短切碳纤维/PE复合改性沥青混合料的路用性能

多吉罗布

(西藏天路股份有限公司,西藏拉萨 850000)

短切碳纤维/PE复合改性沥青混合料的路用性能

多吉罗布

(西藏天路股份有限公司,西藏拉萨 850000)

为研究短切碳纤维/PE复合改性沥青混合料的路用性能,采用低密度废旧聚乙烯、高密度废旧聚乙烯和短切碳纤维复合改性沥青混合料,评价单一改性和复合改性对混合料路用性能指标的影响。结果表明:复合改性沥青混合料的高、低温性能和水稳定性能均有较大改善;短切碳纤维和高密度废旧聚乙烯复合改性对沥青混合料高、低温性能的改善效果最好,短切碳纤维和低密度废旧聚乙烯复合改性沥青混合料的水稳定性能最优;同时,采用复合改性沥青混合料可延长路面使用寿命,节约经济成本。

沥青混合料;路用性能;废弃PE;短切碳纤维

0 引 言

中国青藏高原地区日均温差在20℃左右,紫外线光照强烈,沥青路面在使用过程中长期经受高原高海拔地区复杂气候条件作用,极易产生各种路面病害,其中路面裂缝与车辙尤为严重[1]。针对此类病害,国内外采用的最普遍手段是在沥青中掺加聚合物改性剂,而废弃PE(聚乙烯)和短切碳纤维作为新型改性剂具有较好的使用效果[2]。废弃PE能改善混合料的高温性能,掺加碳纤维可制成导电混凝土,用于融化路面积雪,减少路面行车安全,并大大降低混合料的低温开裂[3-4]。

废弃PE在沥青混合料中的应用不仅缓解了“白色污染”带来的危害,还能在一定程度上提高沥青混合料的路用性能[5]。牛冬瑜等[6-7]分别将废旧PE与橡胶改性沥青和SBS改性沥青进行复合改性,得出这两类复合改性沥青混合料均具有较好的路用性能和性能效益。PUNITH V S等[8]研究发现聚乙烯材料在降低混合料车辙和温度敏感性方面具有特殊的效果,适用于高温和温差较大的地区。张茂荣等[9]通过热熔共混、絮凝处理、熔融共挤3种内掺方法得到短切碳纤维和废旧PE复合改性沥青,并对3种沥青的性能进行对比,发现熔融共挤法得到的沥青综合性能更好。KHATTAK M J等[10]在混合料中掺加纳米碳纤维之后发现,混合料整体性能大大提高,尤其是低温性能和抗疲劳性能。唐祖全等[11]将短切碳纤维加入到混凝土中得到导电混凝土,验证了以其作为路面材料融雪除冰的可行性。沈刚等[12]通过试验得出:导电自融雪混凝土路面中短切碳纤维的最佳掺量为1%,此时热转化率为95%,可以满足路面融雪需要。徐凌等[13]通过沥青剪切试验、拉拔试验对掺加短切碳纤维的桥面铺装混合料进行研究,发现其完全能满足桥面铺装对隔水和黏结性能的要求。刘俊等[14]通过对比试验得出:使用小橡胶颗粒且含量控制在30%以内,并添加2%的碳纤维形成的高弹性改性沥青混凝土,其挠曲变形性能及弯拉和回弹应力效果明显提高,自主破碎冰层的效果更加理想。

综上所述,国内外学者虽对废弃PE沥青混合料以及掺加短切碳纤维的导电混凝土路面做了详细研究,但是对于碳纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的路用性能还有待研究。因此,本文选取低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和碳纤维制备了6种复合改性沥青混合料,通过高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、马歇尔试验和冻融劈裂试验对复合改性沥青混合料的性能进行研究,并采用力学-经验法对复合改性沥青和基质沥青的经济性能进行评价,为在高寒、高海拔的地区推广该类型复合改性沥青混合料提供技术支持。

1 短切碳纤维/废弃PE沥青结合料与混合料级配

1.1 短切碳纤维/废弃PE沥青结合料

本文以塔河90#基质沥青为基础,选取低密度废旧聚乙烯(LDPE)、高密度废旧聚乙烯(HDPE)和短切碳纤维作为改性剂,采用熔融共挤法制备6种不同类型的改性沥青,其技术指标见表1。

1.2 混合料级配

本文选取AC-13混合料对短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的路用性能进行研究,其中集料均为质地坚硬、棱角性好且表面粗糙的片麻岩,混合料级配见表2。除基质沥青外的改性沥青的最佳用量分别为5.2%、5.2%、5.3%、5.4%、5.3%。

