聚丙烯腈纖維改性瀝青混合料的路用性能研究

龍慧

（廣東啟揚(yáng)工程檢測(cè)咨詢有限公司，廣東湛江 524000）

減少瀝青路面病害一直是公路工程領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，建筑材料是路面疾病的主要因素之一。如今，纖維添加劑已被視為增強(qiáng)瀝青路面抗裂性和韌性的材料[1]。在當(dāng)今使用的許多類型的纖維中，PAN纖維作為一種100%由石油制成的有機(jī)合成纖維，是瀝青混合料的理想增強(qiáng)材料。相比普通纖維，它在特殊表面改性過(guò)程中具有獨(dú)特的表面性能，與瀝青具有更好的相容性，并且在混合物中具有出色的傳遞載荷和協(xié)同變形的特性，從而顯著改善了瀝青混合物的鋪裝性能[2]。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

瀝青采用廣東茂名的A-70#基體瀝青制成，瀝青的技術(shù)性能如表1所示。本研究中使用的纖維為6mm切成束狀的PAN纖維，如表2所示，所選的粗骨料為碎玄武巖石，礦物粉為石灰石。細(xì)骨料采用天然沙子制成，材料的所有技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)格要求。

1.2 試驗(yàn)方案

為了提高面層的鋪裝性能，采用馬歇爾法設(shè)計(jì)了AC-13制成的PAN纖維瀝青，其骨料級(jí)配列于表3。根據(jù)鋪裝施工經(jīng)驗(yàn)和先前的研究，PAN纖維含量的范圍以0.1%的間隔從0%～0.4%選擇，其中每個(gè)值表示瀝青混合料總量的質(zhì)量百分比。特別地，當(dāng)纖維含量為0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%時(shí)，最佳瀝青比例分別測(cè)試為4.9%，5.1%，5.2%，5.2%，5.3%。由于PAN纖維對(duì)瀝青的吸附作用，纖維含量越高意味著瀝青比例越高。在測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三個(gè)平行樣本，三個(gè)平行樣本的平均值不得超過(guò)每個(gè)樣本的測(cè)量值的15%，否則應(yīng)重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，可以確認(rèn)平行試樣的平均值是相對(duì)準(zhǔn)確的，其真實(shí)地表征了混合物的路面性能。

表3 AC-13瀝青混合料的集料級(jí)配

2 結(jié)果及討論

2.1 高溫穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果及分析

在車轍試驗(yàn)中，將動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（DS）作為60℃溫度下的評(píng)價(jià)指標(biāo)。PAN纖維含量對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響如圖1所示。

從圖1中可以看出，添加PAN纖維的瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于不使用PAN纖維的瀝青混合料。隨著PAN纖維含量從0%增加到0.2%和0.3%，DS分別增加了44.72%和51.89%。但是，隨著混合物中加入更多的PAN纖維，DS呈下降的趨勢(shì)，這表明過(guò)量的PAN纖維可能會(huì)導(dǎo)致自身分布不均和結(jié)塊，為此，在瀝青砂漿之間會(huì)形成滑動(dòng)表面，因此DS會(huì)下降。

在高溫條件下，游離瀝青在瀝青混合料中的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，骨料之間的內(nèi)摩擦減小，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低，高溫下混合物的穩(wěn)定性降低。但PAN纖維具有以下兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，可以克服上述障礙：一方面，PAN纖維的吸油性可以增加瀝青膜的厚度，減少游離瀝青的含量，從而增強(qiáng)混合物的剪切強(qiáng)度。另一方面，PAN纖維提高了瀝青的粘度并在混合物中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，增強(qiáng)了瀝青砂漿的內(nèi)聚力，從而抑制了骨料之間的相對(duì)滑動(dòng)，確保了混合物的高溫穩(wěn)定性。

表1 瀝青的基本技術(shù)性能

表2 聚丙烯腈纖維的技術(shù)指標(biāo)

