高模高强PAN纤维沥青混合料路用性能研究*
2022-08-09高云龙李明赵普
高云龙,李明,赵普
(1.深圳海川新材料科技股份有限公司,广东 深圳 518040;2.深圳市海川实业股份有限公司,广东 深圳 518040)
纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料,在道路工程中得到广泛应用。由于纤维在沥青混合料中能起到搭接和拉筋作用,在沥青混合料中掺入纤维可有效提高其抗裂性能与高温稳定性,并改善其力学性能,延缓路面病害的发生。纤维在沥青混合料中分布越均匀,作用效果越显著。但如果纤维拌合不均匀,分散不好,会在沥青混合料内部结团成束,不但不能改善沥青混合料的路用性能,反而会降低其强度。高模高强PAN纤维是一种有机合成纤维,具有强度高、吸附性强、化学稳定性好等特点,可增强路面韧性,减少车辙、低温开裂等病害的发生。为促进高模高强PAN纤维在道路工程中的推广应用,该文研究高模高强PAN纤维在沥青混合料中的分散情况,分析其对沥青混合料高温稳定性、水稳定性、抗疲劳性能和低温抗裂性能的影响。
1 原材料
高模高强PAN纤维的性能指标见表1。使用重交70#石油沥青,加纤维沥青与未加纤维沥青的性能指标见表2。集料选用石灰岩,其各项性能指标均满足规范要求。
表1 高模高强PAN纤维的技术指标
表2 加纤维与未加纤维沥青的技术指标
2 高模高强PAN纤维在沥青混合料中的分散试验研究
选用AC-13与SMA-13级配,AC-13的材料比例为10~15 mm粗集料∶5~10 mm粗集料∶3~6 mm粗集料∶0~3 mm细集料∶矿粉=24∶25∶15∶32∶4,SMA-13的材料比例为10~15 mm粗集料∶5~10 mm粗集料∶3~6 mm粗集料∶0~3 mm细集料∶矿粉=60∶11∶2∶11∶10。选取长度为6 mm和12 mm的高模高强PAN纤维,纤维掺量为混合料质量的0.2%。将集料加热并在搅拌锅中初步混合后,添加PAN纤维搅拌180 s;再加入热沥青搅拌90 s,最后添加矿粉搅拌90 s,拌合后成型马歇尔试件。
观察集料加高模高强PAN纤维干拌180 s后的分散照片(见图1、图2),比对分析纤维在沥青混合料中的分散情况,进而判断不同长度纤维的分散效果。
图1 AC-13沥青混合料中高模高强PAN纤维的分散情况
图2 SMA-13沥青混合料中高模高强PAN纤维的分散情况
由图1、图2可知:无论是在AC-13中,还是在SMA-13中,长6 mm的高模高强PAN纤维在混合料中分散更均匀,表明高模高强PAN纤维的长度影响其在混合料中的分散,为保证拌合均匀性,高模高强PAN纤维的长度不宜过大;12 mm长高模高强PAN纤维粘连在搅拌叶上的质量明显高于6 mm长高模高强PAN纤维,进一步说明高模高强PAN纤维长度过大不利于其在沥青混合料中分散均匀。
3 高模高强PAN纤维对沥青混合料路用性能的影响
3.1 高温稳定性
通过车辙试验、多轮车辙试验、三轴剪切试验研究高模高强PAN纤维对沥青混合料高温稳定性的影响。车辙仪轮胎接触压力为0.7 MPa,以试验车辙深度达到6.4 mm时轮载作用次数为评价指标。三轴剪切试验通过测试混合料的抗剪强度来表征其抗变形能力,试验模型见图3。抗剪强度τ计算公式如下:
图3 三轴试验模型
τ=c+σtanφ
(1)
式中:c为黏聚力;σ为正应力;φ为内摩擦角。
以AC-13为研究对象,沥青采用AH-70,集料选用表面光滑的砾石,添加0.2%混合料质量的高模高强PAN纤维,PAN纤维沥青混合料与无纤维沥青混合料的最佳沥青用量分别为4.7%、4.2%。试验结果见表3~5。
由表3~5可知:1) 加高模高强PAN纤维沥青混合料与未加纤维沥青混合料的体积参数基本相同。2) 与未加纤维沥青混合料相比,加高模高强PAN纤维沥青混合料的动稳定度提高约49%;抵抗车辙能力也明显提高,车辙深度累积至6.4 mm时的轮载作用次数约为未加纤维混合料的2.22倍;黏聚力提高36%,内摩擦角也略有增加,其在高温下的力学性能明显好于未加纤维混合料,高温条件下加高模高强PAN纤维沥青混合料不易产生由抗剪强度不足或塑性变形过剩造成的推移现象。
表3 不同沥青混合料车辙试验结果
表4 不同沥青混合料多轮车辙试验结果
表5 不同沥青混合料三轴剪切试验结果
3.2 水稳定性
以SMA-13为研究对象,纤维添加量为混合料质量的0.2%,加纤维与未加纤维混合料的最佳沥青用量分别为5.7%、5.1%。以马歇尔浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比评价沥青混合料的水稳定性,试验结果见表6。
表6 不同沥青混合料水稳定性试验结果
由表6可知:添加高模高强PAN纤维可提高沥青混合料的水稳定性,与未加纤维沥青混合料相比,PAN纤维沥青混合料的浸水残留稳定度与冻融劈裂抗拉强度比分别提高8%、11%。
3.3 抗疲劳性能
以SMA-13为研究对象,利用自动沥青路面分析仪(AAPA)进行试验,通过AAPA模拟车轮往返运动,以试件底面出现疲劳裂缝视为试件破坏,此时对应的作用次数越多抗疲劳性能越好,反之越差。将成型的车辙板切割成尺寸为30 cm×12.5 cm×7.5 cm的试件进行试验,试验结果见表7。
表7 不同沥青混合料疲劳试验结果
由表7可知:沥青混合料疲劳破坏时,加高模高强PAN纤维沥青混合料的作用次数比未加纤维沥青混合料增加34.7%,添加高模高强PAN纤维可明显提高沥青混合料的抗疲劳性能。
3.4 低温抗裂性能
采用小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能,以抗弯拉强度、最大弯拉应变与弯曲劲度模量作为衡量指标。试验温度为-10 ℃,以AC-13为试验对象,试验结果见表8。
表8 不同沥青混合料低温抗裂性能试验结果
由表8可知:添加高模高强PAN纤维后,沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量分别提高约9%、12%、10%,表明添加高模高强PAN纤维可提高沥青混合料的低温抗裂性能。
4 结论
(1) 长度6 mm的高模高强PAN纤维在沥青混合料中分散更均匀。
(2) 添加高模高强PAN纤维后,沥青混合料的抗车辙能力明显提高,动稳定度比未加纤维时提高约49%,试件破坏时的轮载作用次数约为未加纤维时的2.22倍,黏聚力比未加纤维时提高36%,内摩擦角略有增加。
(3) 与未加纤维沥青混合料相比,PAN纤维沥青混合料的浸水残留稳定度与冻融劈裂抗拉强度比分别提高8%、11%,疲劳破坏时的作用次数增加34.7%,抗裂性能总体提高约10%,添加高模高强PAN纤维可提高沥青混合料的水稳定性、抗疲劳性能和低温抗裂性能。