0 引　言

高等级沥青路面的应用推广为“交通强国”战略打下坚实的发展基础，随着中西部地区高速公路网络的不断升级，沥青路面的品质要求有着更高的期许^[1]。近年来，在“海绵城市”发展理念影响下，各地新建了很多不同类型排水沥青路面，但受复杂服役因素影响，排水沥青路面的质量和效果良莠不齐^[2-3]。为进一步提升透水沥青路面的综合服役质量尤其是在重载交通下的路用性能，国内外研究学者对透水沥青混合料进行了大量的研究^[4]。郭黎黎^[5]、文湘^[6]将不同类型的TPS改性剂掺入透水沥青混合料中，研究在不同水损伤环境下材料的抗剥落性能；张岭岭^[7]对5种不同掺量的聚酯纤维材料制备透水沥青混合料，研究认为4%的纤维能大幅度提升混合料的劈裂抗拉强度和水稳定性；徐帅等^[8]将钢渣微粉掺入透水沥青混合料中，认为可提升混合料的马歇尔稳定度、高温性能及水稳性能；徐世法等^[9]对0.3%木质素纤维的再生透水沥青混合料进行试验研究，认为木质素改善了混合料的抗水损伤性能和低温抗裂性能；高桂海等^[10]研究了3种不同类型的外掺剂材料对透水沥青混合料路用性能的影响，研究表明玄武岩纤维具有韧性强，耐久性好的特点，可提升混合料材料内部性能。相关研究均表明外掺改性材料可以在一定程度上改善透水沥青混合料某些方面性能缺陷，但混合料内部材料组成及结构交织较为复杂，部分外掺材料在改善沥青混合料部分性能的同时，也会削减其他性能。相关文献^[11-12]表明混合料内部材料的混掺组合设计，可以弥补单一材料的性能缺陷，实现整体性能的稳定提升和全面保障。考虑到现有研究还缺乏玄武岩纤维和聚丙烯纤维复掺对透水沥青混合料性能改善效果的评估。因此，为综合提升透水沥青混合料高温抗车辙、水稳定及低温抗裂等性能，本文提出采用玄武岩纤维与聚丙烯纤维混掺纤维外掺至沥青混合料，通过对透水沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能及排水特性进行研究，得到了优选的纤维组合参数，旨为纤维透水沥青路面材料的推广与应用提供指导。

1 原材料与试验方案 1.1 矿料组成

矿料是沥青混合料重要组成部分，根据粒径大小、骨架轮廓不同可细分为粗集料、细集料和填料。研究选用的粗细集料均为湖北产的玄武岩，质地坚硬，表面洁净，针片状含量低。填料采用湖北产的石灰岩。玄武岩粗集料粒径范围为4.75~32 mm，玄武岩细集料的粒径小于4.75 mm。对其主要技术指标进行检测，试验结果如表1所示。

1.2 玄武岩纤维

玄武岩纤维（BF）是玄武岩矿料经高温熔融拉丝技术生产的新型纤维制品，具有韧性强、延度高、抗老化性好等特点^[13]。研究采用的玄武岩纤维为河南产的9 mm短切纤维，其技术指标如表2所示，玄武岩纤维形貌如图1所示。

1.3 聚丙烯纤维

由于聚丙烯纤维（PP）耐强酸，耐强碱，弱导热性，在混凝土材料中能够起到很好的结构稳定作用，能够有效抑制受干燥和温差诱发的材料收缩变形，且在一定程度上提升材料的抗开裂性能。因此研究选用产自陕西西安的聚丙烯纤维，选用PP纤维长度为15 mm。其技术指标如表3所示，玄武岩纤维形貌如图2所示。

1.4 高粘沥青

对于透水沥青混合料而言，受长期的水损伤影响，沥青对于集料的裹附能力会逐渐降低，直至混合料松散、剥落。而高粘沥青因其黏度较高、稳定性较强，能够实现沥青、集料、填料及其他外掺材料的有效粘结，能够满足大孔隙沥青混合料内部结构的稳定。研究采用TPS高粘沥青制备透水沥青混合料，参照JTG F40—2017《公路沥青路面施工技术规范》规范对高粘沥青的技术指标进行检测，结果如表4所示。

1.5 试验方案

研究对PAC-13级配的透水沥青混合料进行配合比设计及路用性能研究，在混合料拌合过程中分别单掺BF、单掺PP及混掺BF+PP，根据相关研究^[10-11]，BF的掺量分别选用0.3%~0.5%（质量分数）不等，PP掺量为0.1%~0.3%（质量分数），具体的沥青混合料组合方案如表5所示。研究对不同纤维组合方案下的沥青混合料进行路用性能测试，主要包括排水特性、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性能。

2 透水沥青混合料配合比设计

对于透水沥青混合料级配选择，目前主要有PAC和OGFC两类，二者的区别在于适用铺筑层功能及厚度不同，对应的混合料孔隙率一般不低于18%，其中，PAC级配更适用于高等级公路透水沥青路面。研究选用PAC-13级配进行制备透水沥青混合料并测试相关性能，其目标级配曲线如图3所示。根据CJJ/T 190—2017《透水沥青路面技术规程》和JTG F40—2017中的相关要求，需通过马歇尔试件物理指标、析漏和飞散损失来确定最佳油石比，设计要求如表6所示。

