聚酯纖維排水性瀝青混合料水穩定性探究

王偉(浙江榮通化纖新材料有限公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

在混合料中摻入聚酯纖維能夠改善其路用性能，降低水的侵蝕、冷凍等災害對路面的影響，從而提升材料穩定性[1]。自從20世紀90年代起，國內學者不斷加大聚酯纖維瀝青混凝土探究力度，并且已運用到等級高的公路施工實踐中。但是對于聚酯纖維排水性瀝青混合料而言，如何兼顧其強度、耐久性、水穩定性等，還需要進一步的研究。文章從實驗研究的角度出發，分析影響其水穩定性的因素，并且探討其路面應用效果，期望為相關研究提供參考。

1 實驗方案設計

1.1 排水性瀝青混合料性能

排水性瀝青混合料路面具有以下特征：(1)排水性好，聚酯纖維排水性瀝青混合料的設計孔隙率較大，在路面運行過程中，地表降水能夠通過多孔表層，經過表層下的側孔排出 ，從而消除路面的水花，減少路面水花造成的影響；(2)降低路面噪音，滾動輪胎和路面泵吸作用、汽車引擎震動等是引發路面噪音的主要因素，排水性瀝青混合料的多孔性能夠消除泵吸作用[2]，從而起到降低噪音的作用，其中以孔隙率為15%～25%區間的混合料的降噪性能最佳；(3)抗滑性，汽車在路面行駛時，車輪下的雨水會對車輪產生反向推動力，從而引發車輪打滑，排水性瀝青路面可以減少表面積水，該種材料具有較好的抗滑性能；(4)安全性，排水性瀝青混合料能夠改善行車環境，減少不安全因素，從而提升路面行車安全。

1.2 試驗方案選擇

文章的研究主要是將聚酯纖維摻入排水性瀝青混合料中，分析聚酯纖維排水性瀝青混合料的性能，對于其水穩定性、強度的因素進行分析，從而獲得具有較強的水穩定性的聚酯纖維排水性瀝青混合料，并且分析其路用性能[3]。為了分析聚酯纖維摻入排水性瀝青混合料的性能，選擇不同的聚酯纖維摻入量，分別 選 擇0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%的聚酯纖維，分析不同的摻入量所得到的混合料性能。同時對比其他類型的混合料進行對比研究，分析其水穩定性進行相關研究。通過對比分析，研究最佳水穩定性強度小的級配比，分析其路面應用情況。

2 原材料試驗

2.1 瀝青選擇

分別選用SBS改性瀝青、高粘瀝青和高強瀝青作為排水性瀝青混合料的膠結料進行分析，選擇真空減壓毛細管法測試動力黏度，同時分析其負數剪切黏度，分析不同瀝青的情況。通過研究顯示，高粘瀝青軟化點高，60 ℃動力黏度最強；高強瀝青黏韌性值很大；SBS改性瀝青廣泛應用于高速公路路面，其60 ℃的動力黏度介于高強瀝青和高粘瀝青之間，相對而言，綜合效果最佳 。經過比對，最終選擇SBS改性瀝青作為膠結料。

2.2 集料級配

為了保證排水性瀝青混合料微觀紋理良好，具有耐久性和抗滑性能，需要選擇穩定性高、不易磨光的集料。粗集料如果太軟，會造成混合料破碎，影響混合料級配。為了保證排水性瀝青混合料性能，需要選擇合適的集料。根據CJJ/T190—2012《透水瀝青路面技術規程》，本研究選擇石灰巖作為集料，將石灰巖磨細后得到礦粉，摻入其中的礦粉必須干燥、清潔，占集料百分比為4%。聚酯纖維用量為0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%，聚酯纖維指標選擇技術規范的要求。

2.3 材料用量

按照下列公式計算初始瀝青用量，選擇瀝青厚度為14 μm：

式(1)和(2)中：Ph為瀝青初始用量；h為瀝青膜厚；A為集料總表面積；a、b、c、d、e、f、g分別為不同篩孔下的通過率。根據該公式進行計算，初始瀝青用量為5%，選擇以0.5%作為瀝青變量。通過對4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%等瀝青用量的混合料加以剖析，確定最理想的瀝青使用數量。經過測試研究對比，數據顯示，聚酯纖維摻量0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%的最佳瀝青用量分別為4.9%、5.0%、5.1%、5.2%、5.3%。

