基于直剪试验的复配纤维组成设计及其混合料经济性能研究

张海伟，张 强

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：张海伟（1989－），男，长安大学公路学院博士研究生，道路与铁道工程专业。

摘 要：按照正交—重复试验设计方法将不同比例的木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维复配，组成复配纤维，应用直剪设备对复配纤维改性沥青进行剪切试验，以抗剪强度为指标，优选了复配纤维的掺量及各组分最佳掺配比例；进一步对复配纤维改性沥青混合料进行车辙实验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验并引入价值系数概念，研究了混合料的路用性能和经济性。结果表明：复配纤维掺量为3‰，组成成分木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维掺配比例为1∶2∶2时，其改性沥青的抗剪性能最好；相比各单纤维沥青混合料和SBS改性沥青混合料，复配纤维改性沥青混合料能够充分发挥各单纤维的改性优势并具有更高的价值系数。

关键词：复配纤维；直剪试验；掺量及掺配比例；路用性能；价值系数

Abstract：Based on the method of repeated orthogonal experimental design，composite fiber which consists of different propor－tions of cellulose fiber，polyester fiber，basalt fiber is put into the matrix asphalt to manufacture composite fiber modified as－phalt．The index of shear strength obtained through direct shear test is used to determine the optimum dosage and proportion of composite fiber．Then the pavement performance of composite fiber asphalt mixture is tested and the economical efficiency is studied using value coefficient．The results show that the optimum dosage of composite fiber is 3‰，and the optimum pro－portion of cellulose fiber，polyester fiber，basalt fiber is 1∶2∶2．Composite fiber asphalt mixture has better pavement per－formance than matrix asphalt mixture and higher value coefficient than SBS modified asphalt mixture．

Key words：composite fiber；direct shear test；fiber content and proportion；pavement performance；value coefficien

1 引言

纤维作为一种沥青混合料添加剂，具有改善混合料路用性能、延长道路使用寿命、施工简单等优点［1］。近年来，很多学者开始对复配纤维进行研究，发现复配纤维相比单纤维，其各种组分能起到优劣互补的作用，对沥青混合料性能提升作用更明显，性能改善也更加均衡［2－5］。但是在复配纤维的推广应用过程中，其掺量及各组分比例确定始终是配合比设计中的一个难点，另外国内较少有针对复配纤维经济性的相关研究，这些问题都制约了复配纤维这项改性技术的发展。本文以一种复配纤维为例，成分包括木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维，提出一种简单可行的复配纤维混合料组成设计方法，即采用正交—重复试验设计方法开展纤维改性沥青直剪试验，根据抗剪强度指标优选复配纤维的最优掺量及各组分最佳掺配比例，然后进行马歇尔试验确定混合料最佳沥青用量，进一步比较复配纤维沥青混合料与基质沥青混合料、单纤维沥青混合料和SBS沥青混合料的路用性能，并提出价值系数概念说明复配纤维沥青混合料的经济性，为复配纤维改性技术的推广提供了依据。

2 复配纤维组成设计

2．1 复配纤维组成成分

复配纤维的组成成分包括木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维，各单纤维在改善沥青混合料性能方面各有优势：木质素纤维具有吸附沥青、提高沥青混合料耐久性的功能［6］；聚酯纤维在改善混合料低温性能方面作用突出［7］；玄武岩纤维能提高沥青混合料高温抗车辙能力，且能兼顾改善混合料低温性能［8］。参考《沥青路面用木质素纤维》（JT－T 533－2004）、《沥青路面用聚合物纤维》（JT－T 534－2004）对三种单纤维的各项技术性能进行测试，试验结果如表1所示。

表1 纤维技术性能测试结果

2．2 试验设计

3种纤维在单独应用于沥青混凝土时，考虑性能改善作用及经济性的最佳掺量一般在2．5‰～3．5‰（纤维占沥青混合料的质量比）［9－11］，本文选择2．5‰、3．0‰、3．5‰三个掺量作为复配纤维掺量的优选范围，复配纤维中各单纤维可取1份、2份、3份三种比例。复配纤维改性沥青在沥青混合料的整个体系中所占的比例相对较小，但它在沥青混合料中起着非常重要的作用，是影响混合料力学特性的根本因素。对复配纤维改性沥青进行性能试验，可以反映其混合料的相关力学性能，所以考虑通过对纤维改性沥青进行研究来优选复配纤维掺量及组成比例。

长安大学发明的沥青直剪仪可以用来测试沥青抗剪强度，抗剪强度值越大表明沥青在荷载下抵抗变形能力越强。复配纤维组成不同、掺量不同，则对沥青的改性作用也不同，当纤维加筋效果越好时，所测得改性沥青抗剪强度就越高。沥青直剪仪由加力部分、剪切部分（包括水槽）和测力部分组成，其中加力部分采取曲柄手轮匀速缓慢地转动来达到加力效果；剪切部分通过处于水槽中的上下模具在加力装置推动下产生错动，从而达到剪切效果；测力部分借助于应力环对沥青抗剪能力进行量化反映。匀速转动曲柄手轮施加荷载，在荷载作用下，模具带动沥青试件向前移动，上模具受到应力环阻挡，下模具继续前行，在上下模具间产生剪切面，剪切面处沥青试件所受剪切力由应力环反映。具体设备见图1。

