硫酸钙晶须/聚酯纤维改性沥青混合料的高低温性能研究

2022-08-22李占军

合成纤维工业 2022年4期

李占军

(河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450000)

由不同相对分子质量的碳化合物和非金属衍生物充分混合后形成的颜色较深的混合物称为沥青，其是黏性极高的有机液体[1-2]。沥青在土木工程中可作为防水、防腐材料，也是道路建设工程必不可少的路面铺设材料。但沥青材料并不直接应用到路面铺设过程中，为使沥青材料更加坚固耐用[3-4]，常使用聚酯纤维、硫酸钙晶须对其进行改性处理。

聚酯纤维是良好的吸油材料，其较强的吸附能力会提高沥青混合料的油石比，增强集料间的黏结力，起到加筋的作用，进而提高沥青混合料的低温性能[5-11]。硫酸钙晶须具有高强度、高模量、成本低廉和绿色环保的特点，常用作补强增韧剂或功能型填料用于造纸、橡胶、塑料、胶黏剂等行业，近年大量研究表明，硫酸钙晶须可改善沥青混合料的高温性能[11-14]。因此，若是将硫酸钙晶须和聚酯纤维二者结合改性沥青，则有希望获得高温性能和低温性能均良好的沥青混合料。

作者通过聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称聚酯)纤维与集料干拌，然后加入硫酸钙晶须改性沥青湿拌,制得硫酸钙晶须/聚酯纤维复合改性沥青混合料，考察了硫酸钙晶须对沥青高低温性的影响，以及硫酸钙晶须/聚酯纤维复合改性沥靑混合料的高温稳定性和低温抗裂性，为工程应用中提高沥青混合料的性能提供实验依据。

1 实验

1.1 主要原料

聚酯纤维：牌号博尼维，美国Kapejo公司产；硫酸钙晶须：四川康升晶须科技有限公司产；沥青：牌号SK90，阿尔法(江阴)沥青有限公司产。沥青和聚酯纤维的性能如表1、表2所示。

表1 SK90沥青性能Tab.1 Properties of SK90 asphalt

表2 聚酯纤维性能Tab.2 Properties index of polyester fiber

1.2 仪器与设备

LYY-8型延度仪：沧州欧海试验仪器有限公司制； LZR-3沥青针入度测定仪：华冲试验仪器公司制；YLRH-1型沥青软化点仪：西安亚星土木仪器有限公司制；HYCZ-5型自动车辙试验仪：沧州精威仪器设备制造有限公司制;YZM-H 沥青混合料万能试验机:上海魅宇仪器设备有限公司制。

1.3 硫酸钙晶须/聚酯纤维改性沥青混合料的制备

(1)将SK90沥青加热至流动状态，然后称取一定质量的硫酸钙晶须加入其中，搅拌30 min，制得硫酸钙晶须改性沥青。其中，添加硫酸钙晶须质量分数为0、2%、4%、6%、8%的改性沥青分别标记为1#、2#、3#、4#、5#试样。

(2)通过马歇尔试件的高度确定沥青混合料的总质量，然后根据AC-13级配计算各集料、矿粉的质量。将一定质量的聚酯纤维加入集料中，与集料一起拌和，让聚酯纤维均匀的分散于集料中；然后加入硫酸钙晶须改性沥青、矿粉搅拌，制得硫酸钙晶须/聚酯纤维复合改性沥青混合料。改性沥青的添加量由马歇尔试验获得。其中，添加硫酸钙晶须质量分数为4%、聚酯纤维质量分数为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的改性沥青混合料分别标记为6#、7#、8#、9#、10#试样。具体制备工艺见图1。

图1 改性沥青混合料制备流程Fig.1 Preparation process of modified asphalt mixture

1.4 分析与测试

针入度：按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用LZR-3沥青针入度测定仪测定试样在15,25,30 ℃的针入度。

软化点：按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用YLRH-1型沥青软化点仪测定。

延度：按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将沥青试样做成8字型标准试件，分别在10，15 ℃下，采用LYY-8型延度仪以5 cm/min的速度拉伸至断裂，记录试件断裂时的长度。

动稳定度(DS)：按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的车辙试验方法，将沥青混合料制成尺寸为30 cm×30 cm×5 cm的车辙板试件，然后采用车辙试验机测定，测试温度为60 ℃，轮压为 0.7 MPa，反复碾压速度为 33次/min。DS按式(1)计算。

