雜化纖維與高模量劑復(fù)合改性寬溫域薄層罩面瀝青混合料性能研究

劉 麗

(開魯縣公路管理段， 內(nèi)蒙古 開魯 028400)

雜化纖維與高模量劑復(fù)合改性寬溫域薄層罩面瀝青混合料性能研究

劉 麗

(開魯縣公路管理段， 內(nèi)蒙古 開魯 028400)

為了滿足極端氣候條件下重載、渠化交通對(duì)薄層罩面瀝青混合料高低溫和疲勞性能的特殊要求?；谥苯蛹羟性囼?yàn)優(yōu)化出了復(fù)合纖維改性瀝青中最佳的木質(zhì)素和聚酯纖維摻配比例，同時(shí)基于車轍、低溫彎曲、浸水馬歇爾、凍融劈裂及四分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)研究了雜化纖維及高模量劑與雜化纖維復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能和抗疲勞耐久性。研究結(jié)果表明，采用直接剪切試驗(yàn)峰值剪切強(qiáng)度確定雜化纖維組分摻配比例是合理可行的，用于復(fù)合纖維改性瀝青中的最佳木質(zhì)素?fù)脚浔壤秊?.1%，聚酯纖維的摻配比例為0.25%；復(fù)合纖維對(duì)瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能產(chǎn)生疊加效應(yīng)，復(fù)合纖維改性瀝青混合料及高模量劑與雜化纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能可與SBS改性瀝青混合料相媲美，摻加高模量劑極大提高了雜化纖維改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能和抗疲勞耐久性；摻加高模量劑后雜化纖維改性瀝青的混合料路用性能更加均衡，且高溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能優(yōu)異，為路面薄層罩面材料改性技術(shù)提供了一種新的選擇。

道路工程； 復(fù)合纖維改性瀝青混合料； 高模量劑； 薄層罩面； 寬溫域?yàn)r青混合料； 路用性能

0 引言

為了滿足極端氣候條件下重載、渠化交通對(duì)瀝青混合料高低溫和疲勞性能的特殊要求，道路工作者探索了多種改善瀝青混合料綜合路用性能的技術(shù)途徑，其中在瀝青混合料中摻加纖維是國(guó)內(nèi)外已獲成功的一種方法[1-3]。纖維加強(qiáng)瀝青路面以其較好的高低溫性能、施工技術(shù)方便的特點(diǎn)已受到了普遍的關(guān)注，纖維及雜化纖維改性瀝青混合料的最佳纖維摻配比例、雜化纖維改性瀝青混合料路用性能及路用性能改善措施一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界、工程實(shí)踐中關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)使用的纖維種類眾多，應(yīng)用較為普遍的有木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、海泡石纖維、玻璃纖維等，不同種類纖維對(duì)瀝青混合料路用性能改善效果側(cè)重點(diǎn)不同，一般而言纖維對(duì)瀝青混合料性能的改善作用單一且價(jià)格差異較大，在此背景下，多維雜化纖維的研發(fā)顯得迫切起來。武漢理工大學(xué)吳少鵬等人研究了木質(zhì)素和聚丙烯纖維混合纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的增強(qiáng)效果，結(jié)果表明混雜纖維能夠顯著改善瀝青混合料的低溫性能和提高瀝青路面的抗反射裂縫能力[4]。長(zhǎng)安大學(xué)郝培文等人基于直接剪切試驗(yàn)優(yōu)化了木質(zhì)素、聚酯纖維、玄武巖纖維共混纖維中的纖維摻配比例，采用室內(nèi)路用性能試驗(yàn)驗(yàn)證了最佳纖維摻配比例的合理性，推薦總纖維摻量為0.3%時(shí)木質(zhì)素、聚酯、玄武巖纖維的摻配比例為1∶2∶2，增大玄武巖纖維摻量可顯著改善復(fù)合纖維改性瀝青混合料的高溫性能[5]。重慶交通大學(xué)張正明等人將木質(zhì)素纖維和聚酯纖維按照不同比例進(jìn)行復(fù)配，基于路用性能和經(jīng)濟(jì)性分析確定了纖維的最佳摻配比例[6]。吉林大學(xué)高慧婷等研究了聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質(zhì)素纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能[7]。東南大學(xué)倪富健等研究了玄武巖纖維對(duì)木質(zhì)素、聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能的增強(qiáng)作用[8]。總結(jié)已有研究成果，目前國(guó)內(nèi)已有大規(guī)模采用纖維改善瀝青混合料的路用性能，且使用經(jīng)驗(yàn)較為成熟，但是在確定雜化纖維摻配比例時(shí)主要基于室內(nèi)路用性能試驗(yàn)，這往往需要大量的試驗(yàn)工作量，將木質(zhì)素和聚酯纖維復(fù)配可改善瀝青混合料的疲勞性能和低溫性能，但其高溫穩(wěn)定性能仍需深入研究，且鮮見將雜化纖維用于薄層罩面瀝青混合料方面的研究和報(bào)道。為了滿足極端氣候條件下重載、渠化交通對(duì)瀝青混合料高低溫和疲勞性能的特殊要求，本文保持纖維總摻量0.35%不變，基于直接剪切試驗(yàn)優(yōu)化出了最佳的木質(zhì)素和聚酯纖維摻配比例，經(jīng)室內(nèi)路用性能試驗(yàn)和四分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了雜化纖維及高模量與雜化纖維復(fù)合改性瀝青混合料用于熱拌薄層罩面瀝青混合料的可行性，為寬溫域薄層罩面瀝青混合料和雜化纖維的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)原材料

