考虑冻融循环的聚酯纤维沥青混合料性能研究

2023-10-27李钰刘金修李泽甄天宇

公路与汽运 2023年5期

李钰, 刘金修, 李泽, 甄天宇

(1.新疆交通科学研究院有限责任公司, 新疆乌鲁木齐 830099;2.新疆交通投资(集团)有限责任公司,新疆乌鲁木齐 830000;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西西安 710075)

聚酯纤维因其独特的空间分布特性、加筋和桥接效应、较强的吸附作用,常被用于沥青混凝土路面新建或养护工程,以解决普通沥青路面常见病害(如车辙、开裂、龟裂、网裂等)[1]。为解决特殊地区如西北和东北高寒地区、南方高温湿热地区、北方高强度紫外线辐射地区路面病害区域性强、分布范围广、管养费用高的问题,须改善传统沥青混凝土的路用性能,提升道路使用品质。

有关在沥青混合料中掺入聚酯纤维等复合材料改善其性能和路用指标的研究成果较多。在复合材料性能方面,纤维沥青混合料中主要以纤维和沥青为基材,通过尝试不同纤维掺量和油石比梯度变化实现复合材料的增韧增黏效果,研究沥青纤维复合体和纤维沥青混凝土的材料特性[1-3],如沥青纤维胶浆、最佳油石比、复合材料集料级配设计、纤维分散性和复合材料性能指标测试等[4-5]。在聚酯纤维掺量对单一或多场耦合作用下沥青混合料性能的影响方面,文献[6-7]认为沥青混凝土路面多处于水分、温度、除雪剂盐溶液、荷载等单一、两场或多场耦合作用下,不同纤维掺量和油石比对纤维沥青混合料材料性能和使用性能的影响不同。在道路用纤维类型和尺寸效应方面,通过选定2种或以上常见路用纤维品种分别进行高低温特性、抗疲劳和水稳定性等试验,判定某一类型纤维对沥青混合料材料性能不足的提升和改善效果[8-10],以断裂韧性为优化指标,筛选出某项或多项性能指标改善的纤维尺寸。在试验边界条件和分析方法方面,采用数字图像、扫描电子显微镜、紫外荧光图像采集等技术手段和灰色关联等数理统计方法分析纤维在沥青混合料中的分散性、沥青混凝土开裂机理、自愈合前后微观形貌和断裂性能等[6-7,9,11-13]。目前大多数研究仅针对纤维沥青混合料的常规性能指标,对冻融循环作用下掺配聚酯纤维的沥青混合料性能的劣化机理、变化规律与常规试验条件下性能指标的对比分析较少。本文研究冻融循环条件下不同聚酯纤维掺量沥青混合料的高低温性能、水稳定性等的变化,确定沥青混合料中聚酯纤维最佳掺量与最佳油石比,分析聚酯纤维沥青混合料的性能指标在冻融循环作用下的衰减规律和裂化机理,为寒旱区特殊气候条件下纤维沥青混合料设计及应用提供参考。

1 原材料及配合比设计

1.1 试验原材料

(1) 沥青。基质沥青采用SK90#,其各项技术指标均满足规范要求(见表1)。

表1 SK90#基质沥青的性能指标

(2) 集料。粗、细集料均采用石灰岩,其各项技术指标均满足规范要求(见表2、表3)。

表2 粗集料的性能指标

表3 细集料的性能指标

(3) 矿粉。矿粉由石灰岩磨制而成,其各项技术指标均满足规范要求(见表4)。

表4 矿粉的性能指标

(4) 纤维。本文研究聚酯纤维对沥青混合料性能的影响。所用聚酯纤维为白色,安全无毒,其各项技术指标均满足规范要求(见表5)。

表5 聚酯纤维的性能指标

1.2 配合比设计

采用AC-16型级配,合成级配满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求(见表6)。

表6 AC-16级配设计

2 试验方案

为研究聚酯纤维掺量对沥青混合料性能的影响机理和冻融循环条件下混合料的损伤劣化特性,选择5种聚酯纤维掺量,分别为0.0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%,通过马歇尔试验确定不同聚酯纤维掺量下沥青混合料的最佳油石比,评价指标包括抗冻融循环性能、高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性。

冻融试验开始前将所有试件进行抽真空处理,向装有试件的密封塑料袋中注入30 mL水,置于-20 ℃低温冷冻箱中冻结12 h,再将其置于30 ℃恒温水浴中保温12 h,此为一次冻融循环。每4次循环作为一个试验周期,分别采用0、4次、8次、12次、16次、20次冻融循环为试验周期,每个试验周期完成后将试件静置于环境箱中保温备用。

采用MTS810万能试验机对不同聚酯纤维掺量、不同冻融循环次数的小梁试件(200 mm×30 mm×35 mm)进行低温弯曲试验,环境箱温度控制精度为±0.1 ℃,小梁弯曲试验温度为20 ℃,以轴向位移控制,加载速率为2 mm/min。

3 试验结果与分析

沥青混合料的油石比随着外加剂掺量的变化而变化,不同掺量聚酯纤维与沥青结合后形成的沥青膜厚度不同,产生的自由沥青的富余度直接影响纤维沥青胶浆与集料的嵌锁和吸附效应,进而反映在沥青混合料内部细微观缺陷,最终导致宏观性能不断劣化和损伤度增加。通过试验确定聚酯纤维掺量为0.0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%时沥青混合料的最佳油石比分别为4.9%、5.0%、5.1%、5.4%、5.6%。各项试验均在最佳油石比下进行。

