复合纤维对SMA-13沥青混合料路用性能研究

2021-04-28邱冬华秦仁杰刘学鹏

湖南交通科技 2021年1期

邱冬华，秦仁杰，刘学鹏，2

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114；2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092 )

0 引言

通过在沥青混合料中添加纤维，可以使其获得抗老化性能好、表面浸润性好、弹性模量高、抗疲劳性能良好等诸多优点。纤维是改善道路性能的高性价比材料，且不同种类纤维的物理性质不同，为提升道路性能提供了多种保证。往沥青混合料中掺入单一传统的纤维已无法满足交通量日益增加的路面性能要求。将不同纤维组合形成复合纤维，以弥补单一纤维改善路用性能的局限，已受到研究者广泛关注。本文选用聚酯纤维和木质素纤维同时掺入SMA-13沥青混合料中，对比其沥青混合料的各项性能。

聚酯纤维是一种由100%聚酯合成的新型材料，添加到沥青混合物中可增强沥青抗拉强度，且对沥青和集料性质要求不高，其技术性能优良，结构简单、经济合理，引起了人们广泛关注[1]。木质素纤维是经过加工的有机纤维，拥有诸多优点，不污染环境、不影响人体健康、温度高达250 ℃时内部结构不会变质，并且可以抵抗普通溶剂和酸、碱的腐蚀[2]。

由于单一纤维对沥青路面路用性能的改善存在不足，为充分发挥两种纤维互补优势，将两种纤维掺配而成的复合纤维能更好地提高沥青混合料的路用性能。已有研究成果表明，在SMA-13中掺加0.3%的单一纤维能使其路用性能大幅度提升[3]，因此本文中复合纤维的掺加总量也参照采用混合料质量的0.3%。确定矿料级配后，通过马歇尔试验得出两种纤维比例分别为0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0时所对应的最佳油石比，经车辙试验、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验，分析纤维比例变化对沥青混合料高、低温性能和水稳定性的影响规律。

1 原材料试验

1.1 沥青

采用中海泰州SBS I-D型改性沥青。严格按照相关试验规程测试改性沥青的技术指标，试验结果如表1所示。

1.2 集料

采用材质良好的花岗岩，其性能试验结果如表2、表3所示。

1.3 矿粉

采用磨细的花岗岩石粉，其力学性能试验如表4所示。

表1 SBS I-D型改性沥青性能技术指标对比项目密度(15 ℃)/(g·cm-3)针入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm/min)/cm软化点(R&B)/℃溶解度(三氯乙烯)/%闪点/℃运动粘度(135 ℃)/(Pa·s)弹性恢复(25 ℃)/%RTFOT后残留物质量变化/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(25 ℃)/cm试验结果1.0425527.663.099.92981.4940.078118.3规范要求/40～60≥20.0≥60.0≥99.5≥230≤3.0≥85≤±1.00≥65≥15.0结论合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

表2 粗集料技术性能试验结果对比项目压碎值/%洛杉矶磨耗值/%吸水率/%坚固性/%针片状颗粒含量性/%5～10 mm10～15 mm软石含量/%粗集料与沥青的粘附性/级表观相对密度/(g·cm-3)5～10 mm10～15 mm试验结果16.4218.60.913.810.211.6052.6692.667规范要求≤26.00≤28.0≤2.00≤12.0≤18.0≤12.0≤3≥5≥2.600≥2.600结论合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

表3 细集料技术性能试验结果对比项目表观相对密度/(g·cm-3)坚固性(>0.3 mm部分)/%试验结果2.8164.4规范要求≥2.500≤12.0结论合格合格含泥量/%砂当量/%棱角性(流动时间)/s1.285.238.5≤3.0≥60.0≥30.0合格合格合格

表4 矿粉性能试验结果对比项目表观相对密度/(g·cm-3)含水量/%粒度范围/%<0.6 mm试验结果2.7720.4100规范要求≥2.500≤1.0100结论合格合格合格粒度范围/%<0.15 mm<0.075 mm外观亲水系数塑性指数/%94.189.2无团粒结块0.72290～10075～100无团粒结块<1.00<4合格合格合格合格合格

1.4 纤维

采用由聚酯纤维(Polyester Fibers，以下简称PET)和颗粒状木质素纤维(Cellulose Fibers，以下简称CF)按照一定比例掺配而成的复合纤维，其外观如图1和图2所示。

1.4.1纤维基本性能参数

两种纤维的性能测试结果如表5所示。规范规

图1 聚酯纤维

图2 木质素纤维

定纤维长度需≤6 mm，两种纤维均能满足要求。

1.4.2纤维的微观研究

对PET和CF进行电镜扫描得图3和图4所示图像，采用的放大倍数均为500倍。

由图3可见PET微观表面十分光滑，排列规则有序，此结构对提高沥青粘结力具有很大的提升作用。由图4可见CF微观表面凹凸不平，粗糙且有更加细小的分叉和孔隙，此结构可以增强与沥青的吸附能力，有利于稳定混合料当中的自由沥青。

表5 PET和CF基本技术参数对比项目颜色密度/(g·cm-3)直径/μm长度/mm抗拉强度/MPa熔点/℃断裂伸长率/%吸油率/%PET白色丝状1.44317～254～652027534.2138.8CF灰色颗粒0.98740～462～526022018.6538.4

图3 聚酯纤维电镜图

图4 木质素纤维电镜图

2 配合比设计

2.1 矿料级配设计

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)选用马歇尔设计方法对SMA-13沥青混合料进行配合比设计[4]，SMA-13沥青混合料配合比选用4种矿料(1#、2#、3#、4#)及矿粉进行设计，各级矿料的筛分结果见表6。