瀝青采用SK70A級(jí)道路石油瀝青，對(duì)照試驗(yàn)選用工程中常用的SBS改性瀝青(I-C)，經(jīng)檢測(cè)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。粗集料(玄武巖)、細(xì)集料(石灰?guī)r碎石、機(jī)制砂)取自拌合站實(shí)驗(yàn)室，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，經(jīng)檢測(cè)瀝青、集料和礦粉各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。為了提高薄層罩面瀝青混合料抗車轍能力，經(jīng)比選論證確定采用SAC-10型骨架密實(shí)型級(jí)配，經(jīng)貝雷法檢驗(yàn)，特增加了4.75 mm和9.5 mm篩孔中間檔7.2 mm篩孔控制點(diǎn)，混合料級(jí)配組成見表1～表3。選用木質(zhì)素、聚酯2種纖維。相比于聚酯纖維，木質(zhì)素纖維最大的特點(diǎn)是比表面積大、吸油率高。選用的PR.M高模量劑由法國(guó)路面材料實(shí)業(yè)有限公司(PRIDUSTRIE)研發(fā)并生產(chǎn)，高模量劑主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示，根據(jù)廠家推薦的0.5%～0.8%(占集料質(zhì)量的百分比)高模量劑摻量范圍，經(jīng)室內(nèi)初步試驗(yàn)，綜合高模量劑摻量對(duì)薄層罩面瀝青混合料高溫性能的改善效果和工程經(jīng)濟(jì)性，確定PR M摻配比例為0.6%。

表1 SAC-10級(jí)配Table1 SAC-10Synthesisgraduation級(jí)配類型不同篩孔(mm)通過百分率/%132957247523611806030150075合成級(jí)配1009647553025318614213510184規(guī)范要求10095～10065～8525～3520～2815～2312～2010～168～126～10

表2 纖維主要技術(shù)參數(shù)Table2 Technicalindicatorsoffiber纖維種類直徑/μm長(zhǎng)度/mm抗拉強(qiáng)度/MPa吸油率/%密度/(g·cm-3)斷裂伸長(zhǎng)率/%耐熱質(zhì)量損失/%木質(zhì)素纖維403-528065012951537聚酯纖維144～85208514583224

表3 PRM高模量劑主要技術(shù)參數(shù)Table3 MainperformanceindexofPRMadditive添加劑類型外觀粒徑/mm密度/(g·cm-3)PRModule灰色顆粒狀2～30942軟化點(diǎn)/℃摻量范圍，(占集料質(zhì)量百分比)/%17505～08