2.4 測試研究

對排水瀝青混合料開展凍融劈裂實驗剖析。首先根據不同的聚酯纖維摻入量制備得到馬歇爾試件，不同摻入量制備得到8個試件，分別分為對照組和實驗組，以馬歇爾試件作為凍融劈裂試驗分析的材料。對照組的馬歇爾試件選擇常溫保存備用，經過在25 ℃恒溫水中放置2 h后，開展劈裂試驗。這次探究將凍融劈裂件作為實驗樣品，對其進行凍融循環，之后放在溫度為25 ℃并且不會變化的水槽中實施劈裂實驗。通過凍融劈裂試驗分析其水穩定性，從而分析最佳水穩定性時的聚酯纖維摻入量 。凍融劈裂試驗分析的儀器為北京航天科宇公司的SYD-0713型瀝青混合料單軸試驗機，該儀器的分辨率為0.01 kN，機動速率為50 mm/min，量程為100 kN，能夠滿足測試的需求。

3 測試結果與分析

3.1 凍融劈裂試驗分析結果

依照要求操控儀器，每一組試驗四個試件，最后得出的凍融劈裂試驗結果如表1所示。

從表1的數據可以看出，常溫聚酯纖維0.45%以下時，劈裂抗拉強度隨著聚酯纖維含量增加而增大，而當聚酯纖維含量超過0.45%時，劈裂抗拉強度有所降低，整體呈現先增大后減小的趨勢。產生這種現象的原因是由于聚酯纖維具有較大的比表面積和吸附性，增加聚酯纖維含量，能夠提升聚酯纖維吸附瀝青飽和烴和芳香烴的作用，從而提升瀝青的粘接性，提升劈裂抗拉強度。由于聚酯纖維抗拉強度很大，因此其含量增大，能夠在混合料中起到加筋和橋聯的作用，從而增強其劈裂抗拉強度。但是當聚酯纖維量超過一定量，導致聚酯纖維無法在瀝青中均勻分布，部分聚酯纖維纏結成為團狀結構，導致聚酯纖維分布不均勻，從而導致劈裂抗拉強度降低。

表1 凍融劈裂試驗結果

比較凍融與常溫形態下的混合料劈裂抗拉強度可以知道，通過凍融循環之后，劈裂抗拉強度顯著下降。由于凍融循環需要將試件經過真空保水，因此水分進入混合料內部，產生凍脹作用。在凍融作用下，會導致瀝青變脆，混合料出現微裂紋，從而劈裂強度降低。凍融后的試件經過常溫水浴2 h，水進入集料和瀝青界面，也會進一步降低瀝青表面粘附力，從而降低其劈裂抗拉強度。

3.2 水穩定性分析

聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉水平是依托水損害發生之前、發生之后與凍融之前、凍融之后抗拉強度的比較數值，能夠用以剖析混合料的水穩固性。由于聚酯纖維排水性瀝青混合料的孔隙率較高，在水侵蝕的作用下，容易對路面結構造成損害，因此該路面結構對于水穩定性要求較高。對于聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融劈裂強度進行分析，對比不同比例的聚酯纖維含量的強度，能夠分析摻入量對于水穩定性的影響，從而選出最佳配比的混合料。

對聚酯纖維排水性瀝青混合料的凍融抗拉強度的分析顯示，聚酯纖維含量在0.35%以下時，凍融抗拉強度隨著聚酯纖維含量增加而提升；含量在0.35%以上時，其凍融抗拉強度隨著含量增加而降低。聚酯纖維達到0.35%的時候，其凍融抗拉強度比達到最大值，說明該含量下混合料能夠抵御水侵蝕的作用，水穩定性較高。聚酯纖維能夠增強排水性瀝青混合料的水穩定性，但是當聚酯纖維含量增加時，由于其具有吸水性，加入聚酯纖維后排水性瀝青混合料不容易被壓實，其孔隙率增大，反而影響其水穩定性。

3.3 數據分析

經過探究可知，常溫狀態下的聚酯纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度在聚酯纖維占比為0.45個百分點的時候達到最高數值，為0.77 MPa。在進行了凍融循環之后，劈裂抗拉強度在聚酯纖維占比為0.35個百分點的時候強度數值能夠高達82.8%，這種含量情況下混合料水穩定性達到理想數值。

