玻璃纤维改性相变沥青混合料路用性能

2021-10-14王伟赫朱玉风郭庆林

科学技术与工程 2021年27期

高颖，王伟赫，朱玉风，郭庆林，陈萌

(河北工程大学土木工程学院，邯郸 056107)

沥青路面受环境温度影响较大，荷载作用下，高温易产生车辙，低温容易开裂，严重影响道路使用寿命。玻璃纤维对聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)是一种利用自身相态的转变，向外界环境吸收或释放热量以达到调温和储能效果的相变材料[1]。由于其无毒、无污染，具有较高的相变焓和适宜的相变温度，与沥青具有良好的化学兼容性被广泛应用于沥青路面中[2]。王福云[3]认为复合相变材料可增强沥青混合料的高温性能，但掺量过多则会使得低温性能受到影响；林鹏飞等[4]综述了目前相变材料在沥青路面中的应用进展，提出PEG虽更适用于调温路面，但应注意其掺量对沥青性能的影响；曹长斌等[5]研究PEG对沥青及其混料的储热以及调温性能，结果表明PEG在相态转化时会导致沥青变软，进而使PEG沥青混合料的高温稳定性降低；甘立新等[6]研究聚乙二醇改性沥青性能，结果表明随着聚乙二醇掺量的增加，沥青的性能有所下降甚至不满足规范要求。

纤维在沥青混合料中具有增韧功能，很多研究表明使用纤维等添加剂对沥青混合料进行改性，可有效提高路面的质量并延长其使用寿命[7-8]。周强[9]通过灰色关联分析得知玻璃纤维的长度和级配类型是影响沥青混合料路用性能的主要因素；郭庆林等[10]研究不同纤维对密实性沥青混凝土性能的改性效果，结果表明玻璃纤维改性沥青混凝土具有更好的抗开裂性能；蔡俊华[11]研究玻璃纤维对AC-10L、SMA-10和SAC-10超薄沥青混合料路用性能的影响，结果表明适量的玻璃纤维可提升三种沥青混合料的路用性能；Morea等[12]研究玻璃纤维对沥青混合料路用性能的改善效果，研究表明玻璃纤维的加入使沥青混合料的低温、中温抗裂性提高，抗车辙能力增强；高颖等[13]研究玻璃纤维对高粘排水沥青混合料路用性能的改善效果，当玻璃掺量为0.2%、0.4%时可以显著提高其路用性能； Luo等[14]研究玻璃纤维掺量对沥青混合料路用性能的影响，结果表明纤维在较高含量下可以增强沥青混合料的抗开裂能力，并确定增强其路用性能所需玻璃纤维的掺量为0.3%。

为改善直掺PEG材料对沥青混合料带来的不利影响，采用玻璃纤维对PEG改性沥青混合料和基质沥青混合料进行改性处理，通过车辙试验、半圆弯拉试验及冻融劈裂试验分析玻璃纤维对PEG沥青混合料的改性效果，确定玻璃纤维掺量对两种沥青混合料路用性能的影响规律，并研究玻璃纤维的加入对相变材料的调温效果有无影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