2 基于直剪試驗(yàn)復(fù)合纖維摻配比例

研究表明：木質(zhì)素纖維、聚酯纖維對(duì)瀝青混合料路用性能改善效果各有側(cè)重點(diǎn)，價(jià)格也有較大差別，如木質(zhì)素纖維市場(chǎng)價(jià)格約3 000元/t，聚酯纖維價(jià)格10 000元/t，另一方面，適宜的纖維摻量可改善瀝青混合料的路用性能和耐久性，但過多的纖維摻量會(huì)導(dǎo)致纖維在瀝青混合料內(nèi)分散不均勻、結(jié)團(tuán)等問題，本文確定木質(zhì)素和聚酯纖維總摻量為0.35%，復(fù)合纖維中木質(zhì)素與聚酯纖維的摻量為0.05%+0.3%(方案Ⅰ)、0.1%+0.25%(方案Ⅱ)、0.15%+0.2%(方案Ⅲ)、0.2%+0.15%(方案Ⅳ)、0.3%+0.05%(方案Ⅴ)，試驗(yàn)時(shí)預(yù)估最佳瀝青用量為5%，反算總纖維摻量為瀝青質(zhì)量的6%，對(duì)照組采用4.5%SBS改性瀝青。采用SDS-150電液伺服瀝青混合料直剪儀對(duì)復(fù)合纖維改性瀝青進(jìn)行直剪試驗(yàn)，以抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)對(duì)比復(fù)合纖維改性瀝青的抗剪性能，進(jìn)而優(yōu)選木質(zhì)素和聚酯纖維的最佳摻配比例。試驗(yàn)時(shí)將基質(zhì)瀝青加熱至170 ℃后加入預(yù)定質(zhì)量的復(fù)合纖維(摻加高模量劑方案，高模量劑和纖維一塊摻加，SBS改性瀝青試樣制備時(shí)SBS改性瀝青加熱溫度為175 ℃)，手動(dòng)攪拌均勻后制備標(biāo)準(zhǔn)直剪試驗(yàn)試模，待冷卻后將試樣放入25℃水浴中保溫6 h后進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為0.12 mm/s。圖1，圖2為試驗(yàn)記錄的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，以應(yīng)力峰值表征復(fù)合纖維、SBS、高模量劑與復(fù)合纖維改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2及表4。

直接剪切試驗(yàn)結(jié)果表明： ①直剪試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線存在明顯的上升期和下降區(qū)兩個(gè)階段，在上升期和下降區(qū)分水嶺處抗剪切強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，分水嶺兩側(cè)應(yīng)力-應(yīng)變呈線性函數(shù)關(guān)系，可見在上升期應(yīng)力應(yīng)變呈正比例函數(shù)，剪切試驗(yàn)過程中復(fù)合纖維改性瀝青呈現(xiàn)出彈性特性，采用直剪試驗(yàn)優(yōu)化木質(zhì)素和聚酯纖維的最佳纖維摻配比例是可行的。 ②對(duì)比直剪試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升期和下降區(qū)曲線斜率可以發(fā)現(xiàn)，上升期曲線斜率明顯大于下降區(qū)曲線斜率，且SBS改性瀝青在下降區(qū)曲線斜率大于纖維復(fù)合改性瀝青，可見摻加纖維具有阻止剪應(yīng)力作用下瀝青試驗(yàn)不快速破壞的作用。 ③5種復(fù)合改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度由大到小依次是0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯>0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯>0.2%木質(zhì)素+0.15%聚酯>0.05%木質(zhì)素+0.3%聚酯>0.3%木質(zhì)素+0.05%聚酯，摻加高模量劑后纖維改性瀝青的剪應(yīng)力大小也有此規(guī)律，依次判斷用于木質(zhì)素和聚酯復(fù)合纖維改性劑中適宜的木質(zhì)素?fù)搅繛?.1%～0.2%，最佳聚酯纖維摻量為0.15%～0.25%。 ④0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯復(fù)配方案下抗剪切強(qiáng)度比0.3%木質(zhì)素+0.05%聚酯復(fù)配方案大34.2%，表明木質(zhì)素和聚酯纖維對(duì)瀝青的“加筋阻裂作用”、“吸附穩(wěn)定作用”、“界面增強(qiáng)作用”、“傳力、消散力作用”及“加箍鎖作用”是有區(qū)別的，同時(shí)也證明了直剪試驗(yàn)可以很好地測(cè)試并區(qū)分木質(zhì)素與聚酯復(fù)合纖維改性瀝青的抗剪性能，以直剪試驗(yàn)峰值剪切強(qiáng)度確定復(fù)合改性瀝青中的纖維摻配比例是合理的。 ⑤ 5種木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)合改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度均小于SBS改性瀝青，而摻加0.6%PR.M高模量劑后，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ抗剪切強(qiáng)度分別提高了38.6%、42.4%、40.9%、51.1%，同時(shí)摻加0.6%PR.M高模量劑后，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ抗剪切強(qiáng)度分別為SBS改性瀝青的106.2%、132.7%、128.3%、121.5%、105%，高模量劑對(duì)復(fù)合纖維改性瀝青抗剪切強(qiáng)度改善效果較為明顯，因此有必要摻加一定質(zhì)量的高模量劑以進(jìn)一步改善復(fù)合纖維改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度。

