不同類型纖維瀝青膠漿性能試驗研究

李光偉,桑偉寧

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,合肥 230088)

纖維是一種經濟有效的添加劑,能在少量添加的情況下顯著提高瀝青混合料的各項性能[1]。在Jenq等[2]于20世紀90年代進行的比較研究中,聚酯纖維與聚丙烯纖維都能提高混合料的高低溫性能,防止路面開裂。張宏武[3]在高溫下的車轍實驗中發現,玄武巖纖維對瀝青路面材料的高溫抗變形能力具有顯著提升效果。楊盼盼[4]則通過兩種不同的加載模式進行疲勞加載試驗,結果發現玄武巖纖維能夠較好地提升SMA(瀝青瑪蹄脂-碎石混合料)及SUP(高性能瀝青混合料)類型瀝青路面的抗疲勞開裂能力。根據Batista等[5]對木質素改性瀝青膠漿的物理和化學性能的分析,木質素纖維能夠明顯改善瀝青膠漿的抗氧化性、抗老化性和高溫抗車轍性能,其中以6%的木質素瀝青膠漿改性效果最佳。

綜合以上研究成果,不難發現纖維是一種極具潛力的瀝青添加劑,可以顯著提高瀝青的多種性能,特別是在高溫和老化等惡劣環境下,其表現尤為出色。因此,有必要加強對纖維等高分子材料的研究和應用,以進一步提升瀝青的性能表現,推動可持續發展和生態保護的目標的實現。

1 纖維物理指標與微觀形貌

為了提高SMA瀝青混合料的耐久性和抗裂性等性能,往往會向瀝青混合料中添加纖維。雖然纖維在瀝青混合料中的比例很小,但對混合料的性能影響重大。選用了三種常用的纖維:聚酯纖維、木質素纖維和玄武巖纖維,并對它們的性能進行分析。

試驗使用產自四川的聚酯纖維、江蘇的木質素纖維和安徽的玄武巖纖維,其物理性能指標見表1。此外,使用熱場發射掃描電子顯微鏡對三種纖維的表面形態特征進行了觀察,如圖1所示。微觀狀態下聚酯纖維呈束狀形態,每根纖維之間緊密聯系,高倍數電鏡下可看出,聚酯纖維呈圓柱體,表面較為光滑。單根纖維表面有凹槽。木質素纖維呈網狀,相互之間交錯復雜。木質素纖維形態不規則。單根纖維的長短、粗細、形態有差異,有些纖維表面有破損,表面不光滑。單根玄武巖纖維呈圓柱狀,形態筆直,多根玄武巖纖維呈緊密束狀排列,單根玄武巖纖維表面呈折頁狀。

表1 纖維物理技術指標

2 纖維瀝青膠漿試驗

2.1 動態剪切流變試驗(DSR)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行DSR試驗。根據合肥市夏季氣溫,選定試驗溫度。合肥市近30年來,夏季最高溫度為41 ℃,鋼橋面溫度比氣溫高30～35 ℃,DSR試驗溫度取80 ℃。制作木質素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維瀝青膠漿及不同纖維混摻瀝青膠漿,用DSR試模制作直徑為24 mm的圓形試件,每組試驗成型2個試件。

將三種纖維分別作為填料與SBS改性瀝青形成瀝青膠漿,比較三種纖維的抗高溫性能。DSR試驗用抗車轍因子表征瀝青膠漿的抗高溫性能,其值越大,表明瀝青膠漿的抗高溫性能越好。將纖維的摻量均取為4.5%(占瀝青質量的百分比),每組試件取平均值,結果見表2。

表2 不同纖維瀝青膠漿DSR試驗結果

K=|G*|/sinδ

式中,K為高溫抗車轍因子,kPa;|G*|為復數剪切模量,Pa;δ為相位角,°。

實驗結果表明,不同類型的纖維摻入瀝青膠漿后,抗車轍因子會出現顯著差異。在摻纖維量為4.5%的情況下,聚酯纖維摻入后的瀝青膠漿抗車轍因子為7.569 kPa,是不摻纖維膠漿的2.7倍。而木質素纖維和玄武巖纖維的抗車轍因子分別只有聚酯纖維摻入膠漿抗車轍因子的55.9%和57.1%。

基于實驗結果,可以得出不同類型纖維摻入瀝青膠漿后抗車轍性能的大小順序為:聚酯纖維>玄武巖纖維>木質纖維 >原瀝青。聚酯纖維的抗車轍性能最佳,能將膠漿的抗車轍因子提高到較高的水平,而木質素纖維和玄武巖纖維的抗車轍因子相比聚酯纖維而言相對較低。

2.2 彎曲蠕變勁度試驗(BBR)

瀝青彎曲蠕變勁度試驗是用來測定瀝青膠漿在低溫條件下抗裂性能的一項重要試驗方法。該試驗的主要測試指標包括彎曲蠕變勁度和蠕變曲線斜率m。彎曲蠕變勁度反映了瀝青膠漿在低溫環境下的變形能力,其數值越大表明其低溫性能越差;而m值則反映了瀝青膠漿的應力釋放速度和松弛能力,數值越大表明其應力釋放速度越快,松弛能力越強[6]。

進行瀝青彎曲蠕變勁度試驗時,需要按照《規程》T—0627制作標準試件。試驗中,需要將試件置于恒定的低溫環境下,進行多次往復彎曲加載,以獲得其彎曲蠕變勁度和蠕變曲線斜率m的數據,得到瀝青膠漿在低溫環境下的變形能力和斷裂特性信息。

使用三種纖維制作瀝青膠漿(瀝青為SBS改性瀝青),纖維摻量均取4.5%,測試不同纖維瀝青膠漿的低溫性能,試驗結果見表3。

表3 不同纖維瀝青膠漿BBR試驗結果

由表3可以看出,三種不同類型的纖維瀝青膠漿在低溫條件下的性能表現不同,m值的大小關系為:木質素纖維>聚酯纖維>玄武巖纖維。瀝青膠漿的勁度大小關系為:木質素纖維<聚酯纖維<玄武巖纖維。木質素纖維瀝青膠漿的m值最大,勁度最小,低溫性能最好;而玄武巖纖維瀝青膠漿的低溫性能最差。可知,木質素纖維在低溫環境下具有較強的松弛能力,能夠防止瀝青膠漿在低溫下發生裂縫。

3 結 論

a.纖維膠漿DSR試驗中,纖維瀝青膠漿抗車轍因子最大的是聚酯纖維單摻,達到7.569 kPa,是不摻纖維瀝青膠漿的2.7倍,是木質素、玄武巖纖維瀝青膠漿的1.79倍、1.75倍,高溫性能最佳。

b.瀝青膠漿BBR試驗中,木質素纖維瀝青膠漿的m值最大,勁度最小,低溫性能最好;玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能最差。