对复配纤维改性沥青进行直剪试验，影响改性沥青抗剪强度因素较多，考虑采用正交试验设计，在正交设计中该问题属4因素3水平试验，同时为了便于对结果进行方差分析，采用正交—重复试验设计方法，具体的正交设计试验方案如表2。

图1 直剪设备图

表2 正交试验方案设计

按照表2中各种纤维的掺配比例均匀混合9种复配纤维，按不同掺量分别加入到基质沥青中，匀速搅拌30～45min，制备不同的复配纤维改性沥青。制备好的复配纤维改性沥青在150～160℃的温度条件下倒入直径为60mm，高度为70 mm的试模中，冷却2～4h至室温备用。试验前将装有纤维改性沥青的试验模子放入水浴箱中在20℃下保温不少于2h，确保试样内部温度达到20℃。试验时以位移控制模式加载，5s旋转一周的速度（0．12mm／s）匀速缓慢地转动曲柄，加载100次时上下模具相对位移达到沥青试件直径，停止试验。试验过程中观察实验现象，并每隔5s记录百分表读数。

2．3 直剪试验结果分析

试验过程中记录了仪器每旋转一周时的沥青试件的剪切强度值，本文选择2＃、4＃、5＃试验数据绘制了沥青剪切强度—周次曲线图，具体如图2所示。

从图2中可以看出，复配纤维沥青试件在上下模具发生相对位移时产生剪切破坏，剪切破坏的过程基本可以分为两个阶段。第一阶段为上升期，发生在在加力初期，剪切强度随位移呈直线上升，表现了沥青试件的弹性特性，抗剪能力越强的试件该阶段持续时间越长；第二阶段为下降期，这一阶段曲线的主要特征是沥青试件已达到抗剪强度，沥青试件发生剪切破坏，但是曲线并没有呈现立刻下降趋势，而是保持着一段稳定过渡或缓慢下降，这主要是因为纤维的加筋作用和沥青的黏性特性保证了沥青试件不至于快速失效。另外，从实验数据中还发现曲线在下降阶段存在部分点发生突变的现象，这主要是因为复配纤维沥青试件在成型时，难以保证复配纤维能够完全均匀分散其中，但是这种突变并不影响曲线变化的整体趋势。

图2 复配纤维沥青剪切强度变化曲线

以抗剪强度为评价指标，对实验结果进行方差分析，分析结果见表3、表4。

表3 剪切试验结果

表4 方差分析

方差分析结果表明4种因素的作用高度显著，即各单纤维的比例和复配纤维的掺量均会显著影响试验结果。各因素的影响排序为复配纤维掺量＞木质素掺配比例＞玄武岩掺配比例＞聚酯纤维掺配比例，且玄武岩掺配比例与聚酯纤维掺配比例影响程度相差不大。表4中的k值代表各因素在一定水平条件下的试验值，因素A的3个水平所对应的试验值k1、k2、k3分别为324、230和227，因素A水平1所对应的试验值324k Pa （抗剪强度值）最大，所以取因素A的第1水平，也就是说木质素纤维的掺配比例取1份时得到的抗剪强度值较好。同理可以确定其他三个因素的最佳水平，进而确定抗剪强度最大值的水平组合为A1B2C2D2，即复合纤维掺量为混合料质量的3‰，组成比例为木质素纤维∶聚酯纤维∶玄武岩纤维＝1∶2∶2时，其改性沥青抗剪效果最好。

3 复配纤维混合料路用性能试验

制备基质沥青混合料（JZ）、各单纤维沥青混合料（M、J、X）、复配纤维沥青混合料（F）和SBS沥青混合料（S）试件进行路用性能比较。基质沥青选用直剪试验所用的国产A级70＃沥青，SBS改性沥青选用陕西国创生产I－C型，粗集料为石灰岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成，原材料各项指标均满足规范要求。复配纤维掺量为混合料质量的3‰，组成比例为木质素纤维∶聚酯纤维∶玄武岩纤维＝1∶2∶2。各单纤维掺量均为混合料质量的3‰。

各混合料矿料级配均采用AC－13C型，级配曲线见图3。

参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）要求，以4％空隙率作为目标空隙率，按马歇尔法确定基质沥青混合料（JZ）、各单纤维沥青混合料（M、J、X）、复配纤维沥青混合料（F）和SBS沥青混合料（S）的最佳沥青用量，并在最佳沥青用量下，对各混合料进行车辙试验，－10℃小梁弯曲试验和冻融劈裂试验比较6种沥青混合料高温性能、低温性能和水稳性能。具体试验结果见表5。

