聚酯纖維對瀝青混凝土路用性能改善作用

摘 要：通過對瀝青混合料摻加聚酯纖維的研究，系統分析了聚酯纖維瀝青混合料的路用性能，包括馬歇爾穩定度、水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能，探討了聚酯纖維增強瀝青混合料的強度形成機理。并與普通密集配瀝青混凝土進行了對比、分析。結果表明，聚酯纖維瀝青混合料具有較好的路用性能，可以改善瀝青路面使用品質，延長使用壽命，具有較好的經濟和社會效益，是一種性能優良的瀝青混合料，適合作高等級公路瀝青面層。

關鍵詞：聚酯纖維瀝青；混凝土；度機理；

中圖分類號：TU528.42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-09-00-02

為了延長道路使用壽命，歐美一些國家廣泛開始了聚酯纖維加強瀝青材料的應用研究，德國首先提出并采用了聚酯纖維增強改性方法，使用結果表明1g聚酯纖維增強改性瀝青可以顯著地提高公路瀝青的穩定性和強度，大大地延長了瀝青路面的使用壽命，取得了明顯的經濟和社會效益。聚酯纖維被用在機場道面、橋面鋪裝、收費站等鋪面中。美國、加拿大、德國等國家采用聚酯纖維混凝土修筑了大量高速公路及其它重要交通公路。

一、原材料性能

（一）瀝青

采用克拉瑪依AH-90#重交通瀝青，指標如表1所示。

（二）集料

集料采用石灰巖，其指標示于表2。

（三）聚酯纖維、級配

選用美國Bonifiber（博尼）和德國Dolanit AS（德尼）；采用密集配瀝青混凝土AC-13級配。

二、路用性能分析

（一）馬歇爾試驗

馬歇爾試驗結果如表3所示。可以看出，瀝青混合料中加入聚酯纖維后，混合料的最佳瀝青用量會增加（0.1～1.3）%；這是由于聚酯纖維比表明大，會吸收、吸附部分瀝青，故使得混合料的最佳瀝青用量有所增加；聚酯纖維在混合料中起多向“加筋”和增粘作用，提高了瀝青混合料的受力性能，因此，聚酯纖維混合料馬歇爾穩定度普遍高于不加聚酯纖維的混合料；由于博尼維和德尼維自身的抗拉強度較高，且在瀝青混合料中的分散度、分散數量非常高，按照混合料總重的0.225%的比例加入博尼維，大約每m3有超過18億根分離的博尼維，故博尼維和德尼維對瀝青混合料的增強效果非常明顯。

（二）水穩定性試驗

聚酯纖維對瀝青混合料的水穩定性試驗結果，如表4所示。瀝青中酸性樹脂組分是一種表面活性物質，它在聚酯纖維表面產生的物理侵潤、吸附作用，使瀝青呈單分子狀排列在聚酯纖維表面，形成結合力牢固的“結構瀝青”膜，它比薄膜以外的自由瀝青粘性大，耐熱性好；同時，由于聚酯纖維的吸附及吸收作用，混合料瀝青用量增加，能使結構瀝青膜增厚（65～113）%；聚酯纖維及其周圍結構瀝青一同裹覆于集料表面，使瀝青膜厚度及性質都發生變化。較厚的瀝青膜減慢了瀝青老化速率，從而可長時間地維持其粘附性，降低了水對瀝青與集料的侵蝕破壞作用，增強了瀝青混合料抵抗水損害的能力，使混合料水穩定性增強。

（三）高溫穩定性試驗

采用車轍試驗作為評價高溫穩定性方法。試驗結果如表5所示。聚酯纖維在瀝青基體內的分布是三維隨機的。由于截面纖細，使得聚酯纖維摻量不大的瀝青基體內聚酯纖維數目卻相當大，形成縱橫交織的空間網絡。一方面，裹覆在聚酯纖維上的“結構瀝青”網，增大了結構瀝青比例，減薄了自由瀝青膜，使聚酯纖維瀝青膠漿粘性增大，軟化點上升，高溫穩定性大幅提高；另一方面，縱橫交織的聚酯纖維在混合料中無定向分布且互相搭接，形成的聚酯纖維骨架結構網，起到“鏈橋”作用，使混合料具有較高強度與勁度，增強了彈性恢復，減緩了車轍的加深速度，極大的改善了混合料的高溫抗車轍性能。

（四）低溫抗裂性試驗

采用低溫彎曲破壞試驗（見表6）評價低溫抗裂性。0C彎曲應變越大，反應出混合料破壞時所需能量越大，則低溫時混合料抵抗收縮拉應變的能力越強，低溫抗裂性越好。

首先，聚酯纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加，這本身就增加了混合料的延展性，改善了混合料的勁度模量；其次，與聚酯纖維良好的物化性能有關，聚酯纖維在低溫（-40℃以下）仍能保持柔韌性和較高的抗拉強度，故加筋作用使混合料具有了較好的柔韌性，提高了混合料低溫變值；第三，互相搭接的聚酯纖維又提高了混合料的抗拉強度；因此，混合料的低溫抗裂性得到改善。

（五）疲勞耐久性試驗利用控制應力疲勞壽命分析方法計算，結果如圖1所示。

疲勞破壞的過程，首先是在結構的某個部位開始產生微小裂紋，裂紋起點為疲勞源，對瀝青混合料，荷載、溫度及內部不均勻結點的存在是其產生疲勞源的主要因素。當材料受荷載作用時，裂紋尖端發生應力集中，裂紋擴展；當裂紋尺寸達到臨界值時，就出現失穩擴展，材料出現較大的裂紋直至斷裂破壞。一方面，由于三維隨機各向聚酯纖維阻滯了裂紋擴展，吸收和消耗了部分混合料斷裂所需要的能量，減緩了亞臨界擴展，增加了彈性恢復；另一方面，裂紋發展時，聚酯纖維會使裂紋轉向或岐化，減慢裂縫產生的速率，延長材料失穩擴展、斷裂出現的時間；因此，聚酯纖維可以提高瀝青路面裂紋的自愈能力，減少裂縫的出現，提高路面的疲勞耐久性。

三、結語

（一）聚酯纖維的吸附、吸收作用，穩定大量瀝青，增大了結構瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿的粘滯性增強，軟化點提高，集料表面瀝青膜增厚，提高了混合料耐老化性能和水穩定性能，增加了瀝青路面抗早期水損害能力。

（二）縱橫交錯的聚酯纖維由于數量巨大，且均勻分布，在混合料中起到加筋作用，增強了彈性恢復，減緩了車轍的加深速度，極大的提高了混合料的高溫抗車轍性能和抵抗疲勞破壞能力，使路面的高溫穩定性能和疲勞耐久性得到改善。

（三）聚酯纖維在低溫下仍呈柔性，且具有較高的抗拉強度，使混合料具有了較高的彈性，能有效地抵抗溫度應力，減少溫縮裂縫的產生，提高路面低溫抗裂性能。

參考文獻：

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