表1 6种改性沥青的技术指标

表2 AC-13混合料级配%

2 短切碳纤维/废弃PE复合改性沥青的路用性能

2.1 高温性能

分别采用6种沥青拌制AC沥青混合料,并进行高温车辙试验,试验结果见表3。

由表3可知,L-改性、H-改性、T-改性、复合改性A和复合改性B的动稳定度分别是基质沥青的3.8、4.1、2.26、6.3、6.4倍,且5种改性沥青混合料动稳定度由大到小依次为:复合改性B、复合改性A、H-改性、L-改性、T-改性。2种复合改性沥青混合料的高温性能较3种单一改性沥青混合料大大提升,其中复合改性沥青B混合料的抗变形能力和动稳定度均为最好;说明采用短切炭纤维和废弃PE能使沥青混合料具有更好的高温性能,所以在气温较高的地区采用短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料是可行的。

表3 6种AC-13混合料的车辙试验结果

2.2 低温性能

采用-10℃的小梁弯曲试验对6种类型沥青混合料的低温性能进行评价,试验结果见表4。

表4 6种AC-13混合料小梁弯曲试验结果

由表4可以看出,H-改性、L-改性、T-改性、复合改性A和复合改性B的混合料低温劲度模量依次降低,而抗弯拉强度和破坏应变基本呈现出依次增长的规律。这说明使用外掺剂后,沥青混合料的低温性能有了一定程度的改善,尤其是短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的改善效果最明显。

2.3 水稳定性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求制备标准马歇尔试样,并进行马歇尔试验和冻融劈裂试验,试验结果见表5。

表5 水稳定性能试验结果

由表5可以看出,L-改性、H-改性、T-改性、复合改性A和复合改性B混合料较基质沥青混合料的残留稳定度分别提升8.1%、8.7%、12.6%、11.6%和11.5%,冻融劈裂强度比分别提升3.1%、2.2%、5.1%、7.4%和7.2%。以上数据可以说明炭纤维和废弃PE无论单独改性还是复合改性的沥青混合料均会提高其水稳定性,而其中复合改性A混合料效果最好,然后依次是复合改性B、T-改性、H-改性和L-改性。

3 LDPE/SBS复合改性沥青混合料性能效益分析

在进行路面结构设计时,通常采用力学-经验法对不同沥青混合料的受载情况进行模拟,以便获得使用性能和经济效益最佳的路面结构组合。本文采用该方法对短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的综合性能进行评价。选择基质沥青混合料和综合路用性能最优的复合改性B混合料作为研究对象,并采用3种不同的AC-13路面结构进行设计,对比其经济效益,以便得到最经济的结构组合。结构设计方案见表6。

为计算沥青面层层底水平拉应力和基层顶面的垂直压应变,本文选用有限元软件BISRA对表6中的各项数据进行模拟计算。其中双轮荷载取标准荷载0.7 MPa,当量圆半径取单圆半径106.5 mm。计算得到层厚减薄指标(Layer Thickness Reduction,记作LTR,用ILTR表示)与交通效益比(Traffic Benefit Ratio,记作TBR,用RTB表示)。以LTR作为改性沥青AC上面层层厚与基层减少值的评价标准。

表6 3种不同路面结构方案

式中:DU和DM分别为未改性沥青路面和改性沥青路面中AC面层的厚度。

以TBR作为改性沥青较基质沥青延长路面使用寿命的评价依据。

式中:NM和εM分别为改性沥青路面的永久变形标准轴载累积量和路基层面的垂直压应变;NU和εU分别为未改性沥青路面的永久形标准轴载累积量和路基层项的垂直压应变;B为4.533 7。

采用单轴压缩试验测定模型中所需的基质沥青与复合改性B沥青混合料的弹性模量。为使试验数据更准确,每种混合料测试3次,取其平均值,并推荐最佳值作为计算值。试验结果见表7。

表7 沥青混合料弹性模量MPa

以表7的结果为依据,计算获得3种不同沥青路面结构组合的沥青面层层底水平拉应变(Et)和基层顶面的垂直压应变(Ec),结果见表8。

表8 性能效益对比

由表8可知,在方案1中,LTR与AC层厚度相同的情况下,复合改性沥青混合料较基质沥青混合料的拉应变大而压应变小,说明复合改性沥青混合料更加密实,具有更大的变形空间。当基质沥青混合料层厚为50 mm,复合改性沥青混合料层厚为30 mm时,两者的面层层底拉应变和压应变分别为16.78、62.36、15.52、58.08μm,拉应变和压应变数值相当,说明在采用复合改性沥青混合料后,面层的层厚能减少40%,节约成本。在方案2中,当复合改性沥青混合料的基层厚度分别为200、150、100、50 mm时,其TBR分别为2.267、2.303、2.367、2.465。所以复合改性沥青混合料路面的使用寿命较基质沥青路面使用寿命增长2.267、2.303、2.367、2.465倍,说明复合改性沥青混合料路面全寿命周期成本降低,经济效益明显。方案3中,复合改性沥青混合料路面基层厚度减少5%后的垂直压应变与基质沥青基层厚度为200 mm时的垂直压应变相当,说明在保证压应变一致的情况下,采用复合改性的沥青能使基层厚度减少5%。

