变形性能最佳，原因是适宜掺量的玻璃纤维能够有效加筋于沥青与骨料之间，从而提升了沥青混合料的高温抗变形性能。

2.3 低温抗裂性
通过对不同掺量玻璃纤维浇注式沥青混合料进行-10 ℃小梁弯曲试验，得到最大弯曲应变、最大弯拉应力试验结果如图3所示。

由图3可知，随着玻璃纤维掺量的增加，浇注式沥青混合料的最大弯曲应变和最大弯拉应力均呈先增大后减小变化趋势。

其中，当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，沥青混合料的的最大弯曲应变和最大弯拉应力均逐渐增大，在玻璃纤维为3%时，最大弯曲应变和最大弯拉应力达到峰值分别为7 988 με、11.7 MPa；当玻璃纤维掺量由3%增至5%时，沥青混合料的最大弯曲应变和最大弯拉应力则均逐渐减小，但仍超过未掺纤维混合料，说明玻璃纤维的掺入能够有效提升浇注式沥青混合料的低温抗裂性，3%玻璃纤维沥青混合料的低温稳定性表现最好。

2.4 水稳定性
浇注式沥青混合料的水稳定性能采用冻融劈裂试验来评价。

通过对玻璃纤维浇注式沥青混合料展开冻融劈裂试验，得到冻融劈裂强度比试验结果如图4所示。

由图4可知，浇注式沥青混合料的冻融劈裂强度比随着玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化趋势，其中未掺玻璃纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比为91.5%，当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，冻融劈裂强度比不断增大，在玻璃纤维掺量为3%时，混合料的冻融劈裂强度比达到最大值94.6%。

而继续掺入玻璃纤维后，冻融劈裂强度比则随之逐渐减小，但仍高于未
掺纤维沥青混合料，说明掺入玻璃纤维后浇注式沥青混合料的水稳定性均有所提升，且玻璃纤维为3%的沥青混合料水稳定性能表现最佳。

2.5 抗疲勞性能
本文设计了600～1 000 με这5种应变水平，采用UTM对不同玻璃纤维浇注式沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，得到其疲劳寿命试验结果如图5所示。

1 试验材料与级配设计
1.1 试验原材料
沥青结合料采用特立尼达TLA湖沥青与AH70#基质沥青复配的混合沥青（质量比为70∶30），试验方法采用JTG E20—2011，其相关性能指标与检测结果如表1所示。

粗集料采用规格为3～5、5～10 mm的玄武岩，细集料采用规格为0～3 mm的石灰石机制砂，填料采用无团粒结块的石灰石粉，粗细集料的性能指标均满足相关规范要求。

纤维采用长度为12 mm的普通玻璃
纤维，其性能指标如表2所示。

1.2 级配设计
按照文献[7]、文献[8]的方法采用GA10级配作为浇注式沥青混合料性能的矿料级配，其级配设计如表3所示。

试验首先根据级配设计与初拟油石比（7.2%、7.6%、8%、8.4%、
8.8%），在室内成型沥青混合料试件，然后分别对成型试件依次进行工作性能、高温及低温性能试验，测试出刘埃尔流动度（240 ℃）、贯入度（60 ℃）及最大弯曲应变（-10 ℃）等一系列指标参数（见表4），并确定出浇注式沥青混合料的最佳油石比为8%。

2 试验结果及分析
为了研究玻璃纤维对浇注式沥青混合料工作性能、路用性能及疲劳性能的影响，本文设计了玻璃纤维掺量为0%、1%、2%、3%、4%、5%的6组纤维浇注式沥青混合料试件，以评价玻璃纤维浇注式沥青混合料的各项性能指标。

2.1 工作性能
玻璃纤维浇注式沥青混合料的工作性能采用240 ℃刘埃尔流动度进行评价，其值越小表明了沥青混合料的流动性更优。

通过对不同玻璃纤维掺量浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度进行测试，得到测试结果如图1所示。

由图1可知，浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度随着玻璃纤维掺量的增加呈逐渐增大变化趋势，说明沥青混合料的流动性随之逐渐减弱。