研究以不掺纤维的普通透水沥青混合料为例进行油石比的确定，以初始油石比5.0%为基础，向两侧进行0.25%幅度的增减，共设计了4.5%、4.75%、5.0%、5.25%、5.5%五种油石比进行混合料的马歇尔试件性能测试，重点关注了析漏损失、飞散损失、稳定度及流值随油石比掺量的变化规律，如图4和图5所示。

由图4和图5可知，随着油石比掺量的逐渐增加，透水沥青混合料马歇尔试件的析漏损失逐渐增大，飞散损失逐渐减小，稳定度呈先上升后下降，流值逐渐增大。其主要原因是高粘沥青含量的逐渐增加会促进与集料间的裹附能力，能提升混合料整体的强度。然而，并非高粘沥青含量越多越好，沥青含量的饱和会使得内部材料因黏度的增强而导致材料分散不均匀，造成局部材料强度过高，不利于内部结构骨架的稳定。根据马歇尔试件相关物理指标及析漏和分散损失变化，可确定普通透水沥青混合料的最佳油石比为4.9%。同理，可得到其他不同纤维组合方案下沥青混合料的最佳油石比，对应混合料的孔隙率均在19%~23%之间，达到透水沥青混合料孔隙设计要求，相关测试结果如表7所示。

3 透水沥青混合料路用性能研究 3.1 高温稳定性

沥青混合料的高温性能是表征材料在高温环境下抵抗车辙变形的能力，透水沥青路面采用了大孔隙设计结构，在重载交通下易产生路面车辙等问题。为此，采用高粘沥青及外掺剂材料来提升路面的高温稳定性，使得透水沥青路面能够实现高品质服役水平。研究采用标准试件（300 mm×300 mm×50 mm）在60 ℃高温环境下进行往复车轮碾压模拟试验，相关试验结果如图6所示。

如图6所示，在透水沥青混合料中外掺玄武岩纤维或聚丙烯纤维均能提升混合料的高温稳定性。其中，单掺0.3%~0.5%玄武岩纤维，混合料的高温稳定度相较于普通沥青混合料分别提升12.74%、19.59%、4.44%，而单掺0.1%~0.3%聚丙烯纤维，动稳定度分别提升0.93%、3.62%、8.33%。对于混掺纤维混合料而言，0.4%BF+0.2%PP和0.4%BF+0.1%PP混合料的高温稳定性最高，分别达到了4612次/mm和4465次/mm，相较于普通沥青混合料提升了26.36%和22.33%。说明玄武岩纤维和聚丙烯纤维通过一定合理的比例进行混掺可提升混合料的高温稳定性，其主要原因是不同类型和长度的纤维在混合料内部进行交织，各自发挥不同的内部功效。玄武岩纤维是玄武岩经高温抽丝形成的纤维制品，材料性能与玄武岩集料较为接近，玄武岩纤维的弹性模量高，能够有效地和集料进行粘结。而聚丙烯纤维柔性好，可与沥青材料进行交织形成空间网络结构，有效地将粗细集料、填料进行包裹，提升材料整体的稳定性。

3.2 水稳定性

对于透水沥青路面而言，受雨水气候影响，路面会长期处于雨水冲刷侵蚀过程，在寒冷季节，透水路面还会伴随一定的冻融损失影响。为此有必要针对透水沥青混合料进行水稳定性分析，研究通常采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来表征混合料的水稳定度，相关测试结果如图7~图8所示。

如图7~图8所示，不同纤维组合方案下的透水沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比均存在一定差异，但二者具有较强的相似性。单掺聚丙烯纤维的混合料残留稳定度及冻融劈裂强度比整体均高于单掺玄武岩纤维，而对应的混掺纤维混合料，仅有0.4%BF与PP混掺，其水稳定性采用明显的提高。其中，0.4%BF+0.1%PP和0.4%BF+0.2PP%混掺纤维沥青混合料的水稳定度性最优，残留稳定度分别较普通沥青混合料提升4.52%和3.42%，冻融劈裂强度比分别提升4.98%和3.65%。单掺玄武岩纤维时，0.3%BF和0.5%BF沥青混合料残留稳定度低于普通沥青混合料。其主要原因是玄武岩纤维韧性较强，在长期的浸水环境下易产生纤维与沥青材料的界面剥落。而聚丙烯纤维耐酸、耐碱，具有较好的稳定性，能与沥青材料有效交融，增强材料的粘结特性。而适合比例的混掺纤维能够在发挥聚丙烯纤维裹附沥青胶浆特点的同时，又能体现玄武岩纤维增强混合料劈裂强度的优势。

3.3 低温抗裂性

低温抗裂性是表征沥青混合料在寒冷环境下材料开裂损失的性能，研究参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行低温小梁弯曲试验，试验温度为–10 ℃，记录小梁在跨中断裂时对应的应变大小，试验结果如图9所示。