1.1.1 聚乙二醇

选择PEG4000作为相变沥青的原材料，其相变温度为45～65 ℃，常温下为蜡状固体，各项物理参数如表1所示。

表1 PEG4000各项物理参数

1.1.2 沥青

选用东明产70#石油沥青作为基质沥青，并利用PEG4000相变材料对基质沥青进行改性处理，具体制备步骤如下。

(1)将沥青放在135 ℃烘箱中0.5 h，使其达到流动状态。

(2)倒入提前预热好的高速剪切仪中以1 500 r/min的速度搅拌15 min，剪切温度为160～165 ℃。

(3)将干燥的PEG4000按比例缓慢加入沥青中，同时以3 000 r/min的速度剪切20 min。

(4)剪切完成后，再以1 500 r/min进行搅拌，时间为15 min，得到PEG4000相变改性沥青。基质沥青和PEG改性沥青的主要技术指标如表2所示。

表2 70#石油沥青和PEG改性沥青主要技术指标

1.1.3 玻璃纤维

选用12 mm的玻璃纤维，其各项物理特性指标见表3。

表3 玻璃纤维的物理特性

1.2 混合料配合比设计

(1)集料配合比设计：采用AC-13连续型密级配，其级配设计如表4所示。

表4 AC-13级配设计表

(2)最佳油石比：采用马歇尔试验方法确定PEG沥青的最佳用量，按照规范规定以及积累的实际经验，初步估计油石比，取0.3%油石比为间隔，制备5个不同油石比的马歇尔试件。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中所要求的计算方法，最终确定出最佳沥青用量为4.6%。

1.3 试验方法

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关规定对玻璃纤维掺量为0、0.2%、0.4%、0.6%的PEG沥青混合料的路用性能进行测试。采用车辙试验的动稳定度评价改性沥青

混合料的高温稳定性；采用半圆弯拉试验的层底抗拉强度、层底抗拉应变和临界断裂能评价改性沥青混合料的低温抗裂性能；采用冻融劈裂强度试验的劈裂抗拉强度、冻融劈裂强度比评价改性沥青混合料的水稳定性。最后将PEG沥青混合料制备成车辙板放置于室外环境中，通过检测玻璃纤维相变沥青混合料的温度变化，来研究玻璃纤维对PEG相变沥青混合料的调温效果。

2 结果与分析

2.1 高温性能

对不同纤维掺量下的PEG沥青混合料和基质沥青混合料进行车辙试验，测得动稳定度，结果如图1所示。

图1 不同玻璃纤维掺量动稳定度变化Fig.1 Variation of dynamic stability under different glass fiber content

由图1可知，PEG沥青和基质沥青混合料的高温稳定性能均受玻璃纤维影响，且二者动稳定度变化趋势表现为先升后降。当玻璃纤维掺量为0.2%时，二者动稳定度达到最大值，较未掺时分别提高了28%和51%，表明玻璃纤维对沥青胶浆具有吸附作用，导致沥青胶浆变稠，流动性降低，二者高温稳定性均得到增强。但随着玻璃纤维掺量的增加，动稳定度开始降低，原因在于较高玻璃纤维掺量会导致其在沥青混合料中容易出现结团现象，而未被均匀分散，当混合料受到荷载作用时，出现应力集中，从而降低沥青混合料的高温性能。图中PEG相变沥青混合料动稳定度低于基质沥青混合料，且未添加玻璃纤维时PEG沥青混合料的动稳定度较基质沥青混合料降低了23%，表明PEG材料受温度影响较大，试件在车轮碾压前，60 ℃保温环境中，PEG已然完成了由固态转变为液态，而液态下的PEG材料会导致沥青黏度降低，流动性有所提高，最终引起混合料变形增加，动稳定降低，高温稳定性不及普通基质沥青混合料。

2.2 低温性能

对不同玻璃纤维掺量的PEG沥青混合料和基质沥青混合料进行半圆弯拉试验，测得层底抗拉强度、层底抗拉应变、临界断裂能、断裂韧度分别如图2～图5所示。

由图2可知，PEG沥青混合料的层底抗拉强度在玻璃纤维掺量为0.2%时达到峰值,表明玻璃纤维具有增韧效果，在低温条件下可有效提高沥青混合料承受荷载作用的能力，但提升幅度较小。

图2 不同玻璃纤维掺量下的层底抗拉强度Fig.2 Tensile strength at the bottom of the layer with different glass fiber content

当玻璃纤维掺量高于0.2%时，两种沥青混合料的层底抗拉强度值呈降低趋势，并且当玻璃纤维掺量为0.6%时，PEG改性沥青混合料的层底抗拉强度下降明显，这是由于随着纤维掺量的增加，沥青混合料中的纤维分布不均匀，导致出现纤维成团现象，增韧加筋功能受到削弱；当玻璃纤维掺量小于0.6%时，相同玻璃纤维掺量下的PEG沥青混合料的层底抗拉强度低于基质沥青混合料，这说明PEG在低温状态下对混合料承受荷载的能力影响较小，由于低温条件下PEG呈固态存在于沥青中，因其密度与沥青相似，与沥青混合均匀后对沥青各方面性能影响不大，可见低温状态玻璃纤维对PEG混合料的层底抗拉强度改善效果并不明显。