圖1 木質(zhì)素與聚酯復(fù)合纖維改性瀝青應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 1 Polyester composite fiber and lignin modified asphalt stress-strain curve

圖2 摻加0.6%PR Module高模量劑后的復(fù)合纖維改性瀝青應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 Composite fiber modification adding 0.6% PR Module agent after high modulus asphalt stress-strain curve

表4 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果匯總Table4 Summarizestheresultsofdirectsheartest纖維復(fù)配方案抗剪切強(qiáng)度/kPaABCD抗剪切強(qiáng)度均值/kPa035%木質(zhì)素113412471099983112035%聚酯纖維1631157214731603167005%木質(zhì)素+03%聚酯2045214520942108209801%木質(zhì)素+025%聚酯25482459264525562552015%木質(zhì)素+02%聚酯2466251224992493249302%木質(zhì)素+015%聚酯2359228423842309233403%木質(zhì)素+005%聚酯1874193218931908190245%SBS27632732267627792738035%木質(zhì)素+06%PRM1935201719991883196035%聚酯纖維+06%PRM2331217222772108222005%木質(zhì)素+03%聚酯+06%PRM2934297428542864290701%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM35983762365535233635015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM3482354235193503351202%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM3324338432923309332703%木質(zhì)素+005%聚酯+06%PRM28772905279429182874

3 雜化纖維與高模量劑復(fù)合改性瀝青混合 料性能研究

瀝青的性能并不能完全反映瀝青混合料的路用性能，瀝青路面的使用性能需通過瀝青混合料的路用性能來表征。直剪試驗(yàn)只能反映復(fù)合纖維改性瀝青混合料抗剪切能力，瀝青與集料接觸界面黏附特性、瀝青砂漿內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度等因素都對(duì)瀝青混合料的綜合路用性能影響甚大。對(duì)直剪試驗(yàn)優(yōu)化出的三種木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)配方案(0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯、0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯、0.2%木質(zhì)素+0.15%聚酯)分別進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲、凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗(yàn)。

3.1 馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)方法按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)和《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)試驗(yàn)方法執(zhí)行。雜化纖維與高模量復(fù)配方案混合料拌合時(shí)纖維和高模量劑以外摻添加方式一同加入集料中，控制集料加熱溫度為195 ℃，為了使纖維能夠分散均勻特增加了45 s干拌時(shí)間，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明，相比基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青混合料摻加木質(zhì)素和聚酯纖維后瀝青混合料最佳瀝青用量增大約0.5%，礦料間隙率增大約1%，瀝青飽和度增大約2%～3%，馬歇爾穩(wěn)定度增大1～2 kN，可見摻加纖維顯著影響了馬歇爾瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)，瀝青用量增大主要是纖維的吸油性為容納瀝青提供了載體。摻加復(fù)合纖維后瀝青混合料礦料間隙率有小幅度增大，而最佳瀝青用量和瀝青飽和度增大較為明顯，瀝青膜厚增大勢(shì)必會(huì)提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table5 Marshalltestresults纖維復(fù)配方案瀝青用量/%空隙率/%礦料間隙率/%瀝青飽和度/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN纖維復(fù)配方案瀝青用量/%空隙率/%礦料間隙率/%瀝青飽和度/%馬歇爾穩(wěn)定度/kN基質(zhì)瀝青混合料4874014271892402%木質(zhì)素+015%聚酯537401547411063035%木質(zhì)素54140145724101345%SBS476401457241133035%聚酯纖維51240143720103301%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM53240156743114501%木質(zhì)素+025%聚酯521401537391045015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM541401537381177015%木質(zhì)素+02%聚酯53040151735107502%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM544401497321168

