復合纖維對SMA-13瀝青混合料路用性能研究

邱冬華， 秦仁杰， 劉學鵬，2

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114；2.同濟大學建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司, 上海 200092 )

0 引言

通過在瀝青混合料中添加纖維，可以使其獲得抗老化性能好、表面浸潤性好、彈性模量高、抗疲勞性能良好等諸多優(yōu)點。纖維是改善道路性能的高性價比材料，且不同種類纖維的物理性質(zhì)不同，為提升道路性能提供了多種保證。往瀝青混合料中摻入單一傳統(tǒng)的纖維已無法滿足交通量日益增加的路面性能要求。將不同纖維組合形成復合纖維，以彌補單一纖維改善路用性能的局限，已受到研究者廣泛關(guān)注。本文選用聚酯纖維和木質(zhì)素纖維同時摻入SMA-13瀝青混合料中，對比其瀝青混合料的各項性能。

聚酯纖維是一種由100%聚酯合成的新型材料，添加到瀝青混合物中可增強瀝青抗拉強度，且對瀝青和集料性質(zhì)要求不高，其技術(shù)性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟合理，引起了人們廣泛關(guān)注[1]。木質(zhì)素纖維是經(jīng)過加工的有機纖維，擁有諸多優(yōu)點，不污染環(huán)境、不影響人體健康、溫度高達250 ℃時內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會變質(zhì)，并且可以抵抗普通溶劑和酸、堿的腐蝕[2]。

由于單一纖維對瀝青路面路用性能的改善存在不足，為充分發(fā)揮兩種纖維互補優(yōu)勢，將兩種纖維摻配而成的復合纖維能更好地提高瀝青混合料的路用性能。已有研究成果表明，在SMA-13中摻加0.3%的單一纖維能使其路用性能大幅度提升[3]，因此本文中復合纖維的摻加總量也參照采用混合料質(zhì)量的0.3%。確定礦料級配后，通過馬歇爾試驗得出兩種纖維比例分別為0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0時所對應的最佳油石比，經(jīng)車轍試驗、小梁彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗，分析纖維比例變化對瀝青混合料高、低溫性能和水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 原材料試驗

1.1 瀝青

采用中海泰州SBS I-D型改性瀝青。嚴格按照相關(guān)試驗規(guī)程測試改性瀝青的技術(shù)指標，試驗結(jié)果如表1所示。

1.2 集料

采用材質(zhì)良好的花崗巖，其性能試驗結(jié)果如表2、表3所示。

1.3 礦粉

采用磨細的花崗巖石粉，其力學性能試驗如表4所示。

表1 SBS I-D型改性瀝青性能技術(shù)指標對比項目密度(15 ℃)/(g·cm-3)針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm/min)/cm軟化點(R&B)/℃溶解度(三氯乙烯)/%閃點/℃運動粘度(135 ℃)/(Pa·s)彈性恢復(25 ℃)/%RTFOT后殘留物質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(25 ℃)/cm試驗結(jié)果1.0425527.663.099.92981.4940.078118.3規(guī)范要求/40～60≥20.0≥60.0≥99.5≥230≤3.0≥85≤±1.00≥65≥15.0結(jié)論合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

表2 粗集料技術(shù)性能試驗結(jié)果對比項目壓碎值/%洛杉磯磨耗值/%吸水率/%堅固性/%針片狀顆粒含量性/%5～10 mm10～15 mm軟石含量/%粗集料與瀝青的粘附性/級表觀相對密度/(g·cm-3)5～10 mm10～15 mm試驗結(jié)果16.4218.60.913.810.211.6052.6692.667規(guī)范要求≤26.00≤28.0≤2.00≤12.0≤18.0≤12.0≤3≥5≥2.600≥2.600結(jié)論合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

表3 細集料技術(shù)性能試驗結(jié)果對比項目表觀相對密度/(g·cm-3)堅固性(>0.3 mm部分)/%試驗結(jié)果2.8164.4規(guī)范要求≥2.500≤12.0結(jié)論合格合格含泥量/%砂當量/%棱角性(流動時間)/s1.285.238.5≤3.0≥60.0≥30.0合格合格合格

表4 礦粉性能試驗結(jié)果對比項目表觀相對密度/(g·cm-3)含水量/%粒度范圍/%<0.6 mm試驗結(jié)果2.7720.4100規(guī)范要求≥2.500≤1.0100結(jié)論合格合格合格粒度范圍/%<0.15 mm<0.075 mm外觀親水系數(shù)塑性指數(shù)/%94.189.2無團粒結(jié)塊0.72290～10075～100無團粒結(jié)塊<1.00<4合格合格合格合格合格

