聚酯纖維對(duì)瀝青混凝土路用性能改善作用

摘 要：通過(guò)對(duì)瀝青混合料摻加聚酯纖維的研究，系統(tǒng)分析了聚酯纖維瀝青混合料的路用性能，包括馬歇爾穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能，探討了聚酯纖維增強(qiáng)瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理。并與普通密集配瀝青混凝土進(jìn)行了對(duì)比、分析。結(jié)果表明，聚酯纖維瀝青混合料具有較好的路用性能，可以改善瀝青路面使用品質(zhì)，延長(zhǎng)使用壽命，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是一種性能優(yōu)良的瀝青混合料，適合作高等級(jí)公路瀝青面層。

關(guān)鍵詞：聚酯纖維瀝青；混凝土；度機(jī)理；

中圖分類號(hào)：TU528.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-09-00-02

為了延長(zhǎng)道路使用壽命，歐美一些國(guó)家廣泛開(kāi)始了聚酯纖維加強(qiáng)瀝青材料的應(yīng)用研究，德國(guó)首先提出并采用了聚酯纖維增強(qiáng)改性方法，使用結(jié)果表明1g聚酯纖維增強(qiáng)改性瀝青可以顯著地提高公路瀝青的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，大大地延長(zhǎng)了瀝青路面的使用壽命，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。聚酯纖維被用在機(jī)場(chǎng)道面、橋面鋪裝、收費(fèi)站等鋪面中。美國(guó)、加拿大、德國(guó)等國(guó)家采用聚酯纖維混凝土修筑了大量高速公路及其它重要交通公路。

一、原材料性能

（一）瀝青

采用克拉瑪依AH-90#重交通瀝青，指標(biāo)如表1所示。

（二）集料

集料采用石灰?guī)r，其指標(biāo)示于表2。

（三）聚酯纖維、級(jí)配

選用美國(guó)Bonifiber（博尼）和德國(guó)Dolanit AS（德尼）；采用密集配瀝青混凝土AC-13級(jí)配。

二、路用性能分析

（一）馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以看出，瀝青混合料中加入聚酯纖維后，混合料的最佳瀝青用量會(huì)增加（0.1～1.3）%；這是由于聚酯纖維比表明大，會(huì)吸收、吸附部分瀝青，故使得混合料的最佳瀝青用量有所增加；聚酯纖維在混合料中起多向“加筋”和增粘作用，提高了瀝青混合料的受力性能，因此，聚酯纖維混合料馬歇爾穩(wěn)定度普遍高于不加聚酯纖維的混合料；由于博尼維和德尼維自身的抗拉強(qiáng)度較高，且在瀝青混合料中的分散度、分散數(shù)量非常高，按照混合料總重的0.225%的比例加入博尼維，大約每m3有超過(guò)18億根分離的博尼維，故博尼維和德尼維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)效果非常明顯。

（二）水穩(wěn)定性試驗(yàn)

聚酯纖維對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。瀝青中酸性樹(shù)脂組分是一種表面活性物質(zhì)，它在聚酯纖維表面產(chǎn)生的物理侵潤(rùn)、吸附作用，使瀝青呈單分子狀排列在聚酯纖維表面，形成結(jié)合力牢固的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜，它比薄膜以外的自由瀝青粘性大，耐熱性好；同時(shí)，由于聚酯纖維的吸附及吸收作用，混合料瀝青用量增加，能使結(jié)構(gòu)瀝青膜增厚（65～113）%；聚酯纖維及其周?chē)Y(jié)構(gòu)瀝青一同裹覆于集料表面，使瀝青膜厚度及性質(zhì)都發(fā)生變化。較厚的瀝青膜減慢了瀝青老化速率，從而可長(zhǎng)時(shí)間地維持其粘附性，降低了水對(duì)瀝青與集料的侵蝕破壞作用，增強(qiáng)了瀝青混合料抵抗水損害的能力，使混合料水穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（三）高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用車(chē)轍試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性方法。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。聚酯纖維在瀝青基體內(nèi)的分布是三維隨機(jī)的。由于截面纖細(xì)，使得聚酯纖維摻量不大的瀝青基體內(nèi)聚酯纖維數(shù)目卻相當(dāng)大，形成縱橫交織的空間網(wǎng)絡(luò)。一方面，裹覆在聚酯纖維上的“結(jié)構(gòu)瀝青”網(wǎng)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青比例，減薄了自由瀝青膜，使聚酯纖維瀝青膠漿粘性增大，軟化點(diǎn)上升，高溫穩(wěn)定性大幅提高；另一方面，縱橫交織的聚酯纖維在混合料中無(wú)定向分布且互相搭接，形成的聚酯纖維骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)，起到“鏈橋”作用，使混合料具有較高強(qiáng)度與勁度，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減緩了車(chē)轍的加深速度，極大的改善了混合料的高溫抗車(chē)轍性能。