3.2 高溫穩(wěn)定性

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)雜化纖維與高模量復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)輪加載速率42±1次/min，車轍試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table6 Ruttingtestresults纖維復(fù)配方案車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)DS平均值/(次·mm-1)加載60min車轍變形量/mm基質(zhì)瀝青混合料15891754193217582564035%木質(zhì)素20121978210320312236035%聚酯纖維2489265425642569212701%木質(zhì)素+025%聚酯33943214297931961903015%木質(zhì)素+02%聚酯2854265427322747195102%木質(zhì)素+015%聚酯2634258326452621203445%SBS3694387235423703180301%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM74537509701373251534015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM6403674365036550167002%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM59835831601259421713

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明： ①摻加木質(zhì)素、聚酯纖維可改善瀝青混合料的高溫性能，相比基質(zhì)瀝青混合料木質(zhì)素纖維、聚酯纖維改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了15.5%、126.4%，聚酯纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維，此外可以發(fā)現(xiàn)摻加木質(zhì)素和聚酯纖維后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度仍不能滿足規(guī)范動(dòng)穩(wěn)定度大于3 000次/mm的要求，對(duì)于高溫穩(wěn)定性要求高的地區(qū)需要采用提高纖維改性瀝青混合料高溫性能的措施。 ②在0.1%～0.2%木質(zhì)素纖維和0.15%～0.25%聚酯纖維摻量范圍內(nèi)，0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯復(fù)配方案的高溫性能最好，滿足規(guī)范DS大于3 000次/mm的要求，總纖維摻量不變，木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于單一纖維改性瀝青，木質(zhì)素與聚酯復(fù)配方案對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果可實(shí)現(xiàn)兩種纖維的疊加作用。 ③相比SBS改性瀝青混合料，3種木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)配方案下的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均小于SBS改性瀝青混合料，摻加高模量劑可顯著增大雜化纖維改性瀝青混合料的高溫性能，0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯+0.6%PR M、0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯+0.6%PR M、0.2%木質(zhì)素+0.15%聚酯+0.6%PR M3種復(fù)配方案下車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)到6 000次/mm以上，為SBS改性瀝青混合料的197.8%、176.9%、160.4%，可見摻加高模量劑極大提高了雜化纖維改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能。 ④圖3建立了雜化纖維改性瀝青直接剪切試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度之間的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2大于0.9，這也證明了采用直剪試驗(yàn)優(yōu)化聚酯纖維與木質(zhì)素纖維的摻配比例是合理可行的。

圖3 雜化纖維復(fù)合改性瀝青抗剪切強(qiáng)度與DS之間的關(guān)系Figure 3 Hybrid fiber composite modified asphalt shear strength between the DS

3.3 低溫抗裂性能

薄層罩面直接受車輛荷載和環(huán)境溫度的作用，近年來我國(guó)大部分地區(qū)極端氣候天氣頻發(fā)，這對(duì)寬溫域?yàn)r青混合料的高低溫性能都提出了較高要求。采用現(xiàn)行施工規(guī)范規(guī)定的低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)雜化纖維改性瀝青混合料的低溫抗裂性，試驗(yàn)采用的小梁試件由車轍板切割而成，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為-10 ℃，單點(diǎn)加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table7 Lowtemperaturebendingtestresults纖維復(fù)配方案彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με勁度模量/MPa基質(zhì)瀝青混合料1015237934426589035%木質(zhì)素1154290943396641035%聚酯纖維121733686836126901%木質(zhì)素+025%聚酯1364466553292357015%木質(zhì)素+02%聚酯135842766831753602%木質(zhì)素+015%聚酯132941769231817745%SBS117542793827454201%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM1354430946314192015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM131744686829471802%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM1364486556280338