由图3可知，PEG沥青和基质沥青混合料的层底抗拉应变呈先增大后减小的趋势，当玻璃纤维掺量为0.2%，两种沥青混合料的层底抗拉应变都达到最大值，较未掺时分别提高了24%、19%，说明掺量为0.2%的玻璃纤维可明显提高两种沥青混合料抗变形能力，适量的玻璃纤维均匀分布于沥青混合料中可起到传递荷载和抵抗开裂的能力，但随着掺量的增加，当沥青混合料内部纤维分布较为集中时，可有效起到提高韧性作用的纤维减少，因此造成0.4%、0.6%掺量下的沥青混合料层抵抗变形能力降低。

图3 不同玻璃纤维掺量下的层底抗拉应变Fig.3 Layer-bottom tensile strain at different glass fiber content

由图4可知，相同玻璃纤维掺量下两种沥青混合料的临界断裂能呈现出明显的差异。在未掺纤维时，PEG沥青混合料的临界断裂能较基质的低33%左右；随着掺量的增加，两种混合料也表现出不同的规律，其中纤维掺量在0.2%时，两种沥青混合料的临界断裂能均达到最大值并且基质沥青混合料比PEG沥青混合料高出34.4%，这是由于PEG材料具有温度敏感性，当处于低温环境时，PEG为脆性材料，容易发生断裂破坏，可见PEG沥青混合料试件断裂所需要的能量较基质沥青混合料的低。由图中还可看出玻璃纤维的加入对PEG沥青混合料的临界断裂能影响较小，其主要影响因素来自PEG材料本身。

图4 不同玻璃纤维掺量下的临界断裂能Fig.4 Critical breaking energy of different glass fiber content

由图5可知，随着玻璃纤维掺量的增加，PEG沥青混合料断裂韧度上升幅度较小，当掺量为0.2%时，断裂韧度达到最大值并且较未掺时增加了2.4%，说明玻璃纤维的加入对增强PEG改性沥青混合料抗开裂性能效果并不明显。当玻璃纤维掺量为0.6%时，PEG改性沥青混合料的断裂韧度急剧下降，表明过高掺量的玻璃纤维会影响沥青均匀地分布在集料与集料和纤维与集料之间，进而导致混合料抗开裂能力降低。相同玻璃纤维掺量下，PEG沥青混合料断裂韧度明显低于基质沥青混合料，说明除玻璃纤维的影响外，PEG材料对混合料的断裂韧度有一定的影响，使得混合料抵抗裂缝开展的能力变弱，这是由于PEG材料的特殊性质，在低温时呈固态并且质地较脆，与沥青黏结性较差，将其掺入沥青混合料中容易导致其发生脆裂破坏。

图5 不同玻璃纤维掺量下的断裂韧度Fig.5 Fracture toughness of different glass fiber content

2.3 水稳定性

对不同纤维掺量下的PEG沥青混合料和基质沥青混合料进行冻融劈裂试验，测得的劈裂抗拉强度RT1、冻融劈裂抗拉强度RT2比。

2.3.1 劈裂抗拉强度

不同玻璃纤维掺量的PEG沥青混合料和基质沥青混合料冻融前的劈裂抗拉强度(RT1)与冻融后的劈裂抗拉强度(RT2)如图6所示。

由图6(a)可知，冻融前未掺玻璃纤维的相变沥青混合料和基质沥青混合料劈裂抗拉强度差距不大，但玻璃纤维的加入使得两种沥青混合料的劈裂强度值发生不同程度的变化。掺量为0.2%、0.4%时，PEG沥青混合料的劈裂强度值大于未加的，但差距较小；掺量增加到0.6%时，PEG沥青混合料劈裂强度值略低于未加的；当掺量为0.2%时，两种沥青混合料的劈裂强度值达到最大值，基质沥青混合料与PEG改性沥青混合料相比提高了7.4%，并且较未掺加纤维的两种沥青混合料分别提高了8%、12%，说明对未冻融的PEG沥青混合料，由于玻璃纤维自身材料较硬，且在沥青混合料中呈三维网状结构，有效提高其抗拉强度。

