纖維改性瀝青與瀝青混合料性能研究*

賈平虎

(廣東翔飛公路工程監(jiān)理有限公司 廣州 510507)

0 引 言

由于瀝青路面具有行車舒適性好，施工周期短和養(yǎng)護(hù)維修簡便等特點，其在高速公路路面結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用.我國瀝青路面設(shè)計壽命為15年，但實際應(yīng)用中其往往在通車8～10年后就會產(chǎn)生嚴(yán)重車轍及水損壞等影響行車安全的病害現(xiàn)象而不得不進(jìn)行大修作業(yè)，因此，如何采取技術(shù)措施以提高瀝青路面使用壽命一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點，其中使用改性瀝青是最為有效的方法之一.纖維改性瀝青因其優(yōu)越的路用性能引起了巨大的關(guān)注，如研究已發(fā)現(xiàn)纖維改性瀝青混合料具有良好的高溫和抗疲勞等性能，且能較好的防治反射裂縫[1-6]，但纖維種類繁多，主要包括礦物纖維、聚合物纖維和植物纖維等[7]，關(guān)于各類纖維對瀝青及瀝青混合料性能的影響研究仍有待深入，特別是關(guān)于纖維改性瀝青性能指標(biāo)和其混合料性能指標(biāo)匹配性的研究較為少見.本文分別使用玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維制備改性瀝青及瀝青混合料，就其對高溫、低溫和水穩(wěn)性能進(jìn)行試驗研究，并對各類瀝青性能指標(biāo)和其對應(yīng)混合料指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析.

1 原材料

1) 瀝青 試驗采用SBS(I-B)型改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)符合文獻(xiàn)[8]要求，見表1.

表1 SBS(I-B)改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2) 集料和級配 集料采用廣東產(chǎn)玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得，級配為SMA-13，見表2.

表2 SMA-13級配

3) 纖維 采用玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維.其中玄武巖纖維通過將玄武巖加熱至高溫熔融狀態(tài)，經(jīng)鉑銠合金拉絲漏板拉伸而成；聚酯纖維為googroad II，由石油瀝青提煉而得；木質(zhì)素纖維為絮狀植物纖維.

2 纖維改性瀝青性能

為研究纖維類型及摻量對瀝青性能影響，在加熱至160 ℃的SBS改性瀝青中分別加入三種類型纖維以3 000 r/min速率剪切30 min制得對應(yīng)纖維改性瀝青，其中摻量分別為瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.15%，0.3%和0.45%.試驗中每個樣品三個試件，取平均值作為代表值.

2.1 高溫性能

為研究纖維改性瀝青高溫性能，分別對其進(jìn)行針入度(25 ℃)、軟化點和DSR試驗(溫度64 ℃，頻率1.59 Hz)，結(jié)果見圖1.

圖1 三種類型纖維摻量對不同因素的影響

由圖1可知：

1) 纖維性能改善SBS改性瀝青高溫性能，且效果隨著纖維摻量的增加而變好，但摻量超過一定程度后改善作用減緩.添加三種類型纖維后瀝青針入度均逐漸下降，而軟化點和車轍因子均逐漸上升，表明此時瀝青稠度增大，高溫抗車轍性能更好，分析原因為摻入纖維后其分布于瀝青中增強了內(nèi)摩阻力，進(jìn)而提高瀝青粘度.

2) 各個纖維摻量下，三種纖維改性瀝青的針入度排序為玄武巖纖維<聚酯纖維<木質(zhì)素纖維，而軟化點和車轍因子排序正好相反，表明三種類型纖維對SBS改性瀝青高溫性能的改善效果依次變差.

3) 使用上述三個指標(biāo)進(jìn)行改性瀝青高溫性能評價時有效性存在差異.添加三種不同類型纖維后，針入度和軟化點隨摻量變化曲線中拐點基本出現(xiàn)在摻量為0.3%，而車轍因子則出現(xiàn)在0.15%.

2.2 低溫性能

為研究纖維改性瀝青低溫性能，分別對其進(jìn)行延度(5 ℃)和BBR試驗(溫度-18 ℃)，計算BBR試驗中時間為300 s時的蠕變勁度和蠕變斜率，結(jié)果見圖2.

圖2 三種類型纖維摻量對不同因素的影響

由圖2可知：

1) 在SBS改性瀝青中摻加纖維對其低溫性能不利，且摻量越高影響越大.添加三種類型纖維后瀝青延度均逐漸下降，表明此時瀝青在低溫下延展性變差，而蠕變勁度逐漸增大，此時瀝青低溫下脆性特征更為明顯，低溫性能變差，蠕變速率則逐漸降低，表明瀝青低溫下應(yīng)力松弛能力較差，容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象[9]，分析原因為纖維能吸收瀝青中輕質(zhì)組分，導(dǎo)致瀝青塑性變差所致.

2) 各個纖維摻量下，三種纖維改性瀝青的延度和蠕變速率排序為玄武巖纖維<聚酯纖維<木質(zhì)素纖維，而蠕變勁度排序正好相反，表明三種類型纖維對SBS改性瀝青低溫性能的不利影響依次減小.

3 纖維改性瀝青混合料性能

纖維改性瀝青性能研究中發(fā)現(xiàn)其高溫性能和低溫性能隨摻量的變化曲線上基本在摻量為0.15%時出現(xiàn)拐點，因此，為研究纖維改性瀝青混合料性能，以纖維摻量為0.15%為例，分別按表2中級配成型相應(yīng)SMA-13瀝青混合料試件進(jìn)行試驗，其中玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維改性瀝青的最佳瀝青用量分別為5.5%，5.4%和5.6%，單獨SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量則為5.3%.試驗中每個樣品三個試件，取平均值作為代表值.

