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1、聚酯纤维对SMA性能影响的研究廖卫东1 吴少鹏2 张继宁3 薛永杰2（1. 湖北武黄高速公路大修工程指挥部，武汉；2.武汉理工大学，武汉；深圳市众一工程材料有限公司，深圳）摘要：纤维复合材料是常用的道路工程材料之一，SMA是通过在沥青混合料掺入纤维以提高混合料路用性能的一种典型复合材料。本研究以聚酯纤维、玄武岩以及SBS改性沥青作为原材料，对不同纤维掺量下的SMA混合料的路用性能进行试验、分析，利用多重回归分析，预测出了聚酯纤维在SMA中的最佳掺量。关键词：聚酯纤维 SMA 最佳掺量 增强机理 多重回归随着我国公路事业的迅猛发展，现代交通越来越向着密度大、轴载重、渠化交通的方向发展，因此对沥青
2、路面面层的路用性能也提出了更高的要求。在众多改善面层使用性能的措施当中，在沥青混合料中掺加纤维添加剂更是国内外广大研究人员常用的一种方法。近年来日益推广的SMA（Stone Mastic Asphalt）混合料则主要以提高沥青路面的全面使用性能为设计理念，在高温稳定性能、低温抗裂性能、耐久性能方面表现出了优势。它与普通沥青混合料最大的区别就在于纤维稳定剂的使用。通常根据纤维的种类的不同，纤维的掺量在一个范围内是变化的。在我国大部分SMA工程实例中，纤维掺量的确定更多的是依据经验设计，这样往往难以达到纤维的最佳掺量，同时，由于纤维的使用是SMA混合料设计的关键，因此确定最佳的纤维掺量有助于体现S
3、MA优良的路用性能。本研究主要目的就是通过评价在聚酯纤维不同掺量下的SMA混合料的体积以及路用性能，找出使用该纤维的一个最佳掺量用于指导混合料的设计以及SMA路面施工。1 原材料1.1 纤维本次试验使用的是美国菲特尔德A1聚酯纤维。聚酯纤维同沥青一样，也是一种典型的石油化工产品。该类纤维具有在很大的温度变化范围内不脆化、不变形的优点。并且每根纤维都是独立的，可以很好的和沥青结合。图1是该聚酯纤维的扫描电镜照片。主要的技术指标如表1所示。表1 菲特尔德A1聚酯纤维技术参数纤维湿度7%Denier4.5直径0.022mm长度6.35mm比重1.34熔点249抗拉强度552Mpa断裂延伸率30%图1
4、 聚酯纤维扫描电镜2 试验与分析2.1 马歇尔试验本次试验选用的级配为SMA-13，其合成级配以及曲线如下。表2 SMA-13合成级配孔径（mm）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配（%）10092.969.029.421.217.615.714.611.910.0图2 SMA-13级配曲线通常所说的纤维掺量是纤维占全部混合料的质量的百分比。纤维掺量的不同，在混合料中的分散性，有效比表面积以及对混合料加强作用也不尽相同。本文选择了SMA-13型混合料以及聚酯纤维进行试验，纤维掺量分别选择了0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0
5、.40%。马歇尔试验结果如表3所示。表3 纤维掺量对马歇尔试验结果的影响纤维掺量（%）最佳油石比（%）密度（g/cm3）空隙率（%）VMA（%）稳定度（KN）0.155.582.5413.117.510.620.205.782.5323.518.112.290.255.902.5303.818.415.060.306.152.5254.118.715.200.356.202.5184.718.814.980.406.182.5025.219.213.57表3中的结果可以用图3表示。图3 纤维掺量对马歇尔试验结果的影响从图3结果可以看出，随着聚酯纤维的掺量的增加，沥青混合料的最佳油石比会出现一个
6、最大值，混合料的密度降低，空隙率与VMA都增大，而马歇尔稳定度也会随着纤维掺量的增加而出现一个峰值。由于纤维的加入，如同填料一样，需要更多的沥青来裹覆在纤维的表面，纤维的掺量越多，纤维的总比表面积越大，其所需要包裹的沥青的用量越多。但当纤维掺量超过一定量时，纤维在沥青中不能够有效分散，故混合料中沥青的最佳掺量也不在增加。这也是需要确定一个最佳的纤维掺量的最主要原因。纤维的相对密度较小，纤维加入混合料需要占据一定空间，且纤维具有一定的弹性效应，因此相同的击实功下，纤维沥青混合料难以被击实，从而导致密度下降。因此对于SMA路面的施工，有必要提高压实功以及增加碾压次数。同时由于纤维的上述性质，导致空
7、隙率以及VMA增大。从复合材料的角度来分析，宏观上纤维沥青混合料是连续的，但从细观的角度上看它又是不连续且为非均质的，因而伴随着纤维的加入，纤维的分散性往往受到限制时，结团的纤维有使混合料强度下降的趋势。这就解释了为何随着纤维掺量的增加，稳定度会出现峰值。依据空隙率的结果初步估计最佳纤维掺量在0.30%左右。2.2 水稳定性能试验聚酯纤维对SMA混合料的水稳定性能有明显改善。不同纤维掺量下混合料的浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果如表4所示。表4 浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果纤维掺量（%）残留稳定度（%）劈裂强度比（%）0.1580.280.90.2083.385.70.2588.591.80.30