不同玻璃纤维浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度均在10～19 s，表明沥青混合料的施工性能均满足规范的要求（3～20 s），其中玻璃纤维掺量为0%时，浇注式沥青混合料的刘埃尔流动度为10 s；当玻璃纤维掺量为5%时，沥青混合料的刘埃尔流动度则达到了19 s，较于未掺纤维浇注式沥青混合料的流动度减弱了90%，原因是沥青混合料中存在一部分沥青保证了胶浆的粘结性与延展性，但也存在另一部分自由分散的沥青则被玻璃纤维逐步吸附，因而削弱了沥青混合料的工作流动性。

2.2 高温稳定性
纤维浇注式沥青混合料的高温稳定性分别采用贯入度和车辙动稳定度2个指标进行评价，其中贯入度值越小，表明沥青混合料在高温、荷载共同作用下的抗变形性能更佳。

贯入度试验及车辙试验的温度均为60 ℃，通过对不同玻璃纤维掺量的浇注式沥青混合料进行高温稳定性测试，结果如图2所示。

由图2可知，浇注式沥青混合料的贯入度随着玻璃纤维掺量的增加呈先减小后增大变化趋势，其中当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，沥青混合料的贯入度逐渐减小，在玻璃纤维为3%时，贯入度达到最小值1.23 mm，说明沥青混合料的高温抗变形能力得到了有效的提升，原因是玻璃纤维吸收了胶浆外的一部分自由沥青，限制了不同骨料之间的滑移能力，加之玻璃纤维具有一定的加筋作用，因此浇注式沥青混合料的高温抗变形性能逐渐增强；但当玻璃纤维掺量由3%增至5%时，沥青混合料的贯入度反而逐渐增大，表明了高温抗变形能力不断降低，原因是过量的玻璃纤维不仅将自由沥青完全吸附，而且连胶浆内的部分沥青也被吸收，导致浇注式沥青混合料的粘结及延展性能下降。

随着玻璃纤维掺量的增加，沥青混合料的车辙动稳定度呈先增大后减小变化趋势，其中未掺玻璃纤维浇注式沥青混合料的车辙动稳定度为483次
/mm，而玻璃纤维掺量为1%～5%时，车辙动稳定度分别为538、599、677、670和621次
/mm，较未掺纤维分别提高了11.4%、24%、40.2%、38.7%、28.6%，说明玻璃纤维掺入对浇注式沥青混合料的高温稳定性均有所改善，且3%玻璃纤维掺量的混合料高温抗变形性能最佳，原因是适宜掺量的玻璃纤维能够有效加筋于沥青与骨料之间，从而提升了沥青混合料的高温抗变形性能。

2.3 低温抗裂性
通过对不同掺量玻璃纤维浇注式沥青混合料进行-10 ℃小梁彎曲试验，得到最大弯曲应变、最大弯拉应力试验结果如图3所示。

由图3可知，随着玻璃纤维掺量的增加，浇注式沥青混合料的最大弯曲应变和最大弯拉应力均呈先增大后减小变化趋势。

其中，当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，沥青混合料的的最大弯曲应变和最大弯拉应力均逐渐增大，在玻璃纤维为3%时，最大弯曲应变和最大弯拉应力达到峰值分别为7 988 με、11.7 MPa；当玻璃纤维掺量由3%增至5%时，沥青混合料的最大弯
曲应变和最大弯拉应力则均逐渐减小，但仍超过未掺纤维混合料，说明玻璃纤维的掺入能够有效提升浇注式沥青混合料的低温抗裂性，3%玻璃纤维沥青混合料的低温稳定性表现最好。

2.4 水稳定性
浇注式沥青混合料的水稳定性能采用冻融劈裂试验来评价。

通过对玻璃纤维浇注式沥青混合料展开冻融劈裂试验，得到冻融劈裂强度比试验结果如图4所示。

由图4可知，浇注式沥青混合料的冻融劈裂强度比随着玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化趋势，其中未掺玻璃纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比为91.5%，当玻璃纤维掺量由0%增至3%时，冻融劈裂强度比不断增大，在玻璃纤维掺量为3%时，混合料的冻融劈裂强度比达到最大值94.6%。

而继续掺入玻璃纤维后，冻融劈裂强度比则随之逐渐减小，但仍高于未掺纤维沥青混合料，说明掺入玻璃纤维后浇注式沥青混合料的水稳定性均有所提升，且玻璃纤维为3%的沥青混合料水稳定性能表现最佳。

2.5 抗疲劳性能
本文设计了600～1 000 με这5种应变水平，采用UTM对不同玻璃纤维浇注式沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，得到其疲劳寿命试验结果如图5所示。