(1)

式中：c2是60 min 时车辙试件变形的量;c1是45 min时车辙试件变形的量；a,b分别是仪器修正系数和车辙板修正系数，均为1.0。

抗弯拉强度(R)和弯曲劲度模量(S)：按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的小梁弯曲试验方法，将沥青混合料制成尺寸为40 mm×40 mm×240 mm 的立方体试件，然后采用万能试验机以跨中加载方式测定，加载速率为40 mm/min，实验温度为-10 ℃。R，S分别按式(2)、式(3)计算。

R=3LP/2bh2

(2)

S=6hP/L2

(3)

式中：P表示试件破坏时的最大荷载；h为试件高度；L为试件的跨径；b为跨中断面试件宽度。

2 结果与讨论

2.1 硫酸钙晶须对改性沥青高低温性能的影响

2.1.1 高温性能

针入度是反映沥青高温性能指标。从表3可以看出：测试温度为15 ℃时, 随着硫酸钙晶须含量增加，改性沥青的针入度先降低后升高；而测试温度为25,30 ℃时，随着硫酸钙晶须含量增加，改性沥青的针入度逐渐降低，说明硫酸钙晶须可改善沥青混合料的高温性能。

表3 改性沥青试样的针入度Tab.3 Penetration of modified asphalt samples

这是由于硫酸钙晶须与沥青相容性较好，能均布分散在沥青中，与沥青形成纤维网络，限制沥青的流动性，进而增大沥青的黏稠度，所以针入度降低，但当渗透扩散至硫酸钙晶须中的基质沥青轻组分达到饱和时，针入度不再降低。适宜的硫酸钙晶须添加质量分数为4%。

2.1.2 低温性能

延度是衡量沥青低温性能的重要指标。从表4可以看出：测试温度为10 ℃时，随着硫酸钙晶须含量的增加，改性沥青的延度逐渐降低，由43.2 cm降至26.5 cm，降低幅度为38.7%；测试温度为15 ℃时，随着硫酸钙晶须含量的增加，改性沥青的延度值同样逐渐降低，由134.1 cm降至97.6 cm，降低幅度为27.2%，说明延度在10 ℃下的变化要比15 ℃时显著，表明温度越低，硫酸钙晶须对延度的影响越大。

表4 改性沥青试样的延度Tab.4 Ductility of modified asphalt samples

2.1.3 温度敏感性

针入度指数(IP)是用以描述沥青温度敏感性的指标，可采用式(1)、式(2)计算。IP越大，沥青的温度敏感性越小。

lgP=AT+K

(4)

IP=(20-500A)/(1+50A)

(5)

式中：T为测试温度；P为相应测试温度下的针入度；A为回归常数，表示沥青的温度敏感性；K为回归参数，表示沥青柔软度。

测得改性沥青在T为15,25,35 ℃的P，以lgP对T作图，拟合曲线的斜率即为A,见图2。

图2 改性沥青试样的lg P-T曲线Fig.2 lg P-T curves of modified asphalt samples■—1#试样；●—2#试样；▲—3#试样；▼—4#试样；◆—5#试样

将A代入式(2)即可计算出IP，所得结果列于表5。从表5可以看出，随着硫酸钙晶须的增加，改性沥青的A下降、IP增大，A由0.029 9降至0.025 5，降低幅度为14.7%，IP由2.024 0增至3.186 8，增加幅度为5.7%，说明硫酸钙晶须可降低沥青的温度敏感性。

表5 改性沥青试样的A与IPTab.5 A and I([a-z])([a-z])f modified asphalt samples

2.2 改性沥青混合料的高低温性能

2.2.1 高温稳定性

从表6可以看出：硫酸钙晶须添加量一定时，随着聚酯纤维掺量的增加，沥青混合料的DS呈现出先增长后降低的趋势；当添加聚酯纤维的质量分数为0.2%～0.4%，改性沥青混合料的DS最佳。这是因为聚酯纤维不溶于沥青，聚酯纤维添加量适中时，聚酯纤维在沥青混合料中分散均匀，起到加筋的作用，沥青混合料的强度提高，高温性能有所改善，但当聚酯纤维添加量过多时，则会导致纤维在沥青混合料中分散不均而结团，使沥青混合料强度降低，高温性能下降。