硫酸鈣晶須/聚酯纖維改性瀝青混合料的高低溫性能研究

李 占 軍

(河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

由不同相對分子質(zhì)量的碳化合物和非金屬衍生物充分混合后形成的顏色較深的混合物稱為瀝青，其是黏性極高的有機液體[1-2]。瀝青在土木工程中可作為防水、防腐材料，也是道路建設工程必不可少的路面鋪設材料。但瀝青材料并不直接應用到路面鋪設過程中，為使瀝青材料更加堅固耐用[3-4]，常使用聚酯纖維、硫酸鈣晶須對其進行改性處理。

聚酯纖維是良好的吸油材料，其較強的吸附能力會提高瀝青混合料的油石比，增強集料間的黏結(jié)力，起到加筋的作用，進而提高瀝青混合料的低溫性能[5-11]。硫酸鈣晶須具有高強度、高模量、成本低廉和綠色環(huán)保的特點，常用作補強增韌劑或功能型填料用于造紙、橡膠、塑料、膠黏劑等行業(yè)，近年大量研究表明，硫酸鈣晶須可改善瀝青混合料的高溫性能[11-14]。因此，若是將硫酸鈣晶須和聚酯纖維二者結(jié)合改性瀝青，則有希望獲得高溫性能和低溫性能均良好的瀝青混合料。

作者通過聚對苯二甲酸乙二醇酯(簡稱聚酯)纖維與集料干拌，然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青濕拌,制得硫酸鈣晶須/聚酯纖維復合改性瀝青混合料，考察了硫酸鈣晶須對瀝青高低溫性的影響，以及硫酸鈣晶須/聚酯纖維復合改性瀝靑混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，為工程應用中提高瀝青混合料的性能提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 主要原料

聚酯纖維：牌號博尼維，美國Kapejo公司產(chǎn)；硫酸鈣晶須：四川康升晶須科技有限公司產(chǎn)；瀝青：牌號SK90，阿爾法(江陰)瀝青有限公司產(chǎn)。瀝青和聚酯纖維的性能如表1、表2所示。

表1 SK90瀝青性能Tab.1 Properties of SK90 asphalt

表2 聚酯纖維性能Tab.2 Properties index of polyester fiber

1.2 儀器與設備

LYY-8型延度儀：滄州歐海試驗儀器有限公司制； LZR-3瀝青針入度測定儀：華沖試驗儀器公司制；YLRH-1型瀝青軟化點儀：西安亞星土木儀器有限公司制；HYCZ-5型自動車轍試驗儀：滄州精威儀器設備制造有限公司制;YZM-H 瀝青混合料萬能試驗機:上海魅宇儀器設備有限公司制。

1.3 硫酸鈣晶須/聚酯纖維改性瀝青混合料的制備

(1)將SK90瀝青加熱至流動狀態(tài)，然后稱取一定質(zhì)量的硫酸鈣晶須加入其中，攪拌30 min，制得硫酸鈣晶須改性瀝青。其中， 添加硫酸鈣晶須質(zhì)量分數(shù)為0、2%、4%、6%、8%的改性瀝青分別標記為1#、2#、3#、4#、5#試樣。

(2)通過馬歇爾試件的高度確定瀝青混合料的總質(zhì)量，然后根據(jù)AC-13級配計算各集料、礦粉的質(zhì)量。將一定質(zhì)量的聚酯纖維加入集料中，與集料一起拌和，讓聚酯纖維均勻的分散于集料中；然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青、礦粉攪拌，制得硫酸鈣晶須/聚酯纖維復合改性瀝青混合料。改性瀝青的添加量由馬歇爾試驗獲得。其中，添加硫酸鈣晶須質(zhì)量分數(shù)為4%、聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的改性瀝青混合料分別標記為6#、7#、8#、9#、10#試樣。具體制備工藝見圖1。

圖1 改性瀝青混合料制備流程Fig.1 Preparation process of modified asphalt mixture

1.4 分析與測試

針入度：按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用LZR-3瀝青針入度測定儀測定試樣在15,25,30 ℃的針入度。

軟化點：按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用YLRH-1型瀝青軟化點儀測定。

延度：按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》， 將瀝青試樣做成8字型標準試件，分別在10，15 ℃下，采用LYY-8型延度儀以5 cm/min的速度拉伸至斷裂，記錄試件斷裂時的長度。

動穩(wěn)定度(DS)：按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的車轍試驗方法，將瀝青混合料制成尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的車轍板試件，然后采用車轍試驗機測定，測試溫度為60 ℃，輪壓為 0.7 MPa，反復碾壓速度為 33次/min。DS按式(1)計算。

(1)

式中：c2是60 min 時車轍試件變形的量;c1是45 min時車轍試件變形的量；a,b分別是儀器修正系數(shù)和車轍板修正系數(shù)，均為1.0。

抗彎拉強度(R)和彎曲勁度模量(S)：按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的小梁彎曲試驗方法，將瀝青混合料制成尺寸為40 mm×40 mm×240 mm 的立方體試件，然后采用萬能試驗機以跨中加載方式測定，加載速率為40 mm/min，實驗溫度為-10 ℃。R，S分別按式(2)、式(3)計算。

R=3LP/2bh2

(2)

S=6hP/L2

(3)

