聚酯纖維瀝青混合料路用性能的研究

陳紹帆

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建廈門(mén) 361000）

0 引言

瀝青混合料是近年來(lái)公路項(xiàng)目中的常用材料，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升，各地區(qū)的交通量持續(xù)增加，長(zhǎng)此以往，瀝青路面在反復(fù)應(yīng)用下逐漸產(chǎn)生了坑槽、裂縫等問(wèn)題。聚酯纖維作為有機(jī)纖維，理化性質(zhì)較為穩(wěn)定，在-40℃～250℃的環(huán)境中，聚酯纖維都不會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)、收縮等變化。聚酯纖維在瀝青混合料中的主要作用是抗疲勞、加筋、增黏，改善瀝青混合料的路用性能。將其應(yīng)用在公路瀝青路面中，能夠增強(qiáng)瀝青混合料的抗高溫、耐低溫能力，強(qiáng)化瀝青混合料的柔韌性，降低路面受損的風(fēng)險(xiǎn)，從而保障公路瀝青路面的整體質(zhì)量。但是，發(fā)揮聚酯纖維在瀝青混合料路用時(shí)的根本優(yōu)勢(shì)，還需合理地控制聚酯纖維的摻入量，優(yōu)化瀝青混合料路用時(shí)的施工設(shè)計(jì)方案。

1 試驗(yàn)方案

選擇SMA-13 瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)研究。原材料采 用SBS(I-D)改 性 瀝 青、礦 粉、0～5mm 石 屑、5～10mm 和10～15mm 碎石、6mm 聚酯纖維。經(jīng)檢測(cè)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）規(guī)定的質(zhì)量要求。根據(jù)各礦料篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)、馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定各礦料配比及其合成級(jí)配。確定的礦料合成級(jí)配如圖1 所示。

圖1 SMA-13 瀝青混合料的級(jí)配曲線

在此基礎(chǔ)上，首先，通過(guò)調(diào)整瀝青用量，并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定瀝青混合料的最佳油石比。最佳油石比確定為6.4%。其次，分別按照0.1%、0.25%、0.4%的聚酯纖維摻入量摻入SMA-13 瀝青混合料，確定摻入聚酯纖維后瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)參數(shù)。配置材料時(shí)，做好瀝青混合料的拌和工作，保證瀝青混合料的配制質(zhì)量。最后，通過(guò)不同聚酯纖維摻入量的瀝青混合料性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，研究其對(duì)瀝青混合料路用性能的影響[1]。

2 路用性能研究

基于聚酯纖維瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)瀝青混合料路用性能的改善要求，結(jié)合當(dāng)前公路項(xiàng)目所在地區(qū)（福建）雨量充沛、夏季炎熱的氣候特征，分別從水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性能、抗疲勞性能入手，研究聚酯纖維摻入瀝青混合料后的路用性能。

2.1 水穩(wěn)定性能

2.1.1 改善效果

在瀝青混合料路用性能中，水穩(wěn)定性能具體指瀝青混合料的抗水損害性能。在公路項(xiàng)目中，瀝青路面上水的表現(xiàn)形式包括毛細(xì)水、沖擊水兩種。降雨、車(chē)輪的反復(fù)沖擊都會(huì)破壞瀝青混合料的表層瀝青膜，使其逐漸剝落，甚至對(duì)內(nèi)部瀝青材料產(chǎn)生乳化作用，降低瀝青混合料的黏附功能，影響公路質(zhì)量。為明確不同聚酯纖維摻入后，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能的實(shí)際影響，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1 可知，摻入0.1%～0.4%的聚酯纖維后，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度均得到了提升。隨著聚酯纖維的摻入量逐漸增多，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度均會(huì)先持續(xù)增大，后逐漸減小。當(dāng)聚酯纖維的摻入量為0.25%時(shí)，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度處于最大值。所以摻入聚酯纖維后可改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，在聚酯纖維摻入量為0.25%時(shí)，改善效果最佳。

