聚酯纖維瀝青混合料路用性能的研究

陳紹帆

（中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

瀝青混合料是近年來公路項目中的常用材料，但隨著社會經(jīng)濟水平的提升，各地區(qū)的交通量持續(xù)增加，長此以往，瀝青路面在反復應用下逐漸產(chǎn)生了坑槽、裂縫等問題。聚酯纖維作為有機纖維，理化性質較為穩(wěn)定，在-40℃～250℃的環(huán)境中，聚酯纖維都不會出現(xiàn)變質、收縮等變化。聚酯纖維在瀝青混合料中的主要作用是抗疲勞、加筋、增黏，改善瀝青混合料的路用性能。將其應用在公路瀝青路面中，能夠增強瀝青混合料的抗高溫、耐低溫能力，強化瀝青混合料的柔韌性，降低路面受損的風險，從而保障公路瀝青路面的整體質量。但是，發(fā)揮聚酯纖維在瀝青混合料路用時的根本優(yōu)勢，還需合理地控制聚酯纖維的摻入量，優(yōu)化瀝青混合料路用時的施工設計方案。

1 試驗方案

選擇SMA-13 瀝青混合料進行試驗研究。原材料采 用SBS(I-D)改 性 瀝 青、礦 粉、0～5mm 石 屑、5～10mm 和10～15mm 碎石、6mm 聚酯纖維。經(jīng)檢測指標符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定的質量要求。根據(jù)各礦料篩分試驗數(shù)據(jù)、馬歇爾試驗數(shù)據(jù)，確定各礦料配比及其合成級配。確定的礦料合成級配如圖1 所示。

圖1 SMA-13 瀝青混合料的級配曲線

在此基礎上，首先，通過調(diào)整瀝青用量，并進行馬歇爾試驗，確定瀝青混合料的最佳油石比。最佳油石比確定為6.4%。其次，分別按照0.1%、0.25%、0.4%的聚酯纖維摻入量摻入SMA-13 瀝青混合料，確定摻入聚酯纖維后瀝青混合料的配比設計參數(shù)。配置材料時，做好瀝青混合料的拌和工作，保證瀝青混合料的配制質量。最后，通過不同聚酯纖維摻入量的瀝青混合料性能試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行比對分析，研究其對瀝青混合料路用性能的影響[1]。

2 路用性能研究

基于聚酯纖維瀝青混合料的技術指標，根據(jù)瀝青混合料路用性能的改善要求，結合當前公路項目所在地區(qū)（福建）雨量充沛、夏季炎熱的氣候特征，分別從水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性能、抗疲勞性能入手，研究聚酯纖維摻入瀝青混合料后的路用性能。

2.1 水穩(wěn)定性能

2.1.1 改善效果

在瀝青混合料路用性能中，水穩(wěn)定性能具體指瀝青混合料的抗水損害性能。在公路項目中，瀝青路面上水的表現(xiàn)形式包括毛細水、沖擊水兩種。降雨、車輪的反復沖擊都會破壞瀝青混合料的表層瀝青膜，使其逐漸剝落，甚至對內(nèi)部瀝青材料產(chǎn)生乳化作用，降低瀝青混合料的黏附功能，影響公路質量。為明確不同聚酯纖維摻入后，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能的實際影響，通過馬歇爾試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗數(shù)據(jù)

從表1 可知，摻入0.1%～0.4%的聚酯纖維后，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度均得到了提升。隨著聚酯纖維的摻入量逐漸增多，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度均會先持續(xù)增大，后逐漸減小。當聚酯纖維的摻入量為0.25%時，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度處于最大值。所以摻入聚酯纖維后可改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，在聚酯纖維摻入量為0.25%時，改善效果最佳。

2.1.2 改善原理

聚酯纖維在保持低摻入量的基礎上，對瀝青混合料水穩(wěn)定性能有著比較顯著的改善作用，主要原理可體現(xiàn)在三個方面：

（1）相對于普通的瀝青集料，聚酯纖維的親油性更強。摻入聚酯纖維后，瀝青膜的厚度增加，且聚酯纖維和瀝青膜共同附著在瀝青集料表層，避免雨水、車輪沖擊后剝離瀝青膜。

（2）聚酯纖維的本質是一種高分子的聚酯化合物，疏水性較強，能夠減少瀝青混合料路用后水的滲入量，從而預防瀝青膜剝離。

（3）聚酯纖維通過橋接、加筋的方式，分散瀝青混合料承擔的外部作用力，使其保持穩(wěn)定狀態(tài)。但大量摻入聚酯纖維，會導致瀝青和石料無法充分接觸，影響混合料的水穩(wěn)定性能。因此，應通過試驗，確定聚酯纖維的摻入量，明確瀝青混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)時的聚酯纖維的用量[2]。

2.2 高溫穩(wěn)定性能

2.2.1 性能分析

瀝青混合料屬于黏彈性材料。在公路項目中，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能是指瀝青結構在溫度、荷載的持續(xù)影響下依然能夠保持穩(wěn)定、不變形的能力。具有高溫穩(wěn)定性能的瀝青混合料，汽車荷載、高溫都不會對公路瀝青路面產(chǎn)生高溫損害，留下車轍。

