夏天文，趙承偉，張大斌

(1.八步交通運輸局，廣西 賀州 542800；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

OGFC是一種具有較多內(nèi)部連通空隙的開級配瀝青混合料，適用于多雨濕潤地區(qū)道路工程瀝青路面表面層的鋪筑，能夠顯著改善瀝青路面的排水性能，兼具良好的抗滑和降噪功能[1]。但OGFC過大的空隙率也會導致一系列問題。

已有研究表明，OGFC瀝青混合料的力學性能隨著空隙率的增加而逐漸減小，力學性能與排水性能呈現(xiàn)明顯的負相關關系。當空隙率超過21%時，混合料的高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性等均出現(xiàn)較大程度的衰減[2]。此外，在實際應用過程中，OGFC瀝青路面通常會承受長時間的雨水沖刷、曝曬和凍融等作用，容易發(fā)生局部破壞而影響行車安全[3]。

為解決上述問題，通常在混合料中摻加纖維制備改性OGFC瀝青混合料，以改善其低溫、高溫和凍融等環(huán)境下的力學及路用性能[4]。目前，改性OGFC瀝青混合料常用的纖維有聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維及耐堿玻璃纖維等。王玉林等[5]研究了摻加木質(zhì)素纖維對再生OGFC瀝青混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)引入木質(zhì)素纖維可以有效改善再生透水瀝青混合料的高溫性能、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性。何東坡等[6]在OGFC中加入了不同長度的玄武巖纖維，通過開展析漏試驗、飛散試驗、抗滑試驗、車轍試驗、凍融劈裂試驗和滲水試驗，證實玄武巖纖維的加入改善了混合料的路用性能。

耐堿玻璃纖維是以SiO2含量較大的礦物為原料加工而成的，具有理想的瀝青混合料所需的力學特性，包括低伸長率、高拉伸模量、高彈性恢復能力以及高軟化點，這些特性對提高瀝青的流變性能、抗車轍性能及低溫抗裂性能十分有利[7]。在OGFC中加入適量的耐堿玻璃纖維能夠限制瀝青在混合料中的流動，通過吸附瀝青以增加油膜厚度，起到提高穩(wěn)定度的作用[8]。然而，耐堿玻璃纖維具有較大的脆性，會降低瀝青材料的韌性并增加其剛度，同時其耐磨性較差，可能會降低瀝青混合料的抗磨耗性能[9]。與此同時，納米二氧化硅在瀝青混合料中的分散作用能夠產(chǎn)生具有理想性能的聚合物納米復合材料，可以改善耐堿玻璃纖維改性OGFC瀝青混合料的缺陷。

本文基于耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅兩種材料的結合，制備改性OGFC瀝青混合料，通過開展一系列室內(nèi)試驗，評估耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性對OGFC瀝青混合料性能的綜合影響，以改善瀝青混合料的路用性能，消除OGFC瀝青混合料的缺陷。

1 試驗原材料

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青，其物理指標如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青物理指標表

粗細集料均采用石灰?guī)r，規(guī)格分別為4.75～9.5 mm，9.5～16 mm，0～4.75 mm，其中細集料含量較少。礦質(zhì)混合料級配曲線如下頁圖1所示。

圖1 礦料級配曲線圖

本研究使用的纖維是尺寸為12 mm的耐堿玻璃纖維。為保證OGFC瀝青混合料的正常排水功能，耐堿玻璃纖維的摻入量一般不超過混合料總質(zhì)量的0.3%。耐堿玻璃纖維的特性如表2所示。

表2 耐堿玻璃纖維基本性能表

通常，納米二氧化硅專門用于改善瀝青結合料的性能。根據(jù)以往的研究，納米二氧化硅的最佳含量確定為4%。本研究中使用的納米二氧化硅性能如表3所示。

表3 納米二氧化硅基本性能表

2 試驗及分析

2.1 析漏試驗

為確定改性OGFC瀝青混合料的最佳瀝青用量，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行謝倫堡瀝青析漏試驗。分別開展5.5%、6.5%兩組瀝青用量和0.1%、0.2%兩組耐堿玻璃纖維摻量下的OGFC瀝青混合料析漏試驗，混合料中納米二氧化硅的摻量均為4%。試驗結果如圖2所示。