由图6(b)可知，冻融后未掺玻璃纤维的PEG沥青混合料和基质沥青混合料的劈裂强度差距较大；经玻璃纤维增强后的PEG沥青混合料的RT2最大值仍低于基质沥青混合料，说明冻融循环过程对PEG沥青混合料性能影响较大，这是因为冻融循环过程中PEG材料在不同温度区间内表现为不同的形态。当温度处于-20 ℃时，呈固态且质脆；当温度处于60 ℃时，呈流动的液态，经过高低温的循环作用，相变材料发生相态转变，影响沥青黏结性，降低合料强度。由此可见，PEG材料虽对劈裂强度存在不利影响，但玻璃纤维掺入后可使此问题得到改善。

图6 不同玻璃纤维掺量下的劈裂强度Fig.6 Splitting strength of different glass fiber content

2.3.2 冻融劈裂强度比

不同玻璃纤维掺量的PEG沥青混合料和基质沥青混合料冻融前后的冻融劈裂强度比(TSR)如图7所示。

由图7可知，PEG沥青混合料的TSR值低于基质沥青混合料，这表明PEG材料对沥青混合料的水稳定性有一定的影响。玻璃纤维掺入以后PEG沥青混合料的TSR值有所提高，并且当掺量为0.2%时达到最大值，但仍未高于掺玻璃纤维的基质沥青混合料，表明玻璃纤维的掺入可以起到增强PEG沥青混合料水稳定性的作用，但是效果略逊于改善后的基质沥青混合料。随着玻璃纤维掺量的增加，相变材料改性沥青混合料的TSR值呈由高到低的趋势，这是由于一方面玻璃纤维掺量过高会吸附大量的沥青，使得混合料中起有效粘接作用的沥青含量逐渐减少，黏结性下降，从而导致混合料的抗开裂能力降低；另一方面过量的玻璃纤维分布不均匀，冻融循环过程中若有水进入，在外部荷载的作用下形成动水压力使得混合料的强度降低且TSR值下降。

图7 不同玻璃纤维掺量下的TSR值Fig.7 TSR of different glass fiber content

2.4 调温性能

PEG调节温度的能力由材料本身性质所决定，并且利用材料在发生相态转化时所吸放的热能来调节与外界温度的转化。本次试验将PEG沥青混合料、掺玻璃纤维的PEG改性沥青混合料和基质沥青混合料置于阳光下6 h左右(11:00—17:00)，每15 s记录一次数据，观察温度的变化趋势，对比分析玻璃纤维的掺入是否会对混合料中PEG的降温功能有所影响，结果如图8所示。

图8 温度随时间变化曲线Fig.8 Temperature curve with time

由图8可知，在温度检测前期，未掺加玻璃纤维的PEG沥青混合料的温度比掺加时高。当温度上升到45 ℃左右时，基质沥青混合料的温度急剧上升，在下午14:00—14:40之间，沥青混合料的温度达到峰值，PEG沥青混合料温度在53 ℃左右，基质沥青混合料温度约为55 ℃，说明PEG在沥青混合料中可起到降温的作用，具有降温功能。随着温度的升高，由于PEG材料对温度敏感，即将开始相态转化，不断吸收对外界环境的热量，从而降低了混合料温度升高的速率。当外界环境温度进一步升高时，PEG材料逐渐达到相态转化的相变温度，开始向外界吸收大量的热量，相比较基质沥青，PEG沥青混合料的温度降低较多。掺玻璃纤维的PEG沥青混合料的温度与未掺纤维的差距较小，说明玻璃纤维的加入对PEG沥青混合料的降温效果影响较小。