考慮凍融循環的聚酯纖維瀝青混合料性能研究

李鈺, 劉金修, 李澤, 甄天宇

(1.新疆交通科學研究院有限責任公司, 新疆 烏魯木齊 830099;2.新疆交通投資(集團)有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000;3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安 710075)

聚酯纖維因其獨特的空間分布特性、加筋和橋接效應、較強的吸附作用,常被用于瀝青混凝土路面新建或養護工程,以解決普通瀝青路面常見病害(如車轍、開裂、龜裂、網裂等)[1]。為解決特殊地區如西北和東北高寒地區、南方高溫濕熱地區、北方高強度紫外線輻射地區路面病害區域性強、分布范圍廣、管養費用高的問題,須改善傳統瀝青混凝土的路用性能,提升道路使用品質。

有關在瀝青混合料中摻入聚酯纖維等復合材料改善其性能和路用指標的研究成果較多。在復合材料性能方面,纖維瀝青混合料中主要以纖維和瀝青為基材,通過嘗試不同纖維摻量和油石比梯度變化實現復合材料的增韌增黏效果,研究瀝青纖維復合體和纖維瀝青混凝土的材料特性[1-3],如瀝青纖維膠漿、最佳油石比、復合材料集料級配設計、纖維分散性和復合材料性能指標測試等[4-5]。在聚酯纖維摻量對單一或多場耦合作用下瀝青混合料性能的影響方面,文獻[6-7]認為瀝青混凝土路面多處于水分、溫度、除雪劑鹽溶液、荷載等單一、兩場或多場耦合作用下,不同纖維摻量和油石比對纖維瀝青混合料材料性能和使用性能的影響不同。在道路用纖維類型和尺寸效應方面,通過選定2種或以上常見路用纖維品種分別進行高低溫特性、抗疲勞和水穩定性等試驗,判定某一類型纖維對瀝青混合料材料性能不足的提升和改善效果[8-10],以斷裂韌性為優化指標,篩選出某項或多項性能指標改善的纖維尺寸。在試驗邊界條件和分析方法方面,采用數字圖像、掃描電子顯微鏡、紫外熒光圖像采集等技術手段和灰色關聯等數理統計方法分析纖維在瀝青混合料中的分散性、瀝青混凝土開裂機理、自愈合前后微觀形貌和斷裂性能等[6-7,9,11-13]。目前大多數研究僅針對纖維瀝青混合料的常規性能指標,對凍融循環作用下摻配聚酯纖維的瀝青混合料性能的劣化機理、變化規律與常規試驗條件下性能指標的對比分析較少。本文研究凍融循環條件下不同聚酯纖維摻量瀝青混合料的高低溫性能、水穩定性等的變化,確定瀝青混合料中聚酯纖維最佳摻量與最佳油石比,分析聚酯纖維瀝青混合料的性能指標在凍融循環作用下的衰減規律和裂化機理,為寒旱區特殊氣候條件下纖維瀝青混合料設計及應用提供參考。

1 原材料及配合比設計

1.1 試驗原材料

(1) 瀝青。基質瀝青采用SK90#,其各項技術指標均滿足規范要求(見表1)。

表1 SK90#基質瀝青的性能指標

(2) 集料。粗、細集料均采用石灰巖,其各項技術指標均滿足規范要求(見表2、表3)。

表2 粗集料的性能指標

表3 細集料的性能指標

(3) 礦粉。礦粉由石灰巖磨制而成,其各項技術指標均滿足規范要求(見表4)。

表4 礦粉的性能指標

(4) 纖維。本文研究聚酯纖維對瀝青混合料性能的影響。所用聚酯纖維為白色,安全無毒,其各項技術指標均滿足規范要求(見表5)。

表5 聚酯纖維的性能指標

1.2 配合比設計

采用AC-16型級配,合成級配滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求(見表6)。

表6 AC-16級配設計

2 試驗方案

為研究聚酯纖維摻量對瀝青混合料性能的影響機理和凍融循環條件下混合料的損傷劣化特性,選擇5種聚酯纖維摻量,分別為0.0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%,通過馬歇爾試驗確定不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比,評價指標包括抗凍融循環性能、高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩定性。