4 聚酯纖維排水性瀝青混合料路用性能研究

排水性瀝青混合料大范圍運用到路面項目中，添加了聚酯纖維的混合料，具有強大的水穩定性，探究其如何運用到路面施工中有一定實踐價值。

4.1 SBS改性瀝青路用性能

本設計所探究的排水性瀝青混合料的混合料級配A2，依據該種混合料的設計過程展開探究。經過研究顯示，選擇SBS瀝青作為混合料，排水功能能夠滿足路用要求。但是SBS瀝青制備的混合料在耐久性、水穩定性和抗磨耗性方面有所不足。對SBS改性的排水性瀝青混合料進行深入探究可知，混合料凍融劈裂強度較小，水穩定性也不理想；而且在荷載作用下，容易發生脫落、松散等情況，表明其穩定性不足，加工容易引發飛散損失；由于SBS改性瀝青的黏度較低，無法對石料進行完全包裹，會影響其耐久性。為了改善SBS改性瀝青的路用效果，需要摻入集料改善混合料的性能。

4.2 石灰巖粉末瀝青混合料性能

在文章的研究中，摻入石灰巖粉末作為填料，有效改善瀝青的高溫穩定性。相關研究表明，石灰巖粉末穩定性強、耐高溫、經濟適用，而且其強度大于水泥，將其摻入瀝青混合料中，能夠有效提升其耐高溫能力，并且增強其力學穩定性。

文章選擇加入質量占比4%的石灰巖粉末，研究顯示，加入石灰巖粉末后，混合料的孔隙率保持不變，仍然具備良好的排水功能。相比于SBS改性瀝青，加入石灰巖粉末后，抗飛散能力加強，飛散損失明顯減少。對加入石灰巖粉末后的瀝青混合料的抗凍劈裂強度、耐高溫性能和抗車轍性能進行分析，研究顯示低溫抗劈裂強度有所提升，抗車轍性能有所提升，抗高溫性能改善明顯。因此對于夏季高溫多雨的地區，重載車輛多、車轍容易致使路面發生變形，加入適量的石灰巖粉末，能夠提升路面抗車轍能力，提升路面穩定性。

4.3 聚酯纖維瀝青路用性能

SBS改性瀝青制作的瀝青混合料雖然排水性較好，摻入石灰巖粉末能改善其高溫穩定性，但是在攤鋪時容易造成集料離析，產生其他病害作用。從20世紀80年代開始，歐美國家將纖維用于改善瀝青混合料的路用性能。纖維穩定劑可以起到加筋、分散、吸附瀝青和穩定的作用，以此吸附瀝青，提升混合料的粘接力，并且將瀝青礦粉均勻分散在集料之中，從而提升混合料的穩定性，增強其耐久性。常用的纖維材料有木質素纖維、礦物纖維和聚合物纖維等，木質素纖維容易吸收過量瀝青，導致成本增加，而且吸水后容易老化變形，使用價值較低。相比較而言，聚酯纖維成本低、吸附性能好，可用于改善瀝青混合料性能。

在文章的研究中，加入聚酯纖維后，排水性瀝青混合料的性能明顯改善，主要體現在以下方面：(1)孔隙率有所下降，對排水性瀝青混合料的孔隙率進行研究，表明加入聚酯纖維后的混合料孔隙率下降1.0%左右，但是依然滿足排水性瀝青的要求，排水能力并沒有明顯下降；(2)混合料析漏損失降低，加入聚酯纖維后，排水性瀝青最佳瀝青用量明顯提升，其析漏損失明顯降低，表明聚酯纖維能夠提升瀝青油膜厚度，提升混合料耐久性；(3)水穩定性顯著加強，凍融系列實驗與浸水飛散實驗證明，添加聚酯纖維之后，排水性瀝青混合料的水穩定性大幅提升，證明聚酯纖維可以在很大程度上改變混合料的抗水毀壞水平，提高水穩定性程度；(4)低溫抗裂性能，通過凍融循環試驗，研究表明加入聚酯纖維后，排水性瀝青的低溫抗裂性能明顯增強，可以提升路面抗寒能力；(5)提升動穩定度，加入聚酯纖維能夠提升排水性瀝青混合料的動穩定度，但是由于混合料中粗集料較多，孔隙率較大，因此動穩定度改善并不明顯；(6)聚酯纖維只能包裹粗集料，在交接、搭接方面所起的作用較小，而且聚酯纖維分散，擴大粗集料和細集料的接觸面積，因此有助于改善其抗高溫性能。

5 結語

文章研究顯示，聚酯纖維排水性瀝青混合料的水穩定性提升，而且耐久性和抗寒能力也有所提升。但是混合料的水穩定性并不是單純的隨著聚酯纖維含量增加而增加，而是在聚酯纖維到達一定含量之后，隨著聚酯纖維含量增加，水穩定性反而降低。因此需要控制聚酯纖維的含量，加入合適的聚酯纖維，從而形成穩定的骨架結構，并且采取有效的措施，進一步提升混合料的路用性能，改善混合料路用效果，為車輛出行提供良好的路面環境。