不同類型纖維瀝青膠漿性能試驗(yàn)研究

李光偉,桑偉寧

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,合肥 230088)

纖維是一種經(jīng)濟(jì)有效的添加劑,能在少量添加的情況下顯著提高瀝青混合料的各項(xiàng)性能[1]。在Jenq等[2]于20世紀(jì)90年代進(jìn)行的比較研究中,聚酯纖維與聚丙烯纖維都能提高混合料的高低溫性能,防止路面開裂。張宏武[3]在高溫下的車轍實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),玄武巖纖維對瀝青路面材料的高溫抗變形能力具有顯著提升效果。楊盼盼[4]則通過兩種不同的加載模式進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠較好地提升SMA(瀝青瑪蹄脂-碎石混合料)及SUP(高性能瀝青混合料)類型瀝青路面的抗疲勞開裂能力。根據(jù)Batista等[5]對木質(zhì)素改性瀝青膠漿的物理和化學(xué)性能的分析,木質(zhì)素纖維能夠明顯改善瀝青膠漿的抗氧化性、抗老化性和高溫抗車轍性能,其中以6%的木質(zhì)素瀝青膠漿改性效果最佳。

綜合以上研究成果,不難發(fā)現(xiàn)纖維是一種極具潛力的瀝青添加劑,可以顯著提高瀝青的多種性能,特別是在高溫和老化等惡劣環(huán)境下,其表現(xiàn)尤為出色。因此,有必要加強(qiáng)對纖維等高分子材料的研究和應(yīng)用,以進(jìn)一步提升瀝青的性能表現(xiàn),推動可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 纖維物理指標(biāo)與微觀形貌

為了提高SMA瀝青混合料的耐久性和抗裂性等性能,往往會向?yàn)r青混合料中添加纖維。雖然纖維在瀝青混合料中的比例很小,但對混合料的性能影響重大。選用了三種常用的纖維:聚酯纖維、木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維,并對它們的性能進(jìn)行分析。

試驗(yàn)使用產(chǎn)自四川的聚酯纖維、江蘇的木質(zhì)素纖維和安徽的玄武巖纖維,其物理性能指標(biāo)見表1。此外,使用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對三種纖維的表面形態(tài)特征進(jìn)行了觀察,如圖1所示。微觀狀態(tài)下聚酯纖維呈束狀形態(tài),每根纖維之間緊密聯(lián)系,高倍數(shù)電鏡下可看出,聚酯纖維呈圓柱體,表面較為光滑。單根纖維表面有凹槽。木質(zhì)素纖維呈網(wǎng)狀,相互之間交錯復(fù)雜。木質(zhì)素纖維形態(tài)不規(guī)則。單根纖維的長短、粗細(xì)、形態(tài)有差異,有些纖維表面有破損,表面不光滑。單根玄武巖纖維呈圓柱狀,形態(tài)筆直,多根玄武巖纖維呈緊密束狀排列,單根玄武巖纖維表面呈折頁狀。

表1 纖維物理技術(shù)指標(biāo)

2 纖維瀝青膠漿試驗(yàn)

2.1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行DSR試驗(yàn)。根據(jù)合肥市夏季氣溫,選定試驗(yàn)溫度。合肥市近30年來,夏季最高溫度為41 ℃,鋼橋面溫度比氣溫高30～35 ℃,DSR試驗(yàn)溫度取80 ℃。制作木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維瀝青膠漿及不同纖維混摻瀝青膠漿,用DSR試模制作直徑為24 mm的圓形試件,每組試驗(yàn)成型2個試件。

將三種纖維分別作為填料與SBS改性瀝青形成瀝青膠漿,比較三種纖維的抗高溫性能。DSR試驗(yàn)用抗車轍因子表征瀝青膠漿的抗高溫性能,其值越大,表明瀝青膠漿的抗高溫性能越好。將纖維的摻量均取為4.5%(占瀝青質(zhì)量的百分比),每組試件取平均值,結(jié)果見表2。

表2 不同纖維瀝青膠漿DSR試驗(yàn)結(jié)果

K=|G*|/sinδ

式中,K為高溫抗車轍因子,kPa;|G*|為復(fù)數(shù)剪切模量,Pa;δ為相位角,°。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同類型的纖維摻入瀝青膠漿后,抗車轍因子會出現(xiàn)顯著差異。在摻纖維量為4.5%的情況下,聚酯纖維摻入后的瀝青膠漿抗車轍因子為7.569 kPa,是不摻纖維膠漿的2.7倍。而木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維的抗車轍因子分別只有聚酯纖維摻入膠漿抗車轍因子的55.9%和57.1%。

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出不同類型纖維摻入瀝青膠漿后抗車轍性能的大小順序?yàn)?聚酯纖維>玄武巖纖維>木質(zhì)纖維 >原瀝青。聚酯纖維的抗車轍性能最佳,能將膠漿的抗車轍因子提高到較高的水平,而木質(zhì)素纖維和玄武巖纖維的抗車轍因子相比聚酯纖維而言相對較低。

2.2 彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)

瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)是用來測定瀝青膠漿在低溫條件下抗裂性能的一項(xiàng)重要試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)的主要測試指標(biāo)包括彎曲蠕變勁度和蠕變曲線斜率m。彎曲蠕變勁度反映了瀝青膠漿在低溫環(huán)境下的變形能力,其數(shù)值越大表明其低溫性能越差;而m值則反映了瀝青膠漿的應(yīng)力釋放速度和松弛能力,數(shù)值越大表明其應(yīng)力釋放速度越快,松弛能力越強(qiáng)[6]。

進(jìn)行瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)時,需要按照《規(guī)程》T—0627制作標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗(yàn)中,需要將試件置于恒定的低溫環(huán)境下,進(jìn)行多次往復(fù)彎曲加載,以獲得其彎曲蠕變勁度和蠕變曲線斜率m的數(shù)據(jù),得到瀝青膠漿在低溫環(huán)境下的變形能力和斷裂特性信息。

使用三種纖維制作瀝青膠漿(瀝青為SBS改性瀝青),纖維摻量均取4.5%,測試不同纖維瀝青膠漿的低溫性能,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同纖維瀝青膠漿BBR試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出,三種不同類型的纖維瀝青膠漿在低溫條件下的性能表現(xiàn)不同,m值的大小關(guān)系為:木質(zhì)素纖維>聚酯纖維>玄武巖纖維。瀝青膠漿的勁度大小關(guān)系為:木質(zhì)素纖維<聚酯纖維<玄武巖纖維。木質(zhì)素纖維瀝青膠漿的m值最大,勁度最小,低溫性能最好;而玄武巖纖維瀝青膠漿的低溫性能最差?？芍?木質(zhì)素纖維在低溫環(huán)境下具有較強(qiáng)的松弛能力,能夠防止瀝青膠漿在低溫下發(fā)生裂縫。

3 結(jié) 論

a.纖維膠漿DSR試驗(yàn)中,纖維瀝青膠漿抗車轍因子最大的是聚酯纖維單摻,達(dá)到7.569 kPa,是不摻纖維瀝青膠漿的2.7倍,是木質(zhì)素、玄武巖纖維瀝青膠漿的1.79倍、1.75倍,高溫性能最佳。

b.瀝青膠漿BBR試驗(yàn)中,木質(zhì)素纖維瀝青膠漿的m值最大,勁度最小,低溫性能最好;玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能最差。