凍融試驗開始前將所有試件進行抽真空處理,向裝有試件的密封塑料袋中注入30 mL水,置于-20 ℃低溫冷凍箱中凍結12 h,再將其置于30 ℃恒溫水浴中保溫12 h,此為一次凍融循環。每4次循環作為一個試驗周期,分別采用0、4次、8次、12次、16次、20次凍融循環為試驗周期,每個試驗周期完成后將試件靜置于環境箱中保溫備用。

采用MTS810萬能試驗機對不同聚酯纖維摻量、不同凍融循環次數的小梁試件(200 mm×30 mm×35 mm)進行低溫彎曲試驗,環境箱溫度控制精度為±0.1 ℃,小梁彎曲試驗溫度為20 ℃,以軸向位移控制,加載速率為2 mm/min。

3 試驗結果與分析

瀝青混合料的油石比隨著外加劑摻量的變化而變化,不同摻量聚酯纖維與瀝青結合后形成的瀝青膜厚度不同,產生的自由瀝青的富余度直接影響纖維瀝青膠漿與集料的嵌鎖和吸附效應,進而反映在瀝青混合料內部細微觀缺陷,最終導致宏觀性能不斷劣化和損傷度增加。通過試驗確定聚酯纖維摻量為0.0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.0%、5.1%、5.4%、5.6%。各項試驗均在最佳油石比下進行。

3.1 高溫抗車轍性能

采用動穩定度評價聚酯纖維摻量對瀝青混合料高溫抗車轍變形能力的影響,試驗結果見圖1。

圖1 瀝青混合料高溫抗車轍性能與聚酯纖維摻量的關系

由圖1可知:1) 摻加0.1%、0.2%、0.3%、0.4%聚酯纖維,瀝青混合料的動穩定度分別增加5.1%、25.9%、21.6%、12.8%,瀝青混合料高溫抗剪切變形能力有不同程度的提升。2) 隨著聚酯纖維摻量的增加,瀝青混合料動穩定度呈先增大后降低的趨勢,聚酯纖維摻量為0.2%左右時,瀝青混合料的動穩定度出現峰值(3 512 次/mm)。聚酯纖維摻量小于0.2%時,由于瀝青用量較小,摻入有效比表面積較大的聚酯纖維吸附了集料的部分瀝青,導致石料表面瀝青膜有效厚度不足,混合料的各向隨機流變性降低,表現為高溫條件下車轍深度大、剪切速率快;聚酯纖維摻量超過0.2%時,瀝青混合料中除富余的自由瀝青與部分纖維在瀝青膠漿中均勻分散形成縱橫交錯的空間網狀結構外,剩余的部分纖維在混合料中難以均勻分散,局部團聚較多對集料間吸附和黏合效應起到削弱作用,導致瀝青流動性增強、混合料高溫抗滑移性能降低。

3.2 低溫抗裂性能

采用極限彎拉強度、彎曲破壞應變和彎曲勁度模量評價不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗結果見圖2。

圖2 瀝青混合料低溫抗裂性能與聚酯纖維摻量的關系

由圖2可知:1) 聚酯纖維摻量低于0.2%時,瀝青混合料的極限彎拉強度、彎曲破壞應變和彎曲勁度模量隨纖維摻量的增加而增大;聚酯纖維摻量超過0.2%時,三項性能指標隨纖維摻量的增加而減小。優良的低溫抗裂性能對應的最佳聚酯纖維摻量為0.2%。瀝青混合料中摻入適量聚酯纖維后形成的纖維瀝青復合膠漿除部分裹覆在集料表面外,其余瀝青填充集料空隙,成型的聚酯纖維瀝青混凝土賦予了材料較強的低溫柔韌性和自愈合能力,在較低溫度下也能保持一定的變形自適應能力和較高的抗彎拉強度,對于增強瀝青路面低溫抗裂性能、減少溫縮裂縫和防止反射裂縫起到積極作用。2) 聚酯纖維摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%時,瀝青混合料的抗彎拉強度分別提高7.5%、12.4%、8.6%、5.3%,極限彎曲應變增加3.2%～7.6%,聚酯纖維有助于改善低溫條件下瀝青混合料易開裂的特性。

