聚酯纖維排水性瀝青混合料水穩(wěn)定性探究

王偉(浙江榮通化纖新材料有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

在混合料中摻入聚酯纖維能夠改善其路用性能，降低水的侵蝕、冷凍等災(zāi)害對路面的影響，從而提升材料穩(wěn)定性[1]。自從20世紀90年代起，國內(nèi)學(xué)者不斷加大聚酯纖維瀝青混凝土探究力度，并且已運用到等級高的公路施工實踐中。但是對于聚酯纖維排水性瀝青混合料而言，如何兼顧其強度、耐久性、水穩(wěn)定性等，還需要進一步的研究。文章從實驗研究的角度出發(fā)，分析影響其水穩(wěn)定性的因素，并且探討其路面應(yīng)用效果，期望為相關(guān)研究提供參考。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 排水性瀝青混合料性能

排水性瀝青混合料路面具有以下特征：(1)排水性好，聚酯纖維排水性瀝青混合料的設(shè)計孔隙率較大，在路面運行過程中，地表降水能夠通過多孔表層，經(jīng)過表層下的側(cè)孔排出 ，從而消除路面的水花，減少路面水花造成的影響；(2)降低路面噪音，滾動輪胎和路面泵吸作用、汽車引擎震動等是引發(fā)路面噪音的主要因素，排水性瀝青混合料的多孔性能夠消除泵吸作用[2]，從而起到降低噪音的作用，其中以孔隙率為15%～25%區(qū)間的混合料的降噪性能最佳；(3)抗滑性，汽車在路面行駛時，車輪下的雨水會對車輪產(chǎn)生反向推動力，從而引發(fā)車輪打滑，排水性瀝青路面可以減少表面積水，該種材料具有較好的抗滑性能；(4)安全性，排水性瀝青混合料能夠改善行車環(huán)境，減少不安全因素，從而提升路面行車安全。

1.2 試驗方案選擇

文章的研究主要是將聚酯纖維摻入排水性瀝青混合料中，分析聚酯纖維排水性瀝青混合料的性能，對于其水穩(wěn)定性、強度的因素進行分析，從而獲得具有較強的水穩(wěn)定性的聚酯纖維排水性瀝青混合料，并且分析其路用性能[3]。為了分析聚酯纖維摻入排水性瀝青混合料的性能，選擇不同的聚酯纖維摻入量，分別 選 擇0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%的聚酯纖維，分析不同的摻入量所得到的混合料性能。同時對比其他類型的混合料進行對比研究，分析其水穩(wěn)定性進行相關(guān)研究。通過對比分析，研究最佳水穩(wěn)定性強度小的級配比，分析其路面應(yīng)用情況。

2 原材料試驗

2.1 瀝青選擇

分別選用SBS改性瀝青、高粘瀝青和高強瀝青作為排水性瀝青混合料的膠結(jié)料進行分析，選擇真空減壓毛細管法測試動力黏度，同時分析其負數(shù)剪切黏度，分析不同瀝青的情況。通過研究顯示，高粘瀝青軟化點高，60 ℃動力黏度最強；高強瀝青黏韌性值很大；SBS改性瀝青廣泛應(yīng)用于高速公路路面，其60 ℃的動力黏度介于高強瀝青和高粘瀝青之間，相對而言，綜合效果最佳 。經(jīng)過比對，最終選擇SBS改性瀝青作為膠結(jié)料。

2.2 集料級配

為了保證排水性瀝青混合料微觀紋理良好，具有耐久性和抗滑性能，需要選擇穩(wěn)定性高、不易磨光的集料。粗集料如果太軟，會造成混合料破碎，影響混合料級配。為了保證排水性瀝青混合料性能，需要選擇合適的集料。根據(jù)CJJ/T190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》，本研究選擇石灰?guī)r作為集料，將石灰?guī)r磨細后得到礦粉，摻入其中的礦粉必須干燥、清潔，占集料百分比為4%。聚酯纖維用量為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%，聚酯纖維指標選擇技術(shù)規(guī)范的要求。

2.3 材料用量

按照下列公式計算初始瀝青用量，選擇瀝青厚度為14 μm：

式(1)和(2)中：Ph為瀝青初始用量；h為瀝青膜厚；A為集料總表面積；a、b、c、d、e、f、g分別為不同篩孔下的通過率。根據(jù)該公式進行計算，初始瀝青用量為5%，選擇以0.5%作為瀝青變量。通過對4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%等瀝青用量的混合料加以剖析，確定最理想的瀝青使用數(shù)量。經(jīng)過測試研究對比，數(shù)據(jù)顯示，聚酯纖維摻量0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%的最佳瀝青用量分別為4.9%、5.0%、5.1%、5.2%、5.3%。