2.1.2 改善原理

聚酯纖維在保持低摻入量的基礎(chǔ)上，對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能有著比較顯著的改善作用，主要原理可體現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）相對(duì)于普通的瀝青集料，聚酯纖維的親油性更強(qiáng)。摻入聚酯纖維后，瀝青膜的厚度增加，且聚酯纖維和瀝青膜共同附著在瀝青集料表層，避免雨水、車(chē)輪沖擊后剝離瀝青膜。

（2）聚酯纖維的本質(zhì)是一種高分子的聚酯化合物，疏水性較強(qiáng)，能夠減少瀝青混合料路用后水的滲入量，從而預(yù)防瀝青膜剝離。

（3）聚酯纖維通過(guò)橋接、加筋的方式，分散瀝青混合料承擔(dān)的外部作用力，使其保持穩(wěn)定狀態(tài)。但大量摻入聚酯纖維，會(huì)導(dǎo)致瀝青和石料無(wú)法充分接觸，影響混合料的水穩(wěn)定性能。因此，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)，確定聚酯纖維的摻入量，明確瀝青混合料水穩(wěn)定性能最優(yōu)時(shí)的聚酯纖維的用量[2]。

2.2 高溫穩(wěn)定性能

2.2.1 性能分析

瀝青混合料屬于黏彈性材料。在公路項(xiàng)目中，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能是指瀝青結(jié)構(gòu)在溫度、荷載的持續(xù)影響下依然能夠保持穩(wěn)定、不變形的能力。具有高溫穩(wěn)定性能的瀝青混合料，汽車(chē)荷載、高溫都不會(huì)對(duì)公路瀝青路面產(chǎn)生高溫?fù)p害，留下車(chē)轍。

公路瀝青路面車(chē)轍病害的產(chǎn)生可分為三個(gè)階段：

（1）在瀝青路面上方車(chē)輪荷載的作用下，瀝青混合料的骨架重新組合，并被反復(fù)壓實(shí)。

（2）在高溫環(huán)境下，瀝青變軟，且對(duì)內(nèi)部骨架沒(méi)有較強(qiáng)的約束力，導(dǎo)致混合料自主流動(dòng)，引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題。

（3）持續(xù)的荷載使瀝青混合料內(nèi)的材料被擠壓，被迫滑動(dòng)，同時(shí)骨架部位破壞后被壓碎，繼而形成車(chē)轍。

2.2.2 改善效果

在分析聚酯纖維對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的改善效果時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)基于路用性能的試驗(yàn)檢測(cè)，評(píng)估摻入聚酯纖維后，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的變化情況。常用的試驗(yàn)方法包括車(chē)轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、彎曲蠕變?cè)囼?yàn)等。其中車(chē)轍試驗(yàn)的操作更為簡(jiǎn)單，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境、流程的要求不高，不受空間限制，且結(jié)果更為直觀[3]。

試驗(yàn)方法是按照聚酯纖維、瀝青混合料的不同配比設(shè)計(jì)，制作車(chē)轍試驗(yàn)樣品，樣品規(guī)格約為300mm×300mm×50mm。樣品制成后需養(yǎng)護(hù)24h，然后在溫度環(huán)境為60℃時(shí)，在0.7MPa±0.05MPa 的試驗(yàn)輪壓強(qiáng)下，以42 次/min±1 次/min 的往返速度對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行碾壓。在碾壓過(guò)程中，持續(xù)記錄試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)的變形情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2 可知，聚酯纖維的摻入量在0.1%～0.4%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有所提升，且當(dāng)聚酯纖維的摻入量為0.25%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的提升效果最為明顯。另外，摻入不同量的聚酯纖維后，瀝青混合料在45min、60min 的變形量明顯降低。在瀝青混合料中摻入聚酯纖維后，公路瀝青路面具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性能，可以有針對(duì)性地控制公路的車(chē)轍深度。