1.4 纖維

采用由聚酯纖維(Polyester Fibers，以下簡稱PET)和顆粒狀木質(zhì)素纖維(Cellulose Fibers，以下簡稱CF)按照一定比例摻配而成的復合纖維，其外觀如圖1和圖2所示。

1.4.1纖維基本性能參數(shù)

兩種纖維的性能測試結(jié)果如表5所示。規(guī)范規(guī)

圖1 聚酯纖維

圖2 木質(zhì)素纖維

定纖維長度需≤6 mm，兩種纖維均能滿足要求。

1.4.2纖維的微觀研究

對PET和CF進行電鏡掃描得圖3和圖4所示圖像，采用的放大倍數(shù)均為500倍。

由圖3可見PET微觀表面十分光滑，排列規(guī)則有序，此結(jié)構(gòu)對提高瀝青粘結(jié)力具有很大的提升作用。由圖4可見CF微觀表面凹凸不平，粗糙且有更加細小的分叉和孔隙，此結(jié)構(gòu)可以增強與瀝青的吸附能力，有利于穩(wěn)定混合料當中的自由瀝青。

表5 PET和CF基本技術(shù)參數(shù)對比項目顏色密度/(g·cm-3)直徑/μm長度/mm抗拉強度/MPa熔點/℃斷裂伸長率/%吸油率/%PET白色絲狀1.44317～254～652027534.2138.8CF灰色顆粒0.98740～462～526022018.6538.4

圖3 聚酯纖維電鏡圖

圖4 木質(zhì)素纖維電鏡圖

2 配合比設(shè)計

2.1 礦料級配設(shè)計

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)選用馬歇爾設(shè)計方法對SMA-13瀝青混合料進行配合比設(shè)計[4]，SMA-13瀝青混合料配合比選用4種礦料(1#、2#、3#、4#)及礦粉進行設(shè)計，各級礦料的篩分結(jié)果見表6。

根據(jù)以上礦料和礦粉篩分結(jié)果進行集料合成級配組合設(shè)計，按照瀝青混合料配合比設(shè)計方法，最終得出合成級配m1#∶m2#∶m3#∶m4#∶m礦粉=36∶40∶0∶12∶12，合成級配如圖5所示。

2.2 最佳油石比確定

通過馬歇爾試驗確定SMA-13瀝青混合料在不同纖維比例下的最佳油石比,其結(jié)果如表7所示。

表6 SMA-13瀝青混合料級配礦料篩分結(jié)果礦料種類礦料在下列方孔篩(mm)的通過率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#(10～15 mm)10086.38.40.50.10.10.10.10.10.12#(5～10 mm)100100.085.614.41.00.60.60.60.60.43#(3～5 mm)100100.0100.099.218.85.53.22.01.51.04#(0～3 mm)100100.0100.0100.093.661.839.716.78.23.4礦粉100100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.090.0

圖5 SMA-13瀝青混合料礦料級配曲線圖

表7 不同纖維比例SMA-13瀝青混合料最佳油石比mPET∶mCF最佳油石比/%0∶16.011∶35.961∶15.923∶15.871∶05.81

3 路用性能試驗研究

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗研究

車轍試驗是目前國內(nèi)最常用的瀝青混合料高溫性能試驗方法，該試驗可以很好地模擬路面在實際投入使用時的荷載情況。本研究以5種復合纖維比例分別摻入瀝青混合料，通過車轍試驗所得動穩(wěn)定度指標來評價其高溫性能。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 復合纖維比例與動穩(wěn)定度關(guān)系曲線

通過圖6可以看出：單一摻加聚酯纖維時的動穩(wěn)定度(7 468次/mm)比單一摻加木質(zhì)素纖維的動穩(wěn)定度(7 275次/mm)高，說明聚酯纖維的加筋增強效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維，其原因可能與材料本身的抗拉強度有一定關(guān)系。隨著聚酯纖維與木質(zhì)素纖維比例從0∶1變化至1∶0,其動穩(wěn)定度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在復合纖維比例為1∶1時達到最大值8 227次/mm。這可能是由于復合纖維比例為1∶1時，纖維互相纏繞形成一種穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終導致動穩(wěn)定度峰值的出現(xiàn)。此時SMA-13瀝青混合料的高溫性能最好，且單一摻加聚酯纖維的瀝青膠漿或瀝青混合料高溫性能優(yōu)于單一摻加木質(zhì)素纖維。