2.4 測試研究

對排水瀝青混合料開展凍融劈裂實驗剖析。首先根據(jù)不同的聚酯纖維摻入量制備得到馬歇爾試件，不同摻入量制備得到8個試件，分別分為對照組和實驗組，以馬歇爾試件作為凍融劈裂試驗分析的材料。對照組的馬歇爾試件選擇常溫保存?zhèn)溆?，?jīng)過在25 ℃恒溫水中放置2 h后，開展劈裂試驗。這次探究將凍融劈裂件作為實驗樣品，對其進行凍融循環(huán)，之后放在溫度為25 ℃并且不會變化的水槽中實施劈裂實驗。通過凍融劈裂試驗分析其水穩(wěn)定性，從而分析最佳水穩(wěn)定性時的聚酯纖維摻入量 。凍融劈裂試驗分析的儀器為北京航天科宇公司的SYD-0713型瀝青混合料單軸試驗機，該儀器的分辨率為0.01 kN，機動速率為50 mm/min，量程為100 kN，能夠滿足測試的需求。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 凍融劈裂試驗分析結(jié)果

依照要求操控儀器，每一組試驗四個試件，最后得出的凍融劈裂試驗結(jié)果如表1所示。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，常溫聚酯纖維0.45%以下時，劈裂抗拉強度隨著聚酯纖維含量增加而增大，而當聚酯纖維含量超過0.45%時，劈裂抗拉強度有所降低，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于聚酯纖維具有較大的比表面積和吸附性，增加聚酯纖維含量，能夠提升聚酯纖維吸附瀝青飽和烴和芳香烴的作用，從而提升瀝青的粘接性，提升劈裂抗拉強度。由于聚酯纖維抗拉強度很大，因此其含量增大，能夠在混合料中起到加筋和橋聯(lián)的作用，從而增強其劈裂抗拉強度。但是當聚酯纖維量超過一定量，導(dǎo)致聚酯纖維無法在瀝青中均勻分布，部分聚酯纖維纏結(jié)成為團狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聚酯纖維分布不均勻，從而導(dǎo)致劈裂抗拉強度降低。

表1 凍融劈裂試驗結(jié)果

比較凍融與常溫形態(tài)下的混合料劈裂抗拉強度可以知道，通過凍融循環(huán)之后，劈裂抗拉強度顯著下降。由于凍融循環(huán)需要將試件經(jīng)過真空保水，因此水分進入混合料內(nèi)部，產(chǎn)生凍脹作用。在凍融作用下，會導(dǎo)致瀝青變脆，混合料出現(xiàn)微裂紋，從而劈裂強度降低。凍融后的試件經(jīng)過常溫水浴2 h，水進入集料和瀝青界面，也會進一步降低瀝青表面粘附力，從而降低其劈裂抗拉強度。

3.2 水穩(wěn)定性分析

聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉水平是依托水損害發(fā)生之前、發(fā)生之后與凍融之前、凍融之后抗拉強度的比較數(shù)值，能夠用以剖析混合料的水穩(wěn)固性。由于聚酯纖維排水性瀝青混合料的孔隙率較高，在水侵蝕的作用下，容易對路面結(jié)構(gòu)造成損害，因此該路面結(jié)構(gòu)對于水穩(wěn)定性要求較高。對于聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融劈裂強度進行分析，對比不同比例的聚酯纖維含量的強度，能夠分析摻入量對于水穩(wěn)定性的影響，從而選出最佳配比的混合料。

對聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融抗拉強度的分析顯示，聚酯纖維含量在0.35%以下時，凍融抗拉強度隨著聚酯纖維含量增加而提升；含量在0.35%以上時，其凍融抗拉強度隨著含量增加而降低。聚酯纖維達到0.35%的時候，其凍融抗拉強度比達到最大值，說明該含量下混合料能夠抵御水侵蝕的作用，水穩(wěn)定性較高。聚酯纖維能夠增強排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但是當聚酯纖維含量增加時，由于其具有吸水性，加入聚酯纖維后排水性瀝青混合料不容易被壓實，其孔隙率增大，反而影響其水穩(wěn)定性。

3.3 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過探究可知，常溫狀態(tài)下的聚酯纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度在聚酯纖維占比為0.45個百分點的時候達到最高數(shù)值，為0.77 MPa。在進行了凍融循環(huán)之后，劈裂抗拉強度在聚酯纖維占比為0.35個百分點的時候強度數(shù)值能夠高達82.8%，這種含量情況下混合料水穩(wěn)定性達到理想數(shù)值。

