不同类型纤维沥青胶浆性能试验研究

2023-10-25李光伟桑伟宁

建材世界 2023年5期

李光伟,桑伟宁

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,合肥 230088)

纤维是一种经济有效的添加剂,能在少量添加的情况下显著提高沥青混合料的各项性能[1]。在Jenq等[2]于20世纪90年代进行的比较研究中,聚酯纤维与聚丙烯纤维都能提高混合料的高低温性能,防止路面开裂。张宏武[3]在高温下的车辙实验中发现,玄武岩纤维对沥青路面材料的高温抗变形能力具有显著提升效果。杨盼盼[4]则通过两种不同的加载模式进行疲劳加载试验,结果发现玄武岩纤维能够较好地提升SMA(沥青玛蹄脂-碎石混合料)及SUP(高性能沥青混合料)类型沥青路面的抗疲劳开裂能力。根据Batista等[5]对木质素改性沥青胶浆的物理和化学性能的分析,木质素纤维能够明显改善沥青胶浆的抗氧化性、抗老化性和高温抗车辙性能,其中以6%的木质素沥青胶浆改性效果最佳。

综合以上研究成果,不难发现纤维是一种极具潜力的沥青添加剂,可以显著提高沥青的多种性能,特别是在高温和老化等恶劣环境下,其表现尤为出色。因此,有必要加强对纤维等高分子材料的研究和应用,以进一步提升沥青的性能表现,推动可持续发展和生态保护的目标的实现。

1 纤维物理指标与微观形貌

为了提高SMA沥青混合料的耐久性和抗裂性等性能,往往会向沥青混合料中添加纤维。虽然纤维在沥青混合料中的比例很小,但对混合料的性能影响重大。选用了三种常用的纤维:聚酯纤维、木质素纤维和玄武岩纤维,并对它们的性能进行分析。

试验使用产自四川的聚酯纤维、江苏的木质素纤维和安徽的玄武岩纤维,其物理性能指标见表1。此外,使用热场发射扫描电子显微镜对三种纤维的表面形态特征进行了观察,如图1所示。微观状态下聚酯纤维呈束状形态,每根纤维之间紧密联系,高倍数电镜下可看出,聚酯纤维呈圆柱体,表面较为光滑。单根纤维表面有凹槽。木质素纤维呈网状,相互之间交错复杂。木质素纤维形态不规则。单根纤维的长短、粗细、形态有差异,有些纤维表面有破损,表面不光滑。单根玄武岩纤维呈圆柱状,形态笔直,多根玄武岩纤维呈紧密束状排列,单根玄武岩纤维表面呈折页状。

表1 纤维物理技术指标

2 纤维沥青胶浆试验

2.1 动态剪切流变试验(DSR)

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行DSR试验。根据合肥市夏季气温,选定试验温度。合肥市近30年来,夏季最高温度为41 ℃,钢桥面温度比气温高30～35 ℃,DSR试验温度取80 ℃。制作木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维沥青胶浆及不同纤维混掺沥青胶浆,用DSR试模制作直径为24 mm的圆形试件,每组试验成型2个试件。

将三种纤维分别作为填料与SBS改性沥青形成沥青胶浆,比较三种纤维的抗高温性能。DSR试验用抗车辙因子表征沥青胶浆的抗高温性能,其值越大,表明沥青胶浆的抗高温性能越好。将纤维的掺量均取为4.5%(占沥青质量的百分比),每组试件取平均值,结果见表2。

表2 不同纤维沥青胶浆DSR试验结果

K=|G*|/sinδ

式中,K为高温抗车辙因子,kPa;|G*|为复数剪切模量,Pa;δ为相位角,°。

实验结果表明,不同类型的纤维掺入沥青胶浆后,抗车辙因子会出现显著差异。在掺纤维量为4.5%的情况下,聚酯纤维掺入后的沥青胶浆抗车辙因子为7.569 kPa,是不掺纤维胶浆的2.7倍。而木质素纤维和玄武岩纤维的抗车辙因子分别只有聚酯纤维掺入胶浆抗车辙因子的55.9%和57.1%。

基于实验结果,可以得出不同类型纤维掺入沥青胶浆后抗车辙性能的大小顺序为:聚酯纤维>玄武岩纤维>木质纤维 >原沥青。聚酯纤维的抗车辙性能最佳,能将胶浆的抗车辙因子提高到较高的水平,而木质素纤维和玄武岩纤维的抗车辙因子相比聚酯纤维而言相对较低。

2.2 弯曲蠕变劲度试验(BBR)

沥青弯曲蠕变劲度试验是用来测定沥青胶浆在低温条件下抗裂性能的一项重要试验方法。该试验的主要测试指标包括弯曲蠕变劲度和蠕变曲线斜率m。弯曲蠕变劲度反映了沥青胶浆在低温环境下的变形能力,其数值越大表明其低温性能越差;而m值则反映了沥青胶浆的应力释放速度和松弛能力,数值越大表明其应力释放速度越快,松弛能力越强[6]。

进行沥青弯曲蠕变劲度试验时,需要按照《规程》T—0627制作标准试件。试验中,需要将试件置于恒定的低温环境下,进行多次往复弯曲加载,以获得其弯曲蠕变劲度和蠕变曲线斜率m的数据,得到沥青胶浆在低温环境下的变形能力和断裂特性信息。

使用三种纤维制作沥青胶浆(沥青为SBS改性沥青),纤维掺量均取4.5%,测试不同纤维沥青胶浆的低温性能,试验结果见表3。

表3 不同纤维沥青胶浆BBR试验结果

由表3可以看出,三种不同类型的纤维沥青胶浆在低温条件下的性能表现不同,m值的大小关系为:木质素纤维>聚酯纤维>玄武岩纤维。沥青胶浆的劲度大小关系为:木质素纤维<聚酯纤维<玄武岩纤维。木质素纤维沥青胶浆的m值最大,劲度最小,低温性能最好;而玄武岩纤维沥青胶浆的低温性能最差。可知,木质素纤维在低温环境下具有较强的松弛能力,能够防止沥青胶浆在低温下发生裂缝。