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杂化纤维与高模量剂复合改性宽温域薄层罩面沥青混合料性能研究

SBS与不同掺量废胶粉复合改性多孔沥青混合料性能评价
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引言

为了满足极端气候条件下重载、渠化交通对沥青混合料高低温和疲劳性能的特殊要求,道路工作者探索了多种改善沥青混合料综合路用性能的技术途径,其中在沥青混合料中掺加纤维是国内外已获成功的一种方法。纤维加强沥青路面以其较好的高低温性能、施工技术方便的特点已受到了普遍的关注,纤维及杂化纤维改性沥青混合料的最佳纤维掺配比例、杂化纤维改性沥青混合料路用性能及路用性能改善措施一直是国际学术界、工程实践中关注和研究的热点。目前国内使用的纤维种类众多,应用较为普遍的有木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、海泡石纤维、玻璃纤维等,不同种类纤维对沥青混合料路用性能改善效果侧重点不同,一般而言纤维对沥青混合料性能的改善作用单一且价格差异较大,在此背景下,多维杂化纤维的研发显得迫切起来。武汉理工大学吴少鹏等人研究了木质素和聚丙烯纤维混合纤维对沥青混合料路用性能的增强效果,结果表明混杂纤维能够显著改善沥青混合料的低温性能和提高沥青路面的抗反射裂缝能力。长安大学郝培文等人基于直接剪切试验优化了木质素、聚酯纤维、玄武岩纤维共混纤维中的纤维掺配比例,采用室内路用性能试验验证了最佳纤维掺配比例的合理性,推荐总纤维掺量为0.3%时木质素、聚酯、玄武岩纤维的掺配比例为1∶2∶2,增大玄武岩纤维掺量可显著改善复合纤维改性沥青混合料的高温性能。重庆交通大学张正明等人将木质素纤维和聚酯纤维按照不同比例进行复配,基于路用性能和经济性分析确定了纤维的最佳掺配比例。吉林大学高慧婷等研究了聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质素纤维复合改性沥青混合料的低温抗裂性能。东南大学倪富健等研究了玄武岩纤维对木质素、聚酯纤维复合改性沥青混合料高温性能的增强作用。总结已有研究成果,目前国内已有大规模采用纤维改善沥青混合料的路用性能,且使用经验较为成熟,但是在确定杂化纤维掺配比例时主要基于室内路用性能试验,这往往需要大量的试验工作量,将木质素和聚酯纤维复配可改善沥青混合料的疲劳性能和低温性能,但其高温稳定性能仍需深入研究,且鲜见将杂化纤维用于薄层罩面沥青混合料方面的研究和报道。为了满足极端气候条件下重载、渠化交通对沥青混合料高低温和疲劳性能的特殊要求,本文保持纤维总掺量0.35%不变,基于直接剪切试验优化出了最佳的木质素和聚酯纤维掺配比例,经室内路用性能试验和四分点加载疲劳试验验证了杂化纤维及高模量与杂化纤维复合改性沥青混合料用于热拌薄层罩面沥青混合料的可行性,为宽温域薄层罩面沥青混合料和杂化纤维的推广应用提供借鉴。

试验原材料

沥青采用SK70A级道路石油沥青,对照试验选用工程中常用的SBS改性沥青(I-C),经检测基质沥青、SBS改性沥青的各项技术指标均满足规范要求。粗集料(玄武岩)、细集料(石灰岩碎石、机制砂)取自拌合站实验室,矿粉由石灰岩磨制而成,经检测沥青、集料和矿粉各项指标均满足规范要求。为了提高薄