低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明： ①摻加木質(zhì)素和聚酯纖維均可顯著增大基質(zhì)瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和彎曲應(yīng)變，同時(shí)減小瀝青混合料的勁度模量，相比聚酯纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維。 ②采用木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)配方案可進(jìn)一步改善單一纖維改性瀝青混合料的低溫性能，復(fù)合纖維對(duì)瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生疊加效應(yīng)，一方面木質(zhì)素纖維的吸油特性提高了瀝青混合料的最佳瀝青用量，增大了瀝青混合料膜厚，提高了混合料的柔性，這都會(huì)對(duì)瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生積極影響，另一方面木質(zhì)素與聚酯纖維組成的共混雜化纖維通過“傳力、消散力作用”、“吸附穩(wěn)定作用”“界面增強(qiáng)作用”和“加箍鎖作用”，克服了荷載作用下集料顆粒間的錯(cuò)位與移動(dòng)，約束了裂紋的延伸，阻礙了裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)了瀝青混合料的柔性和韌性。 ③與SBS改性瀝青混合料相比，復(fù)合纖維改性瀝青混合料、高模量劑與雜化纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能可與SBS改性瀝青混合料相媲美，且摻加高模量劑可進(jìn)一步改善雜化纖維改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，分析其原因，木質(zhì)素與聚酯纖維在提高瀝青混合料柔韌性的同時(shí)，摻加高模量劑改善了瀝青與集料之間的黏附性，增加了纖維瀝青膠漿的勁度模量，提高了瀝青混合料的抗破壞強(qiáng)度。

3.4 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性用于表征瀝青混合料抵抗水、溫、荷載耦合作用下的瀝青從集料表面剝離、剝落破壞的能力?，F(xiàn)行施工規(guī)范以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證最佳瀝青用量下瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對(duì)于高溫多雨地區(qū)浸水馬歇爾試驗(yàn)具有更好的適用性，低溫嚴(yán)寒區(qū)采用凍融劈裂試驗(yàn)。本文以凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)寬溫域薄層罩面瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明： ①摻加單纖維可小幅度提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性，將木質(zhì)素和聚酯纖維以一定比例復(fù)配后可顯著改善瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、提高劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比。 ②0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯、0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯、0.2%木質(zhì)素+0.15%聚酯及三種雜化纖維與高模量復(fù)配方案下的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度可達(dá)1.2 MPa以上，凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比可達(dá)到95%以上，可見雜化纖維瀝青混合料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性。分析其原因，纖維具有巨大的比表面積可吸附穩(wěn)定自由瀝青，在瀝青-集料表面形成了有利的浸潤(rùn)界面，從而提高了瀝青的表面能和瀝青與集料之間的界面強(qiáng)度，此外纖維在瀝青膠漿內(nèi)部形成的三維網(wǎng)狀共織結(jié)構(gòu)具有加筋、錨固作用，在提高瀝青膠漿黏度的同時(shí)提高了混合料的整體強(qiáng)度。另一方面，高模量劑在提高瀝青與集料之間界面黏結(jié)強(qiáng)度的同時(shí)提高瀝青瀝青混合料的勁度模量，從而提高了劈裂強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

表8 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table8 Waterstabilitytestresults纖維復(fù)配方案浸水馬歇爾試驗(yàn)凍融劈裂試驗(yàn)浸水后MS/kNMS0/%凍融前劈裂強(qiáng)度/MPaTSR/%纖維復(fù)配方案浸水馬歇爾試驗(yàn)凍融劈裂試驗(yàn)浸水后MS/kNMS0/%凍融前劈裂強(qiáng)度/MPaTSR/%基質(zhì)瀝青混合料757819093280302%木質(zhì)素+015%聚酯10299681168952035%木質(zhì)素897885103285445%SBS10879591201932035%聚酯纖維944914112189301%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM1116975132196201%木質(zhì)素+025%聚酯9739311211902015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM11579831254971015%木質(zhì)素+02%聚酯1036964118394502%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM11399751214943