圖2 析漏試驗結果對比柱狀圖

根據(jù)圖2所示的瀝青析漏試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，瀝青用量為5.5%時，兩種混合料的析漏損失均處于較低水平，因此以5.5%作為改性OGFC瀝青混合料的最佳瀝青用量。

對比耐堿玻璃纖維在0.1%、0.2%兩種摻量下的OGFC瀝青混合料的析漏試驗結果，OGFC瀝青混合料在0.2%耐堿玻璃纖維摻量時析漏損失相對較低，且油石比越高，0.2%耐堿玻璃纖維摻量下OGFC析漏損失降低幅度越大。這表明增加耐堿玻璃纖維的摻量可以有效降低OGFC瀝青混合料的析漏損失。因此，改性OGFC瀝青混合料的耐堿玻璃纖維摻量取0.2%。

2.2 肯塔堡飛散試驗

根據(jù)析漏試驗結果確定了改性OGFC瀝青混合料的瀝青用量為5.5%、復合改性劑為0.2%耐堿玻璃纖維和4%納米二氧化硅材料的組合。為了進一步評價改性OGFC瀝青混合料的內(nèi)聚強度和耐磨性，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行肯塔堡飛散試驗。本試驗依照是否對混合料進行改性或老化處理，制備了四組OGFC瀝青混合料試件。未老化試樣按照標準擊實法成型馬歇爾試件，經(jīng)50次雙面擊實后置于20 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生20 h，取出后擦去試件表面水分備用；老化試樣經(jīng)135 ℃強制通風烘箱短期老化4 h，以相同方法成型試件后放置于85 ℃烘箱中連續(xù)加熱5 d模擬長期老化，完成后自然冷卻16 h以上。四組OGFC瀝青混合料飛散損失試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出：

圖3 飛散損失測試結果對比柱狀圖

(1)從OGFC瀝青混合料改性前、后飛散損失結果對比來看，摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅能有效降低OGFC瀝青混合料的飛散損失約33.5%；從改性前、后的OGFC瀝青混合料進行老化處理后的飛散損失結果對比來看，摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅使得混合料的飛散損失降低約34.8%。這表明摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對于老化前、后OGFC瀝青混合料的內(nèi)聚強度和耐磨性均有較好的改善作用。

(2)從未改性的OGFC瀝青混合料老化前、后的飛散損失結果對比來看，老化作用明顯增加了OGFC瀝青混合料的飛散損失，增加幅度約33.8%；從改性的OGFC瀝青混合料老化前、后的飛散損失結果對比來看，老化作用增加了改性OGFC瀝青混合料的飛散損失，增加幅度約為32.4%。這表明摻入耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對OGFC瀝青混合料進行改性可適當降低老化作用對其內(nèi)聚強度和耐磨性的影響。

(3)從未改性未老化的OGFC瀝青混合料與改性老化OGFC瀝青混合料飛散損失結果對比來看，兩者的飛散損失結果相當，可以認為耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性能夠彌補老化效應對OGFC瀝青混合料造成的不利影響。

2.3 滲水試驗

為檢驗耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性對OGFC瀝青混合料排水性能的影響，首先計算改性前、后混合料試樣的有效空隙率(即不考慮材料內(nèi)部的閉口孔隙)，結果如圖4所示。

圖4 未改性和改性試樣有效空隙率對比柱狀圖

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行滲水試驗，采用輪碾法制作瀝青混合料試件，改性前、后的OGFC瀝青混合料分別制備三組平行試件。使用滲水儀測定每個試件的滲水系數(shù)，并計算平均值，試驗結果見表4。

