碳纖維瀝青混合料路用性能及作用機理研究

郭志強

(中鐵十七局集團建筑工程有限公司,山西 太原 030032)

瀝青路面作為一種在礦質材料中摻入路用瀝青材料鋪筑的路面結構，在現代化公路建設中起著非常重要的作用，這主要是因為瀝青混凝土鋪設而成的路面具有較好的承受車輛載荷反復作用以及受環境因素影響小等特性[1]，是目前我國公路建設的主要路面形式。然而，隨著自然環境不斷變化和交通運輸載荷的多樣化發展，國內許多瀝青路面相繼出現了車撤、開裂和表面破損等現象，在很大程度上影響了交通運輸能力，并增加了后期維護成本[2]。碳纖維是一種由碳元素組成特種纖維，由于具有密度小、強度高、導電和導熱性優良等特性而被廣泛應用于各種織物以及先進復合材料(樹脂、金屬、陶瓷等)中，將碳纖維加入瀝青混凝土中制成碳纖維改性瀝青混凝土路面有望改善其路用性能。然而，國內目前在碳纖維改善瀝青混凝土動穩定度、低溫抗裂性和水穩定性方面報道較少，碳纖維在瀝青中的增強改性作用機理也不清楚[3-4]。本文從碳纖維長度和摻量角度分析其對瀝青混合料動穩定度、低溫抗裂性和水穩定性的影響，以期為高路用性能的瀝青混合料開發與應用提供參考，結果也將有助于碳纖維在瀝青路面工程中推廣應用。

1 材料與方法

碳纖維瀝青混合料的原料包括山東金石瀝青股份有限公司的90#瀝青(針入度8.7 mm、延度160 cm、軟化點45.6 ℃)，安徽星光路景公司生產的石灰巖集料(石料壓碎值18.5%、針片狀顆粒含量3.7%、表觀相對密度2.7 kg/m3、吸水率1.32%)，荊州市萬山環保材料有限公司生產的磨細石灰巖礦粉(表觀密度2 730 kg/m3、含水量0.43%、親水系數0.31)，日本東麗公司生產的TO300B-1000型碳纖維(短切長度分別為1、 3、 5 mm，直徑7 μm、 拉伸強度3 530 MPa、 伸長率1.5%、 細度66 g/1 000 m、 密度1.76 g/cm3)。

將不同長度的短切碳纖維按照摻量為0、0.5%、1%和1.5%的比例與集料一起加入攪拌鍋中混合均勻，然后依次加入瀝青和礦粉充分攪拌，攪拌均勻的漿料轉入特定模具中進行成形和24 h室溫冷卻處理，脫模后得到10組不同碳纖維摻量和長度的瀝青混合料試件，分別為A(未添加碳纖維)、B1(0.5%、1 mm碳纖維)、B2(0.5%、3 mm碳纖維)、B3(0.5%、5 mm碳纖維)、C1(1%、1 mm碳纖維)、C2(1%、3 mm碳纖維)、C3(1%、5 mm碳纖維)、D1(1.5%、1 mm碳纖維)、D2(1.5%、3 mm碳纖維)和D3(1.5%、5 mm碳纖維)組混合料。車撤試驗試件在HYCZ-5型車轍試驗儀上進行60 ℃/4 h預熱處理后，以0.7 MPa的接地強度往復運動并持續1 h，往復速度為21次/min，參照JTG E20-2019《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》計算動穩定度并以此作為評價瀝青混合料的指標；將車撤試件切割成小梁試件，預先進行-10 ℃/45 min保溫處理后在INSTRON-3900型電子萬能試驗機上進行三點加載試驗(跨徑200 mm、加載速度為45 mm/min)，見圖1，并計算抗彎拉強度、最大彎拉應變和破壞時的彎曲勁度模量[5]；混合漿料轉入標準馬歇爾試件模具中制備10組馬歇爾試件后雙面擊實50次，將試件分為2組進行劈裂強度測試并計算凍融劈裂強度比，即經過凍融循環的試件(-20 ℃/16 h+60 ℃/24 h)的劈裂強度與未經過凍融循環試件的劈裂強度比[6]。

(a) 小梁試件

碳纖維瀝青混合料的微觀形貌采用日立S-4800型掃描電鏡進行觀察，流程包括試樣清洗和吹干、放置試樣、抽真空和二次電子像觀察。

2 結果及討論

2.1 動穩定度

圖2為不同碳纖維長度的瀝青混合料的動穩定度隨碳纖維摻量的變化。當碳纖維長度為1 mm時，瀝青混合料的動穩定度會隨著碳纖維摻量的增加而先增加后減小的趨勢，在碳纖維摻量為1%時達到最大值(1 258次/ mm)；當碳纖維長度為3、5 mm時，瀝青混合料的動穩定度隨碳纖維摻量的變化趨勢與碳纖維長度為1 mm時相似，同樣在碳纖維長度為1%時達到最大值，分別為1 350、1332次/ mm。此外，在相同碳纖維摻量下，瀝青混合料的動穩定度會隨著碳纖維長度增大而呈先增加后減小特征，在碳纖維長度為3 mm時達到最大值。綜合而言，不同長度和摻量的碳纖維的摻加都有助于瀝青混合料的高溫穩定性能的改善，且當碳纖維長度為3 mm、碳纖維摻量為1%時的瀝青混合料的動穩定度最大，改善效果最好。