4 雜化纖維與高模量劑復(fù)合瀝青混合料耐 久性

通常以室內(nèi)疲勞試驗(yàn)來表征瀝青混合料的耐久性能，本文采用四分點(diǎn)加載疲勞試驗(yàn)來評(píng)價(jià)不同摻配比例的雜化纖維改性瀝青混合料抗疲勞性能。疲勞試樣由雙層車轍板切割而成，試件尺寸為300 mm×50 mm×63 mm，試驗(yàn)溫度為15 ℃，采用控制應(yīng)變加載模式，應(yīng)變水平采用200、400、500、600 με共4個(gè)水平，選擇加載100次的彎曲勁度模量作為初始勁度模量，疲勞壽命確定方法采用“歸一化勁度模量峰值法”，疲勞試驗(yàn)在UTM-120萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，結(jié)果見表9(僅列舉疲勞試驗(yàn)結(jié)果均值)，圖4。

將表9疲勞試驗(yàn)結(jié)果繪制指數(shù)關(guān)系疲勞試驗(yàn)擬合曲線如圖4所示，由表9和圖4可以看出： ①在相同應(yīng)變水平下單一纖維改性瀝青混合料疲勞壽命為基質(zhì)瀝青混合料的1.5～2.0倍，其中木質(zhì)素和聚酯纖維單一改性瀝青混合料疲勞壽命相差不大，聚酯纖維改性瀝青混合料疲勞壽命略大于木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料； ②相同應(yīng)變水平條件下，在0.1%～0.2%木質(zhì)素纖維和0.2%～0.25%聚酯纖維摻配比例范圍內(nèi)，3種木質(zhì)素和聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料疲勞優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，且疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度小于SBS改性瀝青混合料，由此可見雜化纖維改性瀝青混合料具有優(yōu)良的抗疲勞性能； ③摻加高模量劑前后0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯復(fù)配方案均呈現(xiàn)出最優(yōu)的抗疲勞性能，摻加高模量劑可進(jìn)一步改善復(fù)合纖維改性瀝青混合料的抗疲勞耐久性，相比而言摻加高模量劑后復(fù)合纖維改性瀝青混合料的疲勞壽命可增大約1倍，因此從疲勞角度來考慮，在木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料中摻加高模量劑是完全可行的。分析其原因，分散在混合料中的木質(zhì)素和聚酯纖維，能夠形成橋架纖維，使荷載作用產(chǎn)生的裂紋的擴(kuò)散、擴(kuò)展受到約束，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維能夠阻滯瀝青基體裂紋的擴(kuò)展，提高瀝青混合料裂紋的自愈能力，木質(zhì)素纖維有著巨大的表面積能夠形成浸潤(rùn)表面，與瀝青充分接觸和融合，對(duì)集料有更強(qiáng)的握裹力，提高了瀝青膠漿與集料之間的粘附性，保證了混合料的整體性，從而提高瀝青混合料的疲勞壽命。此外由于纖維的吸油作用和吸附穩(wěn)定作用使混合料的瀝青用量增加，瀝青膜厚增大，提高了混合料的柔性，這有利于細(xì)裂紋的填隙、彌合作用，且木質(zhì)素與聚酯纖維形成的共織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以均勻分擔(dān)、有效地分散、消散荷載和內(nèi)部損傷產(chǎn)生的應(yīng)變能。此外，摻加高模量劑可增大瀝青混合料的勁度模量，提高混合料的整體強(qiáng)度和增強(qiáng)混合料對(duì)應(yīng)變水平變化的敏感性。

表9 疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table9 Fatiguetestresults纖維復(fù)配方案不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命200με400με500με600με擬合方程基質(zhì)瀝青混合料11634891 636965 250009116439Nf=5124×106ε-41911(R2=0986)035%木質(zhì)素201440371162943464325219296Nf=5912×106ε-41145(R2=0998)035%聚酯纖維215274381254406502343237832Nf=5885×106ε-41011(R2=0979)01%木質(zhì)素+025%聚酯260956451550504624825297340Nf=6147×106ε-4095(R2=0996)015%木質(zhì)素+02%聚酯278061371639586659104313024Nf=6942×106ε-4084(R2=0989)02%木質(zhì)素+015%聚酯240873281413334567252269053Nf=6245×106ε-40911(R2=0991)45%SBS238894061397937560584265701Nf=6324×106ε-40953(R2=0994)01%木質(zhì)素+025%聚酯+06%PRM4314659926706201090474524544Nf=7435×106ε-4014(R2=0995)015%木質(zhì)素+02%聚酯+06%PRM4724710829652511216194587155Nf=7323×106ε-3994(R2=0995)02%木質(zhì)素+015%聚酯+06%PRM4269793426612321089068524824Nf=6978×106ε-4004(R2=0997)