3.1 高温抗车辙性能

采用动稳定度评价聚酯纤维掺量对沥青混合料高温抗车辙变形能力的影响,试验结果见图1。

图1 沥青混合料高温抗车辙性能与聚酯纤维掺量的关系

由图1可知:1) 掺加0.1%、0.2%、0.3%、0.4%聚酯纤维,沥青混合料的动稳定度分别增加5.1%、25.9%、21.6%、12.8%,沥青混合料高温抗剪切变形能力有不同程度的提升。2) 随着聚酯纤维掺量的增加,沥青混合料动稳定度呈先增大后降低的趋势,聚酯纤维掺量为0.2%左右时,沥青混合料的动稳定度出现峰值(3 512 次/mm)。聚酯纤维掺量小于0.2%时,由于沥青用量较小,掺入有效比表面积较大的聚酯纤维吸附了集料的部分沥青,导致石料表面沥青膜有效厚度不足,混合料的各向随机流变性降低,表现为高温条件下车辙深度大、剪切速率快;聚酯纤维掺量超过0.2%时,沥青混合料中除富余的自由沥青与部分纤维在沥青胶浆中均匀分散形成纵横交错的空间网状结构外,剩余的部分纤维在混合料中难以均匀分散,局部团聚较多对集料间吸附和黏合效应起到削弱作用,导致沥青流动性增强、混合料高温抗滑移性能降低。

3.2 低温抗裂性能

采用极限弯拉强度、弯曲破坏应变和弯曲劲度模量评价不同聚酯纤维掺量下沥青混合料的低温抗裂性能,试验结果见图2。

图2 沥青混合料低温抗裂性能与聚酯纤维掺量的关系

由图2可知:1) 聚酯纤维掺量低于0.2%时,沥青混合料的极限弯拉强度、弯曲破坏应变和弯曲劲度模量随纤维掺量的增加而增大;聚酯纤维掺量超过0.2%时,三项性能指标随纤维掺量的增加而减小。优良的低温抗裂性能对应的最佳聚酯纤维掺量为0.2%。沥青混合料中掺入适量聚酯纤维后形成的纤维沥青复合胶浆除部分裹覆在集料表面外,其余沥青填充集料空隙,成型的聚酯纤维沥青混凝土赋予了材料较强的低温柔韧性和自愈合能力,在较低温度下也能保持一定的变形自适应能力和较高的抗弯拉强度,对于增强沥青路面低温抗裂性能、减少温缩裂缝和防止反射裂缝起到积极作用。2) 聚酯纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时,沥青混合料的抗弯拉强度分别提高7.5%、12.4%、8.6%、5.3%,极限弯曲应变增加3.2%～7.6%,聚酯纤维有助于改善低温条件下沥青混合料易开裂的特性。

3.3 水稳定性

采用马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比评价不同聚酯纤维掺量下沥青混合料的水稳定性,试验结果见图3。

图3 沥青混合料水稳定性与聚酯纤维掺量的关系

由图3可知:1) 掺加聚酯纤维的沥青混合料的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均增大,掺量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时,马歇尔残留稳定度分别增加2.4%、2.2%、1.5%、0.4%,冻融劈裂强度比分别提高2.9%、3.2%、1.1%、0.5%。2) 随着聚酯纤维掺量的增加,马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比总体呈先增大后减小的趋势,掺量为0.15%～0.2%时出现峰值。单纯从水、温度、荷载的某一方面评价沥青混合料的水稳特性失之偏颇,研究多场耦合作用下水稳定性指标更客观、更贴合实际情况。聚酯纤维的添加有利于沥青复合胶浆充分填隙,降低沥青混合料空隙率,减少进入沥青混合料内部的水分。此外,聚酯纤维的加筋作用使沥青质具备更宽的高低温上下限阈值,有利于发挥其自愈合特性,在荷载作用下,冻融试验中试件空隙的水冰相变体积膨胀产生的附加应力对纤维沥青混合料空隙内壁的挤压效应有所削弱,聚酯纤维的加筋和桥接作用的充分发挥对提高集料与沥青之间抗剥落能力和改善沥青混合料的水损害性能的效果显著。

3.4 抗冻融循环性能

采用弯曲破坏应变评价不同聚酯纤维掺量下沥青混合料的抗冻融循环性能,试验结果见图4。

图4 沥青混合料抗冻融循环性能与聚酯纤维掺量的关系

由图4可知:1) 冻融循环次数与弯曲破坏应变呈负相关关系,冻融循环次数超过12次时,弯曲破坏应变下降速率降低并逐渐趋于稳定。2) 聚酯纤维掺量为0.15%～0.25%时,不同冻融循环次数下混合料的极限弯曲应变达到峰值。掺量为0.4%时有个别点呈增大趋势,可能是由于不属于同一批次制备的试件,在混合料拌和、车辙板成型、小梁试件切割等阶段存在内、外部缺陷导致试件力学特性差异,但不影响试验结果的总体演化趋势。在损伤初期,混合料内部产生的冻融空隙、微裂缝受压闭合或发展滞后,当弯曲破坏应变达到材料损伤破坏阈值(冻融持续循环12次)时,聚酯纤维沥青混合料内部缺陷逐渐发展、裂缝扩展直至试件断裂破坏。聚酯纤维掺量超过0.2%时,沥青混合料内部空隙因沥青用量增加而减小,由水冰相变产生的膨胀力急剧下降,低于聚酯纤维胶浆-集料黏结力失效阈值时,试件的弯曲破坏不受冻融循环形成的冻胀压力控制,演化机理上表现为纤维沥青混合料冻融损伤衰减速率逐渐降低并趋于平缓。