2.3 抗疲勞性能

在瀝青混合料的路用性能中，抗疲勞性能是指瀝青路面處于極限抗拉強(qiáng)度狀態(tài)、外部荷載反復(fù)作用下的對(duì)抗能力。具有良好抗疲勞性能的瀝青混合料，在使用期間不會(huì)因溫度、車(chē)輛荷載而出現(xiàn)內(nèi)損傷。可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗疲勞性能的試驗(yàn)指標(biāo)有應(yīng)力水平、疲勞壽命、彎曲勁度模量等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同聚酯纖維摻入量瀝青混合料的抗疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3 可知，聚酯纖維摻入瀝青混合料后，瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)明顯增加。聚酯纖維的摻入量為0.1%時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)提高至120%，摻入量為0.25% 時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)提高至170%，摻入量為0.4%時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)提高至132%，極大改善了抗疲勞性能。聚酯纖維的摻入量不同時(shí)，彎曲勁度模量的變化會(huì)歷經(jīng)兩個(gè)階段：其一，彎曲勁度模量急速降低。其二，彎曲勁度模量緩慢減少，直到變化接近至初始值的一半。當(dāng)聚酯纖維的摻入量為0.25%時(shí)，彎曲勁度模量的減速會(huì)處于較佳狀態(tài)，表示瀝青路面的抗疲勞性能表現(xiàn)良好。原因在于瀝青混合料在反復(fù)接受循環(huán)荷載后，材料內(nèi)部存在微孔、錯(cuò)位曲線，導(dǎo)致彎曲勁度模量快速下降。在加入聚酯纖維后，瀝青混合料的材料用量變多，各類(lèi)基礎(chǔ)缺陷變少，使瀝青混合料在循環(huán)荷載狀態(tài)下，彎曲勁度模量的下降速度減緩。在此過(guò)程中，聚酯纖維能夠預(yù)防瀝青混合料中的裂縫、基礎(chǔ)缺陷問(wèn)題，還能夠促進(jìn)瀝青混合料自愈，使其在荷載轉(zhuǎn)移后逐漸恢復(fù)[4]。

3 路用要點(diǎn)

溫度和壓實(shí)度是聚酯纖維瀝青混合料路用效果的重要影響因素。在應(yīng)用聚酯纖維改善瀝青混合料的路用性能時(shí)，應(yīng)明確瀝青混合料的溫度控制要點(diǎn)，規(guī)范混合料的壓實(shí)流程。

其一，瀝青混合料拌和時(shí)，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致瀝青流動(dòng)性升高，使其內(nèi)部黏度下降，容易產(chǎn)生較大的空隙率。溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的凝結(jié)速度過(guò)快，黏度增加，從而損傷瀝青混合料的穩(wěn)定性能。因此，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)聚酯纖維的技術(shù)指標(biāo)、材料機(jī)理，控制瀝青混合料拌和時(shí)的溫度。正式摻入聚酯纖維時(shí)，還應(yīng)利用風(fēng)送設(shè)備使其保持蓬松疏散的狀態(tài)，然后直接用鼓風(fēng)機(jī)將其轉(zhuǎn)移到瀝青混合料的攪拌鍋內(nèi)，與粗集料干拌35s 左右后，分別加入瀝青、礦粉，攪拌時(shí)間約為90s。

其二，壓實(shí)聚酯纖維瀝青混合料。首先，施工人員需要用雙鋼輪壓路機(jī)前、后初壓1 遍，然后用雙鋼輪壓路機(jī)復(fù)壓5 遍±1 遍，終壓2 遍。在此過(guò)程中，施工人員應(yīng)重點(diǎn)控制聚酯纖維摻入后的壓實(shí)遍數(shù)，降低瀝青混合料的空隙率，保證瀝青混合料的壓實(shí)效果。避免在聚酯纖維摻入瀝青混合料后，碾壓不到位，導(dǎo)致聚酯纖維因?yàn)r青裹覆而混亂分布，形成纖維骨架后出現(xiàn)內(nèi)部空隙。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，聚酯纖維可以有效地改善瀝青混合料的路用性能，但在正式投入使用時(shí)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)分析不同摻入量對(duì)瀝青混合料路用性能造成的影響，并結(jié)合瀝青路面的技術(shù)指標(biāo)、施工參數(shù)以及實(shí)際成本要求，合理選擇聚酯纖維，科學(xué)配制路用材料，同時(shí)嚴(yán)格控制各施工環(huán)節(jié)的工藝流程，完善公路瀝青路面的整體性能。