式中：P表示試件破壞時的最大荷載；h為試件高度；L為試件的跨徑；b為跨中斷面試件寬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸鈣晶須對改性瀝青高低溫性能的影響

2.1.1 高溫性能

針入度是反映瀝青高溫性能指標。從表3可以看出：測試溫度為15 ℃時, 隨著硫酸鈣晶須含量增加，改性瀝青的針入度先降低后升高；而測試溫度為25,30 ℃時，隨著硫酸鈣晶須含量增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，說明硫酸鈣晶須可改善瀝青混合料的高溫性能。

表3 改性瀝青試樣的針入度Tab.3 Penetration of modified asphalt samples

這是由于硫酸鈣晶須與瀝青相容性較好，能均布分散在瀝青中，與瀝青形成纖維網(wǎng)絡，限制瀝青的流動性，進而增大瀝青的黏稠度，所以針入度降低，但當滲透擴散至硫酸鈣晶須中的基質(zhì)瀝青輕組分達到飽和時，針入度不再降低。適宜的硫酸鈣晶須添加質(zhì)量分數(shù)為4%。

2.1.2 低溫性能

延度是衡量瀝青低溫性能的重要指標。從表4可以看出：測試溫度為10 ℃時，隨著硫酸鈣晶須含量的增加，改性瀝青的延度逐漸降低，由43.2 cm降至26.5 cm，降低幅度為38.7%；測試溫度為15 ℃時，隨著硫酸鈣晶須含量的增加，改性瀝青的延度值同樣逐漸降低，由134.1 cm降至97.6 cm，降低幅度為27.2%，說明延度在10 ℃下的變化要比15 ℃時顯著，表明溫度越低，硫酸鈣晶須對延度的影響越大。

表4 改性瀝青試樣的延度Tab.4 Ductility of modified asphalt samples

2.1.3 溫度敏感性

針入度指數(shù)(IP)是用以描述瀝青溫度敏感性的指標，可采用式(1)、式(2)計算。IP越大，瀝青的溫度敏感性越小。

lgP=AT+K

(4)

IP=(20-500A)/(1+50A)

(5)

式中：T為測試溫度；P為相應測試溫度下的針入度；A為回歸常數(shù)，表示瀝青的溫度敏感性；K為回歸參數(shù)，表示瀝青柔軟度。

測得改性瀝青在T為15,25,35 ℃的P，以lgP對T作圖，擬合曲線的斜率即為A,見圖2。

圖2 改性瀝青試樣的lg P-T曲線Fig.2 lg P-T curves of modified asphalt samples■—1#試樣；●—2#試樣；▲—3#試樣；▼—4#試樣；◆—5#試樣

將A代入式(2)即可計算出IP，所得結(jié)果列于表5。從表5可以看出，隨著硫酸鈣晶須的增加，改性瀝青的A下降、IP增大，A由0.029 9降至0.025 5，降低幅度為14.7%，IP由2.024 0增至3.186 8，增加幅度為5.7%，說明硫酸鈣晶須可降低瀝青的溫度敏感性。

表5 改性瀝青試樣的A與IPTab.5 A and I([a-z])([a-z])f modified asphalt samples

2.2 改性瀝青混合料的高低溫性能

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

從表6可以看出：硫酸鈣晶須添加量一定時，隨著聚酯纖維摻量的增加，瀝青混合料的DS呈現(xiàn)出先增長后降低的趨勢；當添加聚酯纖維的質(zhì)量分數(shù)為0.2%～0.4%，改性瀝青混合料的DS最佳。這是因為聚酯纖維不溶于瀝青，聚酯纖維添加量適中時，聚酯纖維在瀝青混合料中分散均勻，起到加筋的作用，瀝青混合料的強度提高，高溫性能有所改善，但當聚酯纖維添加量過多時，則會導致纖維在瀝青混合料中分散不均而結(jié)團，使瀝青混合料強度降低，高溫性能下降。

表6 改性瀝青混合料的DSTab.6 DS of modified asphalt mixture

2.2.2 低溫抗裂性

在低溫及荷載的長時間作用下，路面內(nèi)部的應力超過瀝青路面的抗拉疲勞強度即會產(chǎn)生開裂，因此需要評價瀝青混合料的低溫抗裂性。改性瀝青混合料的R和S見表7。

表7 改性瀝青混合料的R和STab.7 R and S of modified asphalt mixture

從表7可以看出，硫酸鈣晶須添加量一定時，隨著聚酯纖維摻量的增加，改性瀝青混合料的R先增大后減小，S逐漸增大，這是因為聚酯纖維添加量過多會導致纖維在瀝青混合料中分散不均而結(jié)團，降低流動性，從而影響混合料的R，當聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，R達到峰值，混合料的抗變形能力最強。

3 結(jié)論

a.通過聚酯纖維與集料干拌，然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青濕拌制備了硫酸鈣晶須/聚酯纖維改性瀝靑混合料，制得瀝青具有較好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

b.隨著硫酸鈣晶須含量增加，硫酸鈣晶須改性瀝青的針入度下降、延度下降、A減小，IP增大。

c.當硫酸鈣晶須添加質(zhì)量分數(shù)為4%時，隨聚酯纖維含量增加，改性瀝青混合料的DS和R先增大后減小，S逐漸增大；當聚酯纖維質(zhì)量分數(shù)為0.4%時，DS、R達到峰值，混合料的抗變形能力最強。