(a) 1 mm

(b) 3 mm

(c) 5 mm

2.2 低溫抗裂性

表1為不同碳纖維摻量的瀝青混合料的低溫彎曲性能，分別列出了未添加碳纖維和添加不同碳纖維的瀝青混合料的抗彎拉強度(T)、最大拉彎應力(σ)和彎曲勁度模量(E)。對比分析可知，在相同碳纖維摻量時，瀝青混合料的最大抗彎拉強度和最大彎拉應變都會隨著碳纖維長度增加而先增加后減小特征，而彎曲勁度模量則呈現先減小后增大的趨勢，在碳纖維長度為3 mm時取得最大抗彎拉強度和最大彎拉應變最大值、彎曲勁度模量最小值；此外，表1中的不同碳纖維摻量的瀝青混合料的低溫彎曲性能都滿足JTG E20-2019中對瀝青混合料彎曲試驗的要求；以不同碳纖維摻量的瀝青混合料試件的最大彎拉應變作為評價低溫抗裂性的指標，可見，摻加不同長度和摻量的碳纖維的瀝青混合料試件的最大彎拉應變都要高于未添加碳纖維的試件，且碳纖維長度為3 mm、碳纖維摻量為1%時的瀝青混合料試件具有最大的彎拉應變，即具有最佳的低溫抗裂性。究其原因，這主要是因為如果碳纖維摻量較小(0.5%)，碳纖維在瀝青混合料的分布較為均勻，在碳纖維瀝青混合料試件拉伸過程中可以起到增強增韌，抑制裂紋擴展的作用[7]，且當碳纖維摻量增加至1%時，這種強韌化作用更強，而如果碳纖維摻量過高(1.5%)，碳纖維在瀝青混合料中的分散性較差，局部還可能出現團聚現象而產生應力集中，最終瀝青混合料試件的強韌性和低溫抗裂性也會隨之降低[8-10]。

表1 不同碳纖維摻量的瀝青混合料的低溫彎曲性能Table 1 Low temperature bending performance of asphalt mixture with different carbon fiber content樣本T/ MPaσ/(×10-6 με)E/MPaA11.222 9373 808B111.193 0633 690B211.343 5613 132B311.153 3753 299C112.013 9233 058C212.714 1212 940C311.803 6093 092D111.162 9113 840D211.863 1823 526D311.193 1083 805

2.3 水穩定性

圖3為不同碳纖維長度的瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨碳纖維摻量的變化。對比分析可知，添加碳纖維的瀝青混合料的凍融劈裂強度比都要高于未添加碳纖維的試樣。在相同碳纖維摻量時，隨著碳纖維長度從1 mm增加至3 mm，瀝青混合料的凍融劈裂強度比先增加后減小，在碳纖維長度為3 mm時達到最大值；在相同碳纖維長度時，隨著碳纖維摻量從0.5%增加至1.5%，瀝青混合料的凍融劈裂強度比先增加后減小，在碳纖維摻量為1%時達到最大值。綜合而言，當碳纖維長度為3 mm、碳纖維摻量為1%時，瀝青混合料具有最大的凍融劈裂強度比。

圖3 不同碳纖維長度的瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨碳纖維摻量的變化

在進行凍融劈裂強度測試過程中，瀝青混合料試件外表面的水會進入內部而產生凍脹剝落現象，隨著時間的延長，這種凍融效應會滲透到試件內部并使得混合料的致密性降低、劈裂強度下降。在瀝青混合料中加入碳纖維后，碳纖維與瀝青混合交織產生了粘結作用，碳纖維處可以填充內部空隙等缺陷外，還可以一定程度上減弱凍脹剝落效果[11]，因此摻加碳纖維有助于提升試件的凍融劈裂強度比。此外，適量的碳纖維摻加可以使得碳纖維在混合料內部均勻分布并起到改善水穩定性的作用，而過高的碳纖維摻加會在試件內部產生偏聚而影響粘結效果，相應的抗凍脹剝落作用減弱[12]。綜合而言，當碳纖維長度為3 mm、碳纖維摻量為1%時，瀝青混合料的抗凍融劈裂效果最好，此時的凍融劈裂強度比會相對未添加碳纖維的試件高35%左右。

圖4為碳纖維長度為3 mm、碳纖維摻量為1%時碳纖維瀝青混合料的微觀形貌。可見，直徑為7 μm的碳纖維加入瀝青混合料中會均勻分散在混合料中，并沒有發現明顯偏聚現象，且碳纖維與瀝青相互粘結形成了網狀交織的結構。適量碳纖維的加入可以起到橋接集料的作用，自身強度較高的碳纖維可以協同瀝青混合料作用并抑制裂紋擴展[13]，在很大程度上會提高整體結構的穩定性；此外，在外加應力卸載時，具有良好彈性收縮性能的碳纖維還可以促使碳纖維瀝青混合料試件實現裂縫的自愈合[14]，即可以起到增強增韌和抑制裂紋擴展的作用。

(a) 碳纖維與瀝青交織

3 結論

a.碳纖維長度一定時，碳纖維摻量為1%時，瀝青混合料的動穩定度最大；在相同碳纖維摻量下，瀝青混合料的動穩定度在碳纖維長度為3 mm時達到最大值。

b.添加碳纖維的瀝青混合料的凍融劈裂強度比都要高于未添加碳纖維的試樣。在相同碳纖維摻量時，隨著碳纖維長度從1 mm增加至3 mm，瀝青混合料的凍融劈裂強度比先增加后減小；在相同碳纖維長度時，隨著碳纖維摻量從0.5%增加至1.5%，瀝青混合料的凍融劈裂強度比先增加后減小。

c.適量碳纖維的加入可以起到橋接集料的作用，自身強度較高的碳纖維可以協同瀝青混合料作用并抑制裂紋擴展，從而提高碳纖維瀝青混合料的整體結構穩定性，具有良好彈性收縮性能的碳纖維還可以促進碳纖維瀝青混合料實現裂縫的自愈合，起到增強增韌和抑制裂紋擴展的作用。