3.2 低溫抗裂性試驗研究

瀝青路面低溫抗裂性主要指在降溫以及溫度循環(huán)反復作用下，減小道路產(chǎn)生裂縫的能力。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[5]規(guī)定，在溫度-10 ℃下進行小梁彎曲試驗，以評價兩種復合纖維對瀝青混合料低溫開裂性能的影響。對5種不同復合纖維SMA-13瀝青混合料小梁彎曲試件進行試驗，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 不同復合纖維SMA-13瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果mPET∶mCF抗彎拉強度/MPa破壞荷載/kN最大彎拉應變/με彎曲勁度模量/MPa0∶18.921.023 1682 8161∶39.151.053 2923 0181∶19.331.113 4683 1893∶19.171.083 3892 9781∶09.041.043 2632 822

根據(jù)表8可知：單一摻加聚酯纖維時的抗彎拉強度和彎曲勁度模量均大于單一摻加木質(zhì)素纖維，說明聚酯纖維的加筋增強效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與材料本身的抗拉強度有一定關(guān)系，也可能是由于木質(zhì)素纖維在拌和過程中的分散效果不如聚酯纖維而導致。復合纖維比例為1∶1時,彎拉應變上升至最大值3 468 με，原因在于復合纖維比例為1∶1時兩種纖維互相纏繞形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的伸縮性，可使瀝青混合料的抵抗低溫變形的能力增加。由此可見，復合纖維可改善瀝青混合料低溫抗裂性。

3.3 水穩(wěn)定性試驗研究

水損害是瀝青路面在使用過程中最常出現(xiàn)的破壞形式之一，尤其是在瀝青路面投入使用之初的破損和病害大多與水有直接關(guān)系。瀝青路面在經(jīng)過長期重復的汽車荷載、雨水的沖刷、凍融循環(huán)作用后，水分逐漸向下深入到瀝青與集料的粘結(jié)界面上并引起沖刷和侵蝕。最終導致瀝青與集料之間粘結(jié)力喪失，瀝青膜從集料表面剝落，瀝青路面出現(xiàn)麻面、松散，將大大影響路面的使用壽命和行駛質(zhì)量。以5種復合纖維比例分別摻入瀝青混合料，通過浸水馬歇爾試驗來評價其水穩(wěn)定性。試件的浸水殘留穩(wěn)定度按下式計算[7]：

式中：MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度，kN；MS為試件的穩(wěn)定度，kN。

浸水馬歇爾試驗的試驗結(jié)果如圖7所示：

圖7 復合纖維比例與殘留穩(wěn)定度關(guān)系曲線

由圖7可知，聚酯纖維與木質(zhì)素纖維的比例從0∶1變化至1∶0，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢。在復合纖維比例為1∶1時殘留穩(wěn)定度達到最大值90.7%，可見此時復合纖維對瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果最佳。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于木質(zhì)素纖維的吸油率大于聚酯纖維，相同油石比情況下，隨著木質(zhì)素纖維在復合纖維中的比例降低，自由瀝青相對增多，集料周圍的瀝青膜變厚，瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到改善，并在比例為1∶1時達到最佳的改善效果。但超過1∶1這一比例后，自由瀝青量超過了纖維吸持極限，混合料長期浸水情況下的穩(wěn)定度降低，逐漸導致后續(xù)的瀝青混合料水穩(wěn)定性變差。從數(shù)據(jù)來看，單一摻加聚酯纖維時的殘留穩(wěn)定度大于單一摻加木質(zhì)素纖維的動穩(wěn)定度，說明聚酯纖維的水穩(wěn)定性改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。

4 結(jié)論

通過對摻加不同比例復合纖維的瀝青混合料路用性能進行研究，得出以下結(jié)論：

1)由高溫車轍試驗得出：聚酯纖維對瀝青混合料高溫性能的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。復合纖維比例為1∶1時高溫穩(wěn)定性達到最優(yōu)，動穩(wěn)定度達到最大值8 227次/mm。

2)由低溫小梁彎曲試驗得出：復合纖維可改善瀝青混合料低溫抗裂性能，復合纖維比例為1∶1時瀝青混合料的低溫抗裂性能達到最優(yōu)，彎曲勁度模量達到最大值3 189 MPa。

3)由浸水馬歇爾試驗得出：聚酯纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。瀝青混合料的水穩(wěn)定性在復合纖維比例為1∶1時最優(yōu)，其殘留穩(wěn)定度達到最大值90.7%。

綜合分析可知，當摻入瀝青混合料中復合纖維比例為1∶1時，SMA-13的路用性能最佳，結(jié)果可為復合纖維廣泛應用提供理論依據(jù)。