根据以上矿料和矿粉筛分结果进行集料合成级配组合设计，按照沥青混合料配合比设计方法，最终得出合成级配m1#∶m2#∶m3#∶m4#∶m矿粉=36∶40∶0∶12∶12，合成级配如图5所示。

2.2 最佳油石比确定

通过马歇尔试验确定SMA-13沥青混合料在不同纤维比例下的最佳油石比,其结果如表7所示。

表6 SMA-13沥青混合料级配矿料筛分结果矿料种类矿料在下列方孔筛(mm)的通过率/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#(10～15 mm)10086.38.40.50.10.10.10.10.10.12#(5～10 mm)100100.085.614.41.00.60.60.60.60.43#(3～5 mm)100100.0100.099.218.85.53.22.01.51.04#(0～3 mm)100100.0100.0100.093.661.839.716.78.23.4矿粉100100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.090.0

图5 SMA-13沥青混合料矿料级配曲线图

表7 不同纤维比例SMA-13沥青混合料最佳油石比mPET∶mCF最佳油石比/%0∶16.011∶35.961∶15.923∶15.871∶05.81

3 路用性能试验研究

3.1 高温稳定性试验研究

车辙试验是目前国内最常用的沥青混合料高温性能试验方法，该试验可以很好地模拟路面在实际投入使用时的荷载情况。本研究以5种复合纤维比例分别掺入沥青混合料，通过车辙试验所得动稳定度指标来评价其高温性能。试验结果如图6所示。

图6 复合纤维比例与动稳定度关系曲线

通过图6可以看出：单一掺加聚酯纤维时的动稳定度(7 468次/mm)比单一掺加木质素纤维的动稳定度(7 275次/mm)高，说明聚酯纤维的加筋增强效果优于木质素纤维，其原因可能与材料本身的抗拉强度有一定关系。随着聚酯纤维与木质素纤维比例从0∶1变化至1∶0,其动稳定度呈现出先增大后减小的趋势，在复合纤维比例为1∶1时达到最大值8 227次/mm。这可能是由于复合纤维比例为1∶1时，纤维互相缠绕形成一种稳定的空间网状结构，最终导致动稳定度峰值的出现。此时SMA-13沥青混合料的高温性能最好，且单一掺加聚酯纤维的沥青胶浆或沥青混合料高温性能优于单一掺加木质素纤维。

3.2 低温抗裂性试验研究

沥青路面低温抗裂性主要指在降温以及温度循环反复作用下，减小道路产生裂缝的能力。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[5]规定，在温度-10 ℃下进行小梁弯曲试验，以评价两种复合纤维对沥青混合料低温开裂性能的影响。对5种不同复合纤维SMA-13沥青混合料小梁弯曲试件进行试验，试验结果如表8所示。

表8 不同复合纤维SMA-13沥青混合料低温小梁弯曲试验结果mPET∶mCF抗弯拉强度/MPa破坏荷载/kN最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa0∶18.921.023 1682 8161∶39.151.053 2923 0181∶19.331.113 4683 1893∶19.171.083 3892 9781∶09.041.043 2632 822

根据表8可知：单一掺加聚酯纤维时的抗弯拉强度和弯曲劲度模量均大于单一掺加木质素纤维，说明聚酯纤维的加筋增强效果优于木质素纤维。产生这一现象的原因可能与材料本身的抗拉强度有一定关系，也可能是由于木质素纤维在拌和过程中的分散效果不如聚酯纤维而导致。复合纤维比例为1∶1时,弯拉应变上升至最大值3 468 με，原因在于复合纤维比例为1∶1时两种纤维互相缠绕形成的空间网状结构具有一定的伸缩性，可使沥青混合料的抵抗低温变形的能力增加。由此可见，复合纤维可改善沥青混合料低温抗裂性。

3.3 水稳定性试验研究

水损害是沥青路面在使用过程中最常出现的破坏形式之一，尤其是在沥青路面投入使用之初的破损和病害大多与水有直接关系。沥青路面在经过长期重复的汽车荷载、雨水的冲刷、冻融循环作用后，水分逐渐向下深入到沥青与集料的粘结界面上并引起冲刷和侵蚀。最终导致沥青与集料之间粘结力丧失，沥青膜从集料表面剥落，沥青路面出现麻面、松散，将大大影响路面的使用寿命和行驶质量。以5种复合纤维比例分别掺入沥青混合料，通过浸水马歇尔试验来评价其水稳定性。试件的浸水残留稳定度按下式计算[7]：

式中：MS0为试件的浸水残留稳定度，%；MS1为试件浸水48 h后的稳定度，kN；MS为试件的稳定度，kN。

浸水马歇尔试验的试验结果如图7所示：

图7 复合纤维比例与残留稳定度关系曲线

由图7可知，聚酯纤维与木质素纤维的比例从0∶1变化至1∶0，沥青混合料残留稳定度呈现出先增大后减小趋势。在复合纤维比例为1∶1时残留稳定度达到最大值90.7%，可见此时复合纤维对沥青混合料的水稳定性改善效果最佳。产生这一现象的原因在于木质素纤维的吸油率大于聚酯纤维，相同油石比情况下，随着木质素纤维在复合纤维中的比例降低，自由沥青相对增多，集料周围的沥青膜变厚，沥青混合料的水稳定性得到改善，并在比例为1∶1时达到最佳的改善效果。但超过1∶1这一比例后，自由沥青量超过了纤维吸持极限，混合料长期浸水情况下的稳定度降低，逐渐导致后续的沥青混合料水稳定性变差。从数据来看，单一掺加聚酯纤维时的残留稳定度大于单一掺加木质素纤维的动稳定度，说明聚酯纤维的水稳定性改善效果优于木质素纤维。