如图9所示，单掺玄武岩纤维或聚丙烯纤维均能对混合料的低温抗裂性能进行一定改善，但玄武岩纤维对混合料低温抗开裂性能的提升更为显著。掺0.4%玄武岩纤维的混合料破坏应变较普通沥青混合料提升25.26%。对于混掺纤维混合料而言，不同纤维组合方案下的混合料破坏应变均得到了提升。其中，0.4%BF和PP纤维混掺混合料的破坏应变整体最高，达到4300 με以上。玄武岩纤维的弹性模量高，韧性强，能够增强混合料的强度，在低温环境下存在变硬变脆的可能，在车辆荷载作用下易形成断裂破坏，而聚丙烯纤维作为柔性材料，可以缓解材料内部受力集中问题，增强材料的弹性恢复和抗开裂破坏能力。

3.4 抗疲劳性能

疲劳特性是混合料在长期的往复交通荷载作用下，内部结构逐渐产生的累积损伤，在一定程度上也直接与材料的服役使用寿命相关。研究对不同纤维组合方案下混合料的抗疲劳性进行研究，采用标准试件在800 με应变水平下进行测试，试验结果如图10所示。

对不同纤维组合方案下混合料的疲劳寿命进行试验研究，表明外掺纤维可增强材料的内部的结构稳定，可在一定程度上增强疲劳特性。对于单掺玄武岩纤维沥青混合料而言，0.4%掺量下混合料的疲劳寿命最优，表明并非纤维掺量越多，混合料的疲劳寿命越好。其主要原因是，混合料内部材料的交融讲究的是饱和状态，纤维材料的不足或过多，都会导致网状结构骨架的失稳，加筋作用不能最优体现。对于混掺纤维混合料而言，0.4%BF+0.1%PP和0.4%BF+0.2%PP纤维组合混合料的疲劳寿命最大，分别达到46.8万次和48.7万次，较普通沥青混合料提升28.22%和33.42%，较0.4%BF混合料提升10.12%和14.59%，说明混掺纤维可以充分发挥两种不同纤维材料的特性，共同促进混合料疲劳寿命的提升。

3.5 排水特性

对于透水沥青混合料而言，其排水特性十分重要，这与混合料的孔隙率、材料选择、结构设计有关，研究对标准的车辙板试件进行渗水试验研究，测试结果如图11所示，并建立孔隙率与渗水系数关联分析，如图12所示。

如上图所示，相较于普通沥青混合料，单掺聚丙烯纤维混合料的渗水系数无明显改善，而掺玄武岩纤维混合料的渗水系数有一定提升。其中，单掺0.4%BF混合料的渗水系数为4312 mL/min，提升了13.95%。而混掺纤维混合料，0.4%BF+0.1%PP和0.4%BF+0.2%PP混掺纤维混合料的渗水系数最高，分别为4659 mL/min和4553 mL/min。研究对渗水系数和孔隙率进行关联分析，二者成较好的幂函数关系，表明混掺纤维能够在保障混合料内部结构稳定的同时能增强孔隙率大小，进一步提升材料的渗水效果。

4 透水沥青混合料无量纲化分析

为综合比选较佳的透水沥青混合料，对不同纤维组合方案下混合料的动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比、破坏应变、疲劳寿命、渗水系数进行无量纲化分析。采用min-max归一化对相关数据进行处理，并对上述相关性能指标进行赋值，其中，残留稳定度和冻融疲劳强度比均表征水稳定性，则各赋值0.1，而其他相关性能指标赋值0.2。通过无量纲化后的数值进行赋值计算得到最终的排序方案，结果如表8所示。

由表8可知，对于透水沥青混合料而言，以混合料路用性能为控制目标，进行排序分析：0.4%BF+0.2%PP>0.4%BF+0.1%PP>0.4%BF+0.3%PP>0.4%BF>0.3%BF+0.2%PP>0.3%BF+0.3%PP>0.5%BF+0.2%PP>0.3%BF+0.1%PP>0.5%BF+0.1%PP>0.3%BF>0.5%BF+0.3%PP>0.5%BF>0.2%PP>0.3%PP>0.1%PP>PT。综上，研究在综合考虑透水沥青混合料路用性能的基础上，推荐0.4%BF+0.2%PP及0.4%BF+0.1%PP两种纤维组合方案，可保障混合料高温性能、排水性能的同时，提升材料的水稳定性、低温抗开裂性及疲劳性能。

5 结束语

针对透水沥青混合料在重载交通环境下易产生路面车辙、开裂，降低使用寿命和服役水平等问题。研究对透水沥青混合料进行单掺BF、单掺PP和复掺BF+PP试验，并与普通透水沥青混合料进行对比分析。研究认为：玄武岩纤维可以提升混合料的高温性能、低温抗开裂性能、疲劳性能，但水稳定性提升不明显。而采用玄武岩纤维和聚丙烯纤维进行合理比例的复掺，可综合提升混合料包括水稳定性在内的各项路用性能。其中，0.4%BF+0.2%PP及0.4%BF+0.1%PP两种纤维组合方案下混合料的各项路用性能提升最为明显，这对于提升高品质透水沥青路面服役水平具有重要应用价值。