图3 矿料级配曲线图

表5 沥青混合料路用性能试验结果

以动稳定度、破坏应变和冻融残留强度比TSR作为混合料路用性能评价指标，可以得出：复配纤维沥青混合料与SBS沥青混合料相比，其路用性能尚有一定差距，但相比于各单纤维沥青混合料，复配纤维对混合料的改性作用更加均衡。各纤维沥青混合料高温性能排序为玄武岩纤维＞复配纤维＞聚酯纤维＞木质素纤维，低温性能排序为聚酯纤维＞复配纤维＞玄武岩纤维＞木质素纤维，水稳性能排序为复配纤维＞玄武岩纤维＞聚酯纤维＞木质素纤维。复配纤维相比玄武岩纤维，其改善沥青混合料高温性能的能力与玄武岩纤维十分接近，且其在改善混合料的低温性能和水稳性能方面更具有优势；复配纤维相比聚酯纤维，改善混合料低温性能稍差，但是其对混合料高温性能和水稳性能的改善效果要更好；复配纤维相比木质素纤维，虽然价格要远高于木质素纤维，但是其对混合料各项路用性能的改善作用均远好于木质素纤维。所以综合上表可以看出复配纤维充分发挥了各单纤维的优势，对混合料的路用性能具有综合改善作用，各单纤维的复掺对混合料路用性能改善产生了叠加效应。

4 复配纤维沥青混合料经济性评价

为进一步比较复配纤维与各单纤维及SBS改性沥青的经济效益，引用工程经济领域中的价值工程原理［12］来加以量化。计算价值系数采用的公式为：

其中：F代表混合料性能提升系数；

C代表混合料费用增长系数；

V代表价值系数，其大小可以表征以增加一定的费用来换取性能的提升是否合算。

4．1混合料性能提升系数计算

混合料性能提升系数是对所研究混合料相比于基质沥青混合料性能提升的一种量化表示，定义其计算方法如下：

Fi代表各分项路用性能提升系数，Wi代表各分项路用性能提升权重系数。

以SBS路用性能提升作为基准值，纤维沥青混合料各分项路用性能提升系数Fi计算公式如下：

各分项路用性能提升权重系数Wi按地区气候对沥青路面性能的要求程度进行计算。首先确定混合料所使用地区的沥青沥青路面气候分区，对于不同的分区给予不同的分数，见下表6。然后按照下式计算Wi：

表6 分区打分

以西安地区为例，按沥青路面性能分区属于夏炎热、冬冷、湿润区，各纤维沥青混合料和SBS沥青混合料性能提升系数计算过程见表7。

4．2 混合料费用增长系数计算

针对沥青混合料施工中材料主要费用内容，各改性沥青混合料相对于基质沥青混合料，费用增长主要包括沥青材料增加费、纤维材料增加费和燃油增加费。以1t沥青混合料作为1个计算单位，对增长费用进行计算。参照市场报价，基质沥青的价格为4600元／t，SBS改性沥青的价格为5800元／t；木质素纤维的价格为3000元／t，聚酯纤维的价格为10000元／t，玄武岩纤维的价格为12000元／t。基质沥青混合料、纤维沥青混合料和SBS沥青混合料生产过程中能耗不同，工程中3类沥青混合料常用拌合温度分别为160℃、170℃和180℃。参照文献［13］可知，拌合温度为160℃时燃料油消耗为6．58L／t，拌合温度为170℃时燃料油消耗为7．08L／t，拌合温度为180℃燃料油消耗为7．58L／t，燃料油价格为4900元／t。费用增长计算过程及结果见下表8。

表7 性能提升系数计算

表8 沥青混合料费用增长计算

4．3 混合料价值系数计算

将各混合料性能提升系数和费用增长系数代入价值系数计算公式中，可得到各混合料的价值系数，该系数表示通过对基质沥青混合料进行改性，增加投入100元时混合料性能提升的相对程度。各混合料的价值系数具体排序如下：复配纤维改性（1．60）＞SBS改性（1．33）＞木质素纤维改性（1．28）＞聚酯纤维改性（1．09）＞玄武岩纤维改性（1．05）。从以上排序结果可以看出复配纤维相比各单纤维其经济效果更好，尤其值得注意的是复配纤维改性的经济性超越了SBS改性，说明复配纤维是一种很“值”的手段，在路用性能达到使用要求的情况下，可以替代SBS改性沥青混合料。

5 结 论

（1）直剪试验结果表明，由木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维组成的复配纤维各组分最佳掺配比例为1∶2∶2，最佳掺量为3‰；基于直剪试验进行的复配纤维沥青混合料组成设计，方法简单，切实可行，为复配纤维混合料组成设计提供了一种新思路。

（2）混合料路用性能试验表明，复配纤维沥青混合料路用性能更加均衡，充分发挥了各单纤维的改性优势，单纤维的复掺对混合料改性具有叠加效应；混合料经济性能分析表明，复配纤维的经济效益高于各单纤维。

（3）复配纤维沥青混合料路用性能虽然不如SBS改性沥青混合料，但是其经济性好于SBS改性沥青混合料，在路面材料领域提供了一种新的选择，在实体工程中是一种值得推广的改性沥青混合料。

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