表4 OGFC瀝青混合料滲水系數(shù)試驗結果表

由圖4可知，改性OGFC瀝青混合料的有效空隙率減少了1.92%，原因是隨著耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料的加入，OGFC混合料的內(nèi)部空隙被部分填充，連通空隙減少。由表4可知，改性OGFC瀝青混合料的滲水系數(shù)與未改性相比下降了18%，說明耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性降低了OGFC瀝青混合料的排水性能。

2.4 抗滑試驗

為評價耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性后OGFC瀝青混合料的抗滑性能，參照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》(JTG E60-2008)，成型長300 mm、寬300 mm、厚50 mm車轍板試件，采用擺式儀測試OGFC擺值。改性前、后OGFC瀝青混合料的擺值測試結果如圖5所示。

圖5 OGFC擺值測試結果對比柱狀圖

圖5所示的測試結果表明，添加耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料可將OGFC的擺值降低6%左右，說明對混合料的路面抗滑性能有所改善。這主要是因為耐堿玻璃纖維表面的粗糙度較高，同時耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅的加入減少了混合料內(nèi)部的有效空隙。

2.5 凍融劈裂試驗

通過開展凍融劈裂試驗以評價耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性后OGFC瀝青混合料的水穩(wěn)定性。采用馬歇爾擊實法成型OGFC瀝青混合料圓柱體試件，雙面擊實各50次，根據(jù)是否進行改性和凍融將試件分成四組，每組4個試件。將需要進行凍融的兩組試件經(jīng)真空飽水后放置在-18 ℃的環(huán)境中冷凍16 h，取出后立即放入60 ℃恒溫水槽中保溫24 h，完成后同另外兩組試件全部浸入25 ℃恒溫水槽中備用。使用MTS萬能試驗機開展劈裂試驗，試驗溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min?；旌狭吓芽估瓘姸仍囼灲Y果如圖6所示。

圖6 OGFC劈裂抗拉強度試驗結果對比柱狀圖

劈裂抗拉強度試驗結果表明，經(jīng)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性后的OGFC瀝青混合料試件，其凍融前和凍融后的間接拉伸強度較未改性的混合料分別提升了28%和34%。這種增長主要歸功于納米二氧化硅改性瀝青的高韌性以及耐堿玻璃纖維的高抗拉強度，混合料中分布的具有低伸長率和高拉伸模量的耐堿玻璃纖維可以有效防止裂紋的萌生和擴展，因而改性后的OGFC瀝青混合料具有更出色的抗裂性能。此外，對比改性前后OGFC瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性的混合料具有更高的TSR值，說明該改性方式有助于提高OGFC瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.6 車轍試驗

通過開展車轍試驗以評價耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性后OGFC瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。按規(guī)范要求使用輪碾成型機碾壓成型長300 mm、寬300 mm、厚50 mm的板狀試件，試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min。試驗結果見圖7。

圖7 OGFC動穩(wěn)定度測試結果對比柱狀圖

由圖7可知，與未改性的OGFC瀝青混合料相比，改性OGFC瀝青混合料的動穩(wěn)定度提升了約20%，可見摻入適量的耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅能夠提高混合料的高溫抗車轍性能。其原因在于耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅材料具有高彈性恢復能力，同時耐堿玻璃纖維的粗糙表面也在一定程度上減少了集料之間因相互位移而產(chǎn)生的塑性應變。

3 結語

本研究主要得出以下結論：

(1)在相同的老化條件下，耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性顯著降低了OGFC瀝青混合料的飛散損失，有利于提高混合料的耐磨性及內(nèi)聚強度，且能在一定程度上彌補混合料因老化效應導致的性能損失。

(2)采用耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅對OGFC瀝青混合料進行復合改性，雖然會降低OGFC瀝青混合料排水性能，但降低幅度較小。由于耐堿玻璃纖維表面的粗糙度較高，混合料的路面抗滑性能有所改善。

(3)采用耐堿玻璃纖維和納米二氧化硅復合改性可顯著提升OGFC瀝青混合料水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性，在0.2%耐堿玻璃纖維和4%納米二氧化硅摻量下，OGFC瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度提升34%，動穩(wěn)定度提升近20%。