3.3 水穩定性

采用馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比評價不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的水穩定性,試驗結果見圖3。

圖3 瀝青混合料水穩定性與聚酯纖維摻量的關系

由圖3可知:1) 摻加聚酯纖維的瀝青混合料的馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比均增大,摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%時,馬歇爾殘留穩定度分別增加2.4%、2.2%、1.5%、0.4%,凍融劈裂強度比分別提高2.9%、3.2%、1.1%、0.5%。2) 隨著聚酯纖維摻量的增加,馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比總體呈先增大后減小的趨勢,摻量為0.15%～0.2%時出現峰值。單純從水、溫度、荷載的某一方面評價瀝青混合料的水穩特性失之偏頗,研究多場耦合作用下水穩定性指標更客觀、更貼合實際情況。聚酯纖維的添加有利于瀝青復合膠漿充分填隙,降低瀝青混合料空隙率,減少進入瀝青混合料內部的水分。此外,聚酯纖維的加筋作用使瀝青質具備更寬的高低溫上下限閾值,有利于發揮其自愈合特性,在荷載作用下,凍融試驗中試件空隙的水冰相變體積膨脹產生的附加應力對纖維瀝青混合料空隙內壁的擠壓效應有所削弱,聚酯纖維的加筋和橋接作用的充分發揮對提高集料與瀝青之間抗剝落能力和改善瀝青混合料的水損害性能的效果顯著。

3.4 抗凍融循環性能

采用彎曲破壞應變評價不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的抗凍融循環性能,試驗結果見圖4。

圖4 瀝青混合料抗凍融循環性能與聚酯纖維摻量的關系

由圖4可知:1) 凍融循環次數與彎曲破壞應變呈負相關關系,凍融循環次數超過12次時,彎曲破壞應變下降速率降低并逐漸趨于穩定。2) 聚酯纖維摻量為0.15%～0.25%時,不同凍融循環次數下混合料的極限彎曲應變達到峰值。摻量為0.4%時有個別點呈增大趨勢,可能是由于不屬于同一批次制備的試件,在混合料拌和、車轍板成型、小梁試件切割等階段存在內、外部缺陷導致試件力學特性差異,但不影響試驗結果的總體演化趨勢。在損傷初期,混合料內部產生的凍融空隙、微裂縫受壓閉合或發展滯后,當彎曲破壞應變達到材料損傷破壞閾值(凍融持續循環12次)時,聚酯纖維瀝青混合料內部缺陷逐漸發展、裂縫擴展直至試件斷裂破壞。聚酯纖維摻量超過0.2%時,瀝青混合料內部空隙因瀝青用量增加而減小,由水冰相變產生的膨脹力急劇下降,低于聚酯纖維膠漿-集料黏結力失效閾值時,試件的彎曲破壞不受凍融循環形成的凍脹壓力控制,演化機理上表現為纖維瀝青混合料凍融損傷衰減速率逐漸降低并趨于平緩。

4 結論

(1) 聚酯纖維摻量為0.2%左右時,表征瀝青混合料高溫抗車轍性能的動穩定度出現峰值(3 512 次/mm),低溫抗裂評價指標中抗彎拉強度提高12.4%、極限彎曲應變增加7.6%、彎曲勁度模量超過2 670 MPa,水穩定性指標中馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別提高2.2%、3.2%。

(2) 摻加聚酯纖維的瀝青混合料的路用性能指標和凍融損傷性能總體呈先增大后減小的趨勢,聚酯纖維摻量為0.2%左右、凍融循環次數為12次時,彎曲破壞應變出現峰值,抗凍融性能最佳。

(3) 聚酯纖維瀝青混合料的彎曲破壞應變與凍融循環次數呈負相關關系,凍融循環次數超過12次時,彎曲破壞應變下降速率變小并逐漸趨向穩定。

本文對聚酯纖維瀝青混合料凍融循環的研究主要集中在彎曲破壞應變指標方面,缺乏對不同聚酯纖維摻量對低溫彎曲勁度模量與彎拉破壞應力的影響、聚酯纖維瀝青混合料凍融疲勞壽命和細微觀結構力學等方面的研究,有待進一步研究,以全面把握聚合物瀝青混合料的材料特性和使用性能。