圖4 疲勞試驗(yàn)擬合曲線Fatigue 4 Fatigue test fitting curve

5 結(jié)論

① 總纖維摻量為0.35%，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維復(fù)配而成的復(fù)合纖維中適宜的木質(zhì)素纖維摻量為木質(zhì)素?fù)搅繛?.1%～0.2%，最佳聚酯纖維摻量為0.15%～0.25%，其中0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯復(fù)配方案的改性瀝青混合料抗剪切強(qiáng)度最大?？辜羟袕?qiáng)度與瀝青混合料的車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度線性相關(guān)性良好，以直接剪切試驗(yàn)峰值剪切強(qiáng)度確定雜化纖維的摻配比例是合理可行的。

② 摻加0.6%PR.M高模量劑可顯著改善雜化纖維改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度，0.1%木質(zhì)素+0.25%聚酯、0.15%木質(zhì)素+0.2%聚酯、0.2%木質(zhì)素+0.15%聚酯3種雜化纖維與高模量劑復(fù)合改性瀝青的抗剪切強(qiáng)度優(yōu)于SBS改性瀝青。

③ 摻加木質(zhì)素、聚酯單一纖維可改善瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性，纖維聚酯纖維對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果優(yōu)于木質(zhì)素纖維，復(fù)合纖維對(duì)瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能產(chǎn)生疊加效應(yīng)，復(fù)合纖維改性瀝青混合料、高模量劑與雜化纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能可與SBS改性瀝青混合料相媲美，摻加高模量劑可顯著增大復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能。

④ 木質(zhì)素和聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料疲勞優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，且疲勞壽命對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度小于SBS改性瀝青混合料，摻加高模量劑可進(jìn)一步改善復(fù)合纖維改性瀝青混合料的抗疲勞耐久性，在木質(zhì)素與聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料中摻加高模量劑是完全可行的。摻加高模量劑的雜化纖維改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高低溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞耐久性，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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Study on Road Performance of Thin Overlay Asphalt Mixture with High Modulus Additive and Hybrid Fibers Composite Modified Agent in Wide Temperature Range

LIU LI

(Kailu County Highway Management Section， Kailu， Inner Mongolia 710064， China)

In order to meet the extreme weather conditions overloading，channel traffic on the thin asphalt overlay moderate level of fatigue properties of special requirements.Optimization based on direct shear test a composite fiber modified asphalt polyester fiber and lignin optimum blending ratio，based on both rutting，cold bending，soaking Marshall，Experimental study of fatigue freeze-thaw and a four-point loading hybrid fiber and high modulus agent and the hybrid fiber composite modified asphalt pavement performance and fatigue durability.The results show that the direct shear test to determine the peak shear strength of hybrid fiber component blending ratio is reasonable and feasible for composite fiber modified asphalt Best lignin blending ratio of 0.1%，polyester fiber the blending ratio of 0.25%；composite fiber on asphalt mixture of high and low temperature performance，water stability and fatigue properties produce additive effect，composite materials and fiber modified asphalt mixing agent and the high modulus hybrid fiber composite modified asphalt low temperature performance with SBS modified asphalt mixture comparable to adding high modulus agents greatly improved hybrid fiber modified asphalt high temperature rutting resistance and fatigue durability；agent after adding high modulus hybrid fiber modified asphalt mixes more balanced road performance，and high temperature performance，excellent water stability and fatigue resistance，provides a new option for pavement thin cover material modification technology.

road engineering； composite fiber modified asphalt mixture； high modulus agents； thin overlay asphalt mixture； asphalt mixtures in wide temperature range； road performance

2016 — 08 — 26

國(guó)家西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(201431826801-6)；國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51309735)

劉 麗(1968 — )，女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級(jí)工程師，主要從事公路與橋梁施工及管理方面的工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0219 — 08