8、93.192.50.3589.890.10.4081.482.4从上表的数据可以看出，随着纤维掺量的增加，无论是残留稳定度还是劈裂强度比指标，均呈现出先增大后减小的趋势。分析主要的原因仍然是过多的纤维并未能起到稳定的作用，相反，由于分散不均匀产生的结团现象导致其不能与沥青有效结合，使得掺量达到一定值后在增加纤维的掺量将导致混合料抗水损害能力下降。分析表中的数据，初步认为最佳纤维掺量点出现在0.30%左右。2.3 高温稳定性能试验不同纤维掺量下的混合料的车辙试验结果如图4所示。图4 纤维掺量对高温稳定性能的影响试验数据表明了，由于聚酯纤维的“桥链”作用的存在，使路面的荷载能及时的分散到矿质骨料以
9、及沥青胶浆中，故使用聚酯纤维能使混合料的抗车辙能力提升。随着纤维掺量的增加，混合料的动稳定度出现一个峰值，这主要是因为，纤维的加入使，其分散性好，与沥青结合性强，通过纤维的加筋以及稳定沥青的作用，能够明显改善SMA混合料的高温稳定性能。但随着纤维掺量的增加，其分散性受到限制，过多的纤维结团后，反而降低了混合料抵抗变形的能力，因此动稳定度会降低。从图中可以看出，对于SMA-13型混合料，聚酯纤维的最佳掺量在0.25%与0.30%之间。2.4 确定最佳纤维掺量由于聚酯纤维的最佳掺量与多个混合料性能指标相关，因此在需要同时考虑多个变量的相互关系时，本文采用多重相关与回归分析来评价纤维的最佳掺量。分析
10、中，设纤维掺量为应变量，自变量包括有空隙率、动稳定度、最佳油石比这三个与纤维掺量关系密切的量。根据本文已有的试验数据，进行的多重回归分析结果如表5所示。表5 多重回归分析结果Coefficient标准误差T StatP ValueIntercept-0.438020.-3.635170.1709空隙率0.0.9.0.动稳定度7.01E-062.67E-062.622970.23188最佳油石比0.0.1.0.根据决定系数R2 = 0.9994以及上述回归系数，建立的线性回归方程如公式（1）所示。Y% = -0.43802 + 0. X1 + 7.01E-06 X2 + 0.X3 （1）在式（1
11、）中，Y% 纤维掺量；X1 空隙率；X2 动稳定度；X3 最佳油石比； 因此，根据公式（1），就可以很方便的推算出最佳纤维掺量。例如，当在设计空隙率为4%，建议最佳油石比为6.2%，以及动稳定度10000次/mm的情况下，通过计算所得的最佳聚酯纤维的掺量为0.27%。与由试验数据推测出的最佳纤维掺量非常接近。3 结论根据以上的试验数据以及分析结果，可以得到以下结论：（1）聚酯纤维是SMA混合料的一种性能优良的纤维添加剂，聚酯纤维的使用能够很好地改善SMA混合料的体积以及路用性能，在武黄高速公路加铺改造的100万余平方的工程实践也验证了这一点；（2）随着聚酯纤维掺量的变化，SMA混合料的最佳油石
12、比、马歇尔稳定度、动稳定度、残留稳定度和劈裂强度比均呈现先上升后下降的趋势；而空隙率与VMA则与纤维掺量发生同向变化；仅有密度随着纤维掺量的增加而减小。（3）利用回归分析，可以对聚酯纤维最佳纤维掺量的进行预测，美国菲特尔德A1聚酯纤维的最佳纤维掺量为0.27%。参考文献1 胡长顺，纤维加强沥青混凝土几个问题的探讨. 西安公路交通大学学报，2001.21（1）p29-32.2 张争奇，纤维加强沥青混凝土的研究J. 西安公路交通大学学报，1998.18（3B）p34-37.3 沈金安，改性沥青与SMA路面M. 北京：人民交通出版社，1999.4 Reed Freeman, James L, Bur
13、ati JR., Polyester fibers in asphalt paving mixtureJ. AATT, 1996, 387 p58-59.5 宇传华，EXCEL与数据分析M. 北京：电子工业出版社，2002.Research on performance influence of SMA used polyester fiberAbstract: The fiber composite is one of the commonly used engineering materials, and the fibers are also successfully used in t
14、he asphalt mixture. Polyester fiber used in the SMA mixtures is a good example. But now there are few researches on the optimum content of the fiber. This paper mainly used polyester fiber, basalt, SBS modified asphalt as row materials, according to the volumetric and pavement performance of SMA mix
15、tures at the different content of the fiber, simply interpreted the fiber reinforcement mechanism, and gave the optimum content of the polyester fiber by analyzing and comparing the test results while using multiple regression analysis method.Keywords: polyester fiber SMA optimum content reinforcement mechanism multiple regression