公路瀝青路面車轍病害的產(chǎn)生可分為三個階段：

（1）在瀝青路面上方車輪荷載的作用下，瀝青混合料的骨架重新組合，并被反復壓實。

（2）在高溫環(huán)境下，瀝青變軟，且對內(nèi)部骨架沒有較強的約束力，導致混合料自主流動，引起結構失穩(wěn)問題。

（3）持續(xù)的荷載使瀝青混合料內(nèi)的材料被擠壓，被迫滑動，同時骨架部位破壞后被壓碎，繼而形成車轍。

2.2.2 改善效果

在分析聚酯纖維對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的改善效果時，相關人員應基于路用性能的試驗檢測，評估摻入聚酯纖維后，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的變化情況。常用的試驗方法包括車轍試驗、馬歇爾試驗、彎曲蠕變試驗等。其中車轍試驗的操作更為簡單，對試驗環(huán)境、流程的要求不高，不受空間限制，且結果更為直觀[3]。

試驗方法是按照聚酯纖維、瀝青混合料的不同配比設計，制作車轍試驗樣品，樣品規(guī)格約為300mm×300mm×50mm。樣品制成后需養(yǎng)護24h，然后在溫度環(huán)境為60℃時，在0.7MPa±0.05MPa 的試驗輪壓強下，以42 次/min±1 次/min 的往返速度對試驗樣品進行碾壓。在碾壓過程中，持續(xù)記錄試驗樣品結構的變形情況。試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的車轍試驗數(shù)據(jù)

從表2 可知，聚酯纖維的摻入量在0.1%～0.4%時，瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有所提升，且當聚酯纖維的摻入量為0.25%時，瀝青混合料動穩(wěn)定度的提升效果最為明顯。另外，摻入不同量的聚酯纖維后，瀝青混合料在45min、60min 的變形量明顯降低。在瀝青混合料中摻入聚酯纖維后，公路瀝青路面具有較強的高溫穩(wěn)定性能，可以有針對性地控制公路的車轍深度。

2.3 抗疲勞性能

在瀝青混合料的路用性能中，抗疲勞性能是指瀝青路面處于極限抗拉強度狀態(tài)、外部荷載反復作用下的對抗能力。具有良好抗疲勞性能的瀝青混合料，在使用期間不會因溫度、車輛荷載而出現(xiàn)內(nèi)損傷?？梢杂脕碓u價瀝青混合料抗疲勞性能的試驗指標有應力水平、疲勞壽命、彎曲勁度模量等。試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的抗疲勞性能試驗數(shù)據(jù)

從表3 可知，聚酯纖維摻入瀝青混合料后，瀝青混合料的疲勞壽命會明顯增加。聚酯纖維的摻入量為0.1%時，瀝青混合料的疲勞壽命會提高至120%，摻入量為0.25% 時，瀝青混合料的疲勞壽命會提高至170%，摻入量為0.4%時，瀝青混合料的疲勞壽命會提高至132%，極大改善了抗疲勞性能。聚酯纖維的摻入量不同時，彎曲勁度模量的變化會歷經(jīng)兩個階段：其一，彎曲勁度模量急速降低。其二，彎曲勁度模量緩慢減少，直到變化接近至初始值的一半。當聚酯纖維的摻入量為0.25%時，彎曲勁度模量的減速會處于較佳狀態(tài)，表示瀝青路面的抗疲勞性能表現(xiàn)良好。原因在于瀝青混合料在反復接受循環(huán)荷載后，材料內(nèi)部存在微孔、錯位曲線，導致彎曲勁度模量快速下降。在加入聚酯纖維后，瀝青混合料的材料用量變多，各類基礎缺陷變少，使瀝青混合料在循環(huán)荷載狀態(tài)下，彎曲勁度模量的下降速度減緩。在此過程中，聚酯纖維能夠預防瀝青混合料中的裂縫、基礎缺陷問題，還能夠促進瀝青混合料自愈，使其在荷載轉移后逐漸恢復[4]。

3 路用要點

溫度和壓實度是聚酯纖維瀝青混合料路用效果的重要影響因素。在應用聚酯纖維改善瀝青混合料的路用性能時，應明確瀝青混合料的溫度控制要點，規(guī)范混合料的壓實流程。

其一，瀝青混合料拌和時，溫度過高會導致瀝青流動性升高，使其內(nèi)部黏度下降，容易產(chǎn)生較大的空隙率。溫度過低則會導致瀝青混合料的凝結速度過快，黏度增加，從而損傷瀝青混合料的穩(wěn)定性能。因此，相關人員應根據(jù)聚酯纖維的技術指標、材料機理，控制瀝青混合料拌和時的溫度。正式摻入聚酯纖維時，還應利用風送設備使其保持蓬松疏散的狀態(tài)，然后直接用鼓風機將其轉移到瀝青混合料的攪拌鍋內(nèi)，與粗集料干拌35s 左右后，分別加入瀝青、礦粉，攪拌時間約為90s。

其二，壓實聚酯纖維瀝青混合料。首先，施工人員需要用雙鋼輪壓路機前、后初壓1 遍，然后用雙鋼輪壓路機復壓5 遍±1 遍，終壓2 遍。在此過程中，施工人員應重點控制聚酯纖維摻入后的壓實遍數(shù)，降低瀝青混合料的空隙率，保證瀝青混合料的壓實效果。避免在聚酯纖維摻入瀝青混合料后，碾壓不到位，導致聚酯纖維因瀝青裹覆而混亂分布，形成纖維骨架后出現(xiàn)內(nèi)部空隙。

4 結語

綜上所述，聚酯纖維可以有效地改善瀝青混合料的路用性能，但在正式投入使用時，應通過試驗分析不同摻入量對瀝青混合料路用性能造成的影響，并結合瀝青路面的技術指標、施工參數(shù)以及實際成本要求，合理選擇聚酯纖維，科學配制路用材料，同時嚴格控制各施工環(huán)節(jié)的工藝流程，完善公路瀝青路面的整體性能。