表4 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫抗裂性測(cè)試結(jié)果與分析

小梁彎曲試驗(yàn)在-10℃低溫下的抗裂性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，PAN纖維改善了瀝青混合料的低溫抗裂性。當(dāng)纖維含量從0%增加到0.2%和0.3%時(shí)，抗張強(qiáng)度分別增加11.6%和9.8%，破壞應(yīng)變也分別增加30.8%和32.8%。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，PAN纖維稍微改善了混合物的低溫拉伸強(qiáng)度，但是顯著提高了低溫韌性，因此增加了變形能力并推遲了混合物在低溫下的破裂。

PAN纖維的粗糙表面上有微細(xì)的凹槽和孔，只要PAN纖維被瀝青滲透，它們兩者之間就會(huì)相互嵌入并在混合物中產(chǎn)生協(xié)同力學(xué)變形。另外，短切PAN纖維均勻地分布在混合物中，起到橋接、增強(qiáng)和傳遞應(yīng)力的作用，從而阻礙了混合物的裂紋擴(kuò)展。當(dāng)瀝青混合料在低溫下產(chǎn)生孔洞和裂縫時(shí)，共變形的PAN纖維可以分散應(yīng)力，使混合料受力更均勻。同時(shí)，當(dāng)纖維延伸穿過(guò)孔和裂縫形成橋纖維時(shí)，它可以保護(hù)薄弱的界面，從而吸收釋放的裂紋擴(kuò)展能量，即裂紋擴(kuò)展受到短纖維的限制。因此，當(dāng)路面載荷和溫度應(yīng)力耗散后，PAN纖維增強(qiáng)了混合料的自愈能力和韌性，減輕了混合料的損傷，從宏觀上提升了混合料的抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果與分析

采用殘余馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂比來(lái)評(píng)價(jià)不同PAN纖維含量下的水分穩(wěn)定性，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著PAN纖維含量的增加，剩余的馬歇爾穩(wěn)定性和凍融分裂比都先上升然后下降。特別地，在最佳纖維含量下，MS分別增加6.8%和TRS分別增加11.8%。由于PAN纖維對(duì)瀝青的吸收，更多的PAN纖維會(huì)形成更理想的瀝青含量。當(dāng)瀝青的最佳含量增加時(shí)，結(jié)構(gòu)性瀝青的量隨之增加，即瀝青膜變厚，并且瀝青—骨料的界面粘合力變強(qiáng)。此外，由于水分吸收率低，PAN纖維在被水分滲透后其性能沒(méi)有顯著變化，這進(jìn)一步防止水分進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，水分需要更多的滲透能來(lái)破壞界面粘合，這證明PAN纖維對(duì)混合物的水分穩(wěn)定性有很大的影響。

圖2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了在不同環(huán)境條件下聚丙烯腈纖維增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，并揭示了路丙烯氰纖維的抗裂增強(qiáng)原理。根據(jù)結(jié)果和分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著PAN纖維含量從0%增加到0.2%和0.3%，DS分別增加了44.72%和51.89%。但是隨著混合物中加入更多的PAN纖維，DS呈下降趨勢(shì)。過(guò)量的PAN纖維導(dǎo)致自身分布不均和結(jié)塊，為此，在瀝青砂漿之間會(huì)形成滑動(dòng)表面，因此DS會(huì)降低。

（2）PAN纖維稍微改善了混合物的低溫拉伸強(qiáng)度，但是顯著提高了低溫韌性，因此增加了變形能力并推遲了混合物在低溫下的破裂。當(dāng)路面載荷和溫度應(yīng)力耗散后，PAN纖維增強(qiáng)了混合料的自愈能力和韌性，減輕了混合料的損傷，從宏觀上提升了混合料的抗裂性。

（3）隨著PAN纖維含量的增加，剩余的馬歇爾穩(wěn)定性和凍融分裂比都先上升然后下降。在最佳纖維含量下，MS分別增加6.8%和TRS分別增加11.8%。當(dāng)瀝青的最佳含量增加時(shí)，結(jié)構(gòu)性瀝青的量隨之增加，即瀝青膜變厚，并且瀝青—骨料的界面粘合力變強(qiáng)。由于自身水分吸收率低，PAN纖維在被水分滲透后其性能沒(méi)有顯著變化，這進(jìn)一步防止了水分進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)。