综上可知:采用复合改性沥青混合料后,能使AC面层厚度减少40%或基层厚度减少5%,而不影响路面的使用寿命;在不改变路面厚度的情况下,复合改性沥青混合料能使路面使用寿命延长,从而节约经济成本。

4 结 语

(1)短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的高温性能和低温性能较基质沥青有大幅度的提升。短切碳纤维和废弃HDPE复合改性沥青混合料的高温性能和低温性能均为最佳,适合用在日温差和年温差较大的高原地区。

(2)短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料的水稳定性较单一改性沥青和基质沥青有明显改善,且短切碳纤维和废弃LDPE复合改性沥青混合料效果最好。

(3)短切炭纤维和废弃PE复合改性沥青混合料具有良好的力学性能,在改善路面结构的同时,还可以延长路面使用寿命,节约经济成本。

[1] 泽仁扎西.发展中的西藏公路养护管理[J].西藏发展论坛, 2006(4):38-40.

[2] 《中国公路学报》编辑部.中国道路工程学术研究综述·2013 [J].中国公路学报,2013,26(3):1-36.

[3] MOGHADDAM T B,SOLTANI M,KARIM M R.Stiffness Modulus of Polyethylene Terephthalate Modified Asphalt Mixture:A Statistical Analysis of the Laboratory Testing Results[J].Materials&Design,2015,68(1):88-96.

[4] 查旭东,蔡 良,曹艳霞.碳纤维导电SBS改性沥青混合料性能试验[J].长沙理工大学学报:自然科学版,2014,11(1):10-15.

[5] 杨 钟,许永明.聚乙烯复合改性沥青混合料的路用性能室内研究[J].长安大学学报:自然科学版,2000,20(1):23-26.

[6] 牛冬瑜,韩 森,徐鸥明,等.聚乙烯类添加剂对橡胶沥青混合料路用性能的影响[J].江苏大学学报:自然科学版,2016,37 (4):479-484.

[7] 牛冬瑜,韩 森,徐鸥明,等.废旧LDPE/SBS复合改性沥青SMA混合料的路用性能研究[J].武汉理工大学学报,2014, 36(2):49-53.

[8] PUNITH V S,VEERARAGAVAN A.Behavior of Asphalt Concrete Mixtures with Reclaimed Polyethylene as Additive [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2007,19(6): 500-507.

[9] 张茂荣,方长青,周世生,等.炭纤维和废弃聚乙烯在沥青中的分散行为及其性能(英文)[J].新型炭材料,2016,31(4):424-430.

[10] KHATTAK M J,KHATTAB A,RIZVI H R.Characterization of Carbon Nano-fiber Modified Hot Mix Asphalt Mixtures[J].Construction&Building Materials,2013,40(3): 738–745.

[11] 唐祖全,李卓球,钱觉时.碳纤维导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究[J].建筑材料学报,2004,7(2):215-220.

[12] 沈 刚,董发勤.碳纤维导电混凝土的性能研究[J].公路, 2004(12):178-182.

[13] 徐 凌,田 帅,张 彤,等.加铺碳纤维桥面板与桥面铺装结构层间粘结性能研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(6): 70-74.

[14] 刘 俊,匡希龙,肖林哲,等.橡胶-碳纤维高弹改性沥青混凝土自破冰试验特性研究[J].湖南交通科技,2015,41(3):12-14.

[责任编辑:王玉玲]

Pavement Performance of Asphalt Mixture Modified by Composite of Chopped Carbon Fiber and PE

Dorjee Norbu
(Tibet Tianlu Co.,Ltd.,Lhasa 850000,Tibet,China)

In order to study the road performance of asphalt mixture modified by the composite of chopped carbon fiber and PE,low density waste polyethylene,high density waste polyethylene and chopped carbon fiber were used to evaluate the effects of single modification and compound modification on the indicators of pavement performance.The results show that the high and low temperature performance and water stability of composite modified asphalt mixture are significantly improved;the composite modification of chopped carbon fiber and high density waste polyethylene makes biggest improvement to the high and low temperature performance of asphalt mixture,while asphalt mixture modified by the composite of chopped carbon fiber and low density waste polyethylene has the best water stability;the use of composite modified asphalt mixture can extend the service life of the road and save the cost.

asphalt mixture;pavement performance;waste polyethylene;chopped carbon fiber

U416.217

B

1000-033X(2017)07-0054-05

2016-12-16

多吉罗布(1973-),男,西藏拉萨人,高级工程师,硕士,研究方向为道路、桥梁工程。