2.1 高溫穩(wěn)定性

按規(guī)范使用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm瀝青混合料試件，然后進(jìn)行60 ℃條件下車轍試驗，輪壓0.7 MPa，以動穩(wěn)定度作為高溫穩(wěn)定性評價指標(biāo)，結(jié)果見圖3.

圖3 四種類型瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由圖3可知，使用纖維對SBS改性瀝青進(jìn)行改性后其高溫穩(wěn)定性明顯增強，其中采用玄武巖纖維進(jìn)行改性時效果最好，動穩(wěn)定度較未改性時提高18.4%，而采用聚酯纖維和木質(zhì)素纖維時則分別提高10.1%和9.1%.顯然上述結(jié)果定性分析上與前述瀝青試驗結(jié)果一致，為分析針入度、軟化點和車轍因子用于改性瀝青高溫性能評價的有效性，將其對應(yīng)值分別與上述動穩(wěn)定度試驗結(jié)果進(jìn)行線性相關(guān)分析，結(jié)果見表3.

表3 瀝青高溫性能評價指標(biāo)與動穩(wěn)定度相關(guān)分析結(jié)果

注：a-直線斜率；b-直線截距.

由表3可知，瀝青車轍因子與對應(yīng)的瀝青混合料動穩(wěn)定度相關(guān)性最高，其次是軟化點，針入度則最差，其中車轍因子的R2值分別較軟化點和針入度分別高出6.4%和16.2%，因此，推薦采用DSR試驗得出的車轍因子作為纖維改性瀝青高溫性能評價指標(biāo).

3.2 低溫抗裂性

按規(guī)范使用輪碾法成型瀝青混合料試件，并切割為尺寸250 mm×30 mm×35 mm的小梁，然后進(jìn)行-10 ℃條件下的低溫小梁彎曲蠕變試驗，以最大破壞應(yīng)變作為低溫性能評價指標(biāo)，結(jié)果見圖4.

圖4 四種類型瀝青混合料最大破壞應(yīng)變試驗結(jié)果

由圖4可知，使用纖維對SBS改性瀝青進(jìn)行改性后其低溫抗裂性變差，其中采用玄武巖纖維時下降最為明顯，最大破壞應(yīng)變較未改性時下降13.6%，而采用聚酯纖維和木質(zhì)素纖維時則分別下降7.4%和3.1%，但其仍較文獻(xiàn)[8]中對氣候分區(qū)1-1或2-1中SMA瀝青混合料最大破壞應(yīng)變不小于3 000×10-6的要求仍有較大富余.顯然上述結(jié)果定性分析上與前述瀝青試驗結(jié)果一致，為分析延度、蠕變勁度和蠕變速率用于改性瀝青低溫性能評價的有效性，將其對應(yīng)值分別與上述低溫最大破壞應(yīng)變試驗結(jié)果進(jìn)行線性相關(guān)分析，結(jié)果見表4.

表4 瀝青低溫性能評價指標(biāo)與最大破壞應(yīng)變相關(guān)分析結(jié)果

由表4可知，三個瀝青低溫性能評價指標(biāo)與對應(yīng)的瀝青混合料最大破壞應(yīng)變相關(guān)性均較為顯著，但蠕變勁度和蠕變速率的R2略高于延度，因此推薦采用BBR試驗得出的蠕變勁度和蠕變速率作為纖維改性瀝青高溫性能評價指標(biāo).

3.3 水穩(wěn)定性

按規(guī)范成型馬歇爾試件進(jìn)行凍融劈裂試驗，以凍融劈裂強度比作為水穩(wěn)定性評價指標(biāo)，結(jié)果見圖5.

圖5 四種類型瀝青混合料凍融劈裂強度比試驗結(jié)果

由圖5可知，使用纖維改性SBS改性瀝青能有效提高其混合料的水穩(wěn)定性，其中玄武巖纖維改善作用最好，其凍融劈裂強度比較未改性時提高4.9%，其次是聚酯纖維和木質(zhì)素纖維，兩者分別提高3.2%和2.0%，這是由于纖維具有較大的比表面積，加入瀝青后與其相互融合裹覆于集料表面，此時結(jié)構(gòu)瀝青含量及瀝青膜厚度均增加[10]，因而能較好的抵抗水分的侵蝕作用.

5 結(jié) 論

1) 纖維能顯著提高SBS改性瀝青及瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性，低溫性能則有所下降，其中高溫性能隨纖維摻量的增加而變好，低溫性能則正好相反，其兩者性能指標(biāo)隨摻量的變化曲線中基本在摻量為0.15%時出現(xiàn)拐點.

2) 玄武巖纖維、聚酯纖維和木質(zhì)素纖維對SBS改性瀝青及瀝青混合料高溫性能和水穩(wěn)性能的改善作用依次降低，對低溫性能的不利影響則依次增大，但在本文所用摻量時三種纖維改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均明顯增強，低溫抗裂性則仍較規(guī)范要求有較大富余.

3) 基于DSR試驗得出的車轍因子與其對應(yīng)瀝青混合料動穩(wěn)定度的相關(guān)性明顯高于軟化點和針入度，基于BBR試驗得出的蠕變勁度和蠕變速率與其對應(yīng)瀝青混合料低溫最大破壞應(yīng)變的相關(guān)性則略優(yōu)于延度，故分別推薦采用車轍因子及蠕變勁度和蠕變速率分別作為纖維改性瀝青高溫性能和低溫性能的評價指標(biāo).