聚乙烯醇纖維對(duì)瀝青混凝土性能的影響

文/周 健 田宗杰（安徽皖維高新材料股份有限公司）

一、研究現(xiàn)狀

瀝青混凝土路面是一種連續(xù)式的無縫路面，具有噪音低、易維護(hù)、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上普遍采用的一種路面形式。但隨著交通工具的數(shù)量增多和載重量增大，瀝青混凝土存在的石料剝落、坑槽、裂縫、車轍病害等固有缺陷嚴(yán)重影響了道路的使用壽命和人們的出行體驗(yàn)。將纖維增強(qiáng)材料加入到瀝青混凝土中，可有效地改進(jìn)瀝青路面的路用性能，使瀝青路面滿足重載交通和環(huán)境變化的要求，延長(zhǎng)瀝青路面使用周期，減少病害，這一手段因此成為國(guó)內(nèi)外瀝青路面技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]。目前，國(guó)內(nèi)外在高速公路瀝青路面中已經(jīng)使用的纖維有玻璃纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維、礦物纖維和復(fù)合改性纖維等，均取得了良好的效果[2]。

聚乙烯醇纖維是一種水溶性高分子材料，具有強(qiáng)度高、耐候性和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于混凝土的增強(qiáng)，可顯著提高混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗凍、抗沖擊等性能，且對(duì)人體和環(huán)境無污染。聚乙烯醇纖維相比聚酯纖維、木質(zhì)素纖維等具有更高的強(qiáng)度，但在瀝青混凝土領(lǐng)域尚未見到相關(guān)研究。本文通過對(duì)聚乙烯醇纖維改性瀝青混凝土性能的研究，探討其對(duì)瀝青混凝土抗車轍性、抗裂性等性能的影響。

二、試驗(yàn)過程

1.試驗(yàn)材料

集料：巢湖市天寶建材石料有限公司生產(chǎn)的5～10mm 石灰?guī)r碎石和0～3mm 機(jī)制砂，安徽巢湖市華龍礦粉廠生產(chǎn)的AC-10 級(jí)配礦粉。

瀝青：廈門華特集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的SBSI-D 型改性瀝青，其針入度（25℃，100g，5s）/0.1mm 為 50，延度（5℃，5cm/min）為 31cm，軟化點(diǎn)（TR&B）為 87℃。

纖維：安徽皖維高新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚乙烯醇纖維，其抗拉強(qiáng)度為1725MPa，模量達(dá)40GPa，纖度為2dtex。

2.瀝青混凝土制備

無纖維瀝青混凝土：將石灰?guī)r碎石和機(jī)制砂放入烘箱中，加熱至180℃以上并保持恒溫；將加熱至150～160℃的SBS 改性瀝青噴入拌合鍋內(nèi)，濕攪拌90s；再加入已加熱至160℃的礦粉后攪拌60s；然后在烘箱中于180℃保溫60min，制得瀝青混凝土。

加纖維瀝青混凝土：將石灰?guī)r碎石和機(jī)制砂放入烘箱中，加熱至180℃以上并保持恒溫；放入預(yù)熱后的聚乙烯醇纖維進(jìn)行干攪拌60s；將加熱至150～160℃的SBS改性瀝青噴入拌合鍋內(nèi)，濕攪拌120s；再加入已加熱至160℃的礦粉后攪拌90s；然后在烘箱中于180℃保溫60min，制得纖維改性瀝青混凝土。

3.路用性能試驗(yàn)

對(duì)AC-10 瀝青混凝土，擬采用動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度（水穩(wěn)定性）、低溫小梁彎曲等試驗(yàn)，全面比較纖維改性前后以及纖維不同用量的瀝青混凝土各種性能的差異，纖維添加量從0.1%逐步增加到0.5%。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行試驗(yàn)。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)

動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)輪胎壓力為0.7MPa。其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，PVA 纖維的添加可以大幅提升瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度。其增加的峰值為添加量0.3%，添加量在0.1%～0.3%階段，隨著纖維添加量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度也隨之增加；經(jīng)計(jì)算，添加量在0.3%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度可增加53.9%；當(dāng)纖維添加量超過0.3%后，動(dòng)穩(wěn)定度比0.3%時(shí)有所下降。

2.殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

按規(guī)程要求被測(cè)試樣在60℃下保養(yǎng)30min，在同溫度的水中浸泡48h 下測(cè)定相關(guān)性能指標(biāo)，其殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 不同纖維添加量瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果（單位：次/mm）

表2 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，PVA 纖維的加入能夠顯著提高瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度，且隨著纖維添加量的提高，殘留穩(wěn)定度逐步提升，經(jīng)計(jì)算，最高可提升14.0%；但當(dāng)纖維添加量超過0.3%后，瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度有所下降，與車轍試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.低溫小梁彎曲試驗(yàn)

隨著溫度的降低，瀝青混凝土的強(qiáng)度提高，變形能力下降，并出現(xiàn)脆性破壞[4]。低溫小梁彎曲試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同纖維含量瀝青混凝土低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果（-10℃）

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，纖維的添加可以增強(qiáng)瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變，且隨著纖維含量的提升，上述兩項(xiàng)性能均有不同程度提升。經(jīng)計(jì)算，纖維添加量為0.3%時(shí)比未加入纖維時(shí)瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度提升36.54%，彎拉應(yīng)變提升44.82%。

4.結(jié)果分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚乙烯醇纖維能夠顯著提升瀝青混凝土的高溫抗車轍、水穩(wěn)定性、低溫抗裂等性能。從原理上分析，聚乙烯醇纖維的纖度僅有2dtex，僅需少量纖維就可以在瀝青中形成嚴(yán)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且聚乙烯醇纖維中含有大量的羥基可以與瀝青形成氫鍵作用力，增強(qiáng)瀝青的強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)瀝青混凝土的抗裂性能，實(shí)現(xiàn)瀝青混凝土裂而不斷，提升瀝青混凝土的使用壽命；纖維穿插在瀝青中，可有效提升瀝青的穩(wěn)定性，加強(qiáng)瀝青對(duì)混合料的粘結(jié)作用，提升水穩(wěn)定性；聚乙烯醇纖維的強(qiáng)度達(dá)1700MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青的強(qiáng)度，且纖維的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于瀝青，因此可顯著提升瀝青混凝土的抗車轍性能。但是當(dāng)纖維添加量超過一定界限的時(shí)候，上述性能均有不同程度的下降，那是因?yàn)槌康睦w維不能均勻分散在瀝青中，減弱了纖維對(duì)瀝青的增強(qiáng)作用。

四、結(jié)論

聚乙烯醇纖維的添加可以增強(qiáng)瀝青混凝土的高溫抗車轍、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能。隨著纖維添加量的增加，瀝青混凝土的高溫抗車轍、水穩(wěn)定性、低溫抗裂等性能均有不同程度的提升，最優(yōu)的添加量為瀝青混凝土質(zhì)量的0.3%，此時(shí)，瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度為9254 次/mm，殘留穩(wěn)定度96.63%，彎拉強(qiáng)度12.63MPa。