（四）低溫抗裂性試驗(yàn)

采用低溫彎曲破壞試驗(yàn)（見(jiàn)表6）評(píng)價(jià)低溫抗裂性。0C彎曲應(yīng)變?cè)酱螅磻?yīng)出混合料破壞時(shí)所需能量越大，則低溫時(shí)混合料抵抗收縮拉應(yīng)變的能力越強(qiáng)，低溫抗裂性越好。

首先，聚酯纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加，這本身就增加了混合料的延展性，改善了混合料的勁度模量；其次，與聚酯纖維良好的物化性能有關(guān)，聚酯纖維在低溫（-40℃以下）仍能保持柔韌性和較高的抗拉強(qiáng)度，故加筋作用使混合料具有了較好的柔韌性，提高了混合料低溫變值；第三，互相搭接的聚酯纖維又提高了混合料的抗拉強(qiáng)度；因此，混合料的低溫抗裂性得到改善。

（五）疲勞耐久性試驗(yàn)利用控制應(yīng)力疲勞壽命分析方法計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

疲勞破壞的過(guò)程，首先是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位開(kāi)始產(chǎn)生微小裂紋，裂紋起點(diǎn)為疲勞源，對(duì)瀝青混合料，荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點(diǎn)的存在是其產(chǎn)生疲勞源的主要因素。當(dāng)材料受荷載作用時(shí)，裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展；當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，就出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，材料出現(xiàn)較大的裂紋直至斷裂破壞。一方面，由于三維隨機(jī)各向聚酯纖維阻滯了裂紋擴(kuò)展，吸收和消耗了部分混合料斷裂所需要的能量，減緩了亞臨界擴(kuò)展，增加了彈性恢復(fù)；另一方面，裂紋發(fā)展時(shí)，聚酯纖維會(huì)使裂紋轉(zhuǎn)向或岐化，減慢裂縫產(chǎn)生的速率，延長(zhǎng)材料失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂出現(xiàn)的時(shí)間；因此，聚酯纖維可以提高瀝青路面裂紋的自愈能力，減少裂縫的出現(xiàn)，提高路面的疲勞耐久性。

三、結(jié)語(yǔ)

（一）聚酯纖維的吸附、吸收作用，穩(wěn)定大量瀝青，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿的粘滯性增強(qiáng)，軟化點(diǎn)提高，集料表面瀝青膜增厚，提高了混合料耐老化性能和水穩(wěn)定性能，增加了瀝青路面抗早期水損害能力。

（二）縱橫交錯(cuò)的聚酯纖維由于數(shù)量巨大，且均勻分布，在混合料中起到加筋作用，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減緩了車(chē)轍的加深速度，極大的提高了混合料的高溫抗車(chē)轍性能和抵抗疲勞破壞能力，使路面的高溫穩(wěn)定性能和疲勞耐久性得到改善。

（三）聚酯纖維在低溫下仍呈柔性，且具有較高的抗拉強(qiáng)度，使混合料具有了較高的彈性，能有效地抵抗溫度應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生，提高路面低溫抗裂性能。

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