4 聚酯纖維排水性瀝青混合料路用性能研究

排水性瀝青混合料大范圍運用到路面項目中，添加了聚酯纖維的混合料，具有強大的水穩(wěn)定性，探究其如何運用到路面施工中有一定實踐價值。

4.1 SBS改性瀝青路用性能

本設(shè)計所探究的排水性瀝青混合料的混合料級配A2，依據(jù)該種混合料的設(shè)計過程展開探究。經(jīng)過研究顯示，選擇SBS瀝青作為混合料，排水功能能夠滿足路用要求。但是SBS瀝青制備的混合料在耐久性、水穩(wěn)定性和抗磨耗性方面有所不足。對SBS改性的排水性瀝青混合料進行深入探究可知，混合料凍融劈裂強度較小，水穩(wěn)定性也不理想；而且在荷載作用下，容易發(fā)生脫落、松散等情況，表明其穩(wěn)定性不足，加工容易引發(fā)飛散損失；由于SBS改性瀝青的黏度較低，無法對石料進行完全包裹，會影響其耐久性。為了改善SBS改性瀝青的路用效果，需要摻入集料改善混合料的性能。

4.2 石灰?guī)r粉末瀝青混合料性能

在文章的研究中，摻入石灰?guī)r粉末作為填料，有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。相關(guān)研究表明，石灰?guī)r粉末穩(wěn)定性強、耐高溫、經(jīng)濟適用，而且其強度大于水泥，將其摻入瀝青混合料中，能夠有效提升其耐高溫能力，并且增強其力學(xué)穩(wěn)定性。

文章選擇加入質(zhì)量占比4%的石灰?guī)r粉末，研究顯示，加入石灰?guī)r粉末后，混合料的孔隙率保持不變，仍然具備良好的排水功能。相比于SBS改性瀝青，加入石灰?guī)r粉末后，抗飛散能力加強，飛散損失明顯減少。對加入石灰?guī)r粉末后的瀝青混合料的抗凍劈裂強度、耐高溫性能和抗車轍性能進行分析，研究顯示低溫抗劈裂強度有所提升，抗車轍性能有所提升，抗高溫性能改善明顯。因此對于夏季高溫多雨的地區(qū)，重載車輛多、車轍容易致使路面發(fā)生變形，加入適量的石灰?guī)r粉末，能夠提升路面抗車轍能力，提升路面穩(wěn)定性。

4.3 聚酯纖維瀝青路用性能

SBS改性瀝青制作的瀝青混合料雖然排水性較好，摻入石灰?guī)r粉末能改善其高溫穩(wěn)定性，但是在攤鋪時容易造成集料離析，產(chǎn)生其他病害作用。從20世紀80年代開始，歐美國家將纖維用于改善瀝青混合料的路用性能。纖維穩(wěn)定劑可以起到加筋、分散、吸附瀝青和穩(wěn)定的作用，以此吸附瀝青，提升混合料的粘接力，并且將瀝青礦粉均勻分散在集料之中，從而提升混合料的穩(wěn)定性，增強其耐久性。常用的纖維材料有木質(zhì)素纖維、礦物纖維和聚合物纖維等，木質(zhì)素纖維容易吸收過量瀝青，導(dǎo)致成本增加，而且吸水后容易老化變形，使用價值較低。相比較而言，聚酯纖維成本低、吸附性能好，可用于改善瀝青混合料性能。

在文章的研究中，加入聚酯纖維后，排水性瀝青混合料的性能明顯改善，主要體現(xiàn)在以下方面：(1)孔隙率有所下降，對排水性瀝青混合料的孔隙率進行研究，表明加入聚酯纖維后的混合料孔隙率下降1.0%左右，但是依然滿足排水性瀝青的要求，排水能力并沒有明顯下降；(2)混合料析漏損失降低，加入聚酯纖維后，排水性瀝青最佳瀝青用量明顯提升，其析漏損失明顯降低，表明聚酯纖維能夠提升瀝青油膜厚度，提升混合料耐久性；(3)水穩(wěn)定性顯著加強，凍融系列實驗與浸水飛散實驗證明，添加聚酯纖維之后，排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性大幅提升，證明聚酯纖維可以在很大程度上改變混合料的抗水毀壞水平，提高水穩(wěn)定性程度；(4)低溫抗裂性能，通過凍融循環(huán)試驗，研究表明加入聚酯纖維后，排水性瀝青的低溫抗裂性能明顯增強，可以提升路面抗寒能力；(5)提升動穩(wěn)定度，加入聚酯纖維能夠提升排水性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，但是由于混合料中粗集料較多，孔隙率較大，因此動穩(wěn)定度改善并不明顯；(6)聚酯纖維只能包裹粗集料，在交接、搭接方面所起的作用較小，而且聚酯纖維分散，擴大粗集料和細集料的接觸面積，因此有助于改善其抗高溫性能。

5 結(jié)語

文章研究顯示，聚酯纖維排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提升，而且耐久性和抗寒能力也有所提升。但是混合料的水穩(wěn)定性并不是單純的隨著聚酯纖維含量增加而增加，而是在聚酯纖維到達一定含量之后，隨著聚酯纖維含量增加，水穩(wěn)定性反而降低。因此需要控制聚酯纖維的含量，加入合適的聚酯纖維，從而形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，并且采取有效的措施，進一步提升混合料的路用性能，改善混合料路用效果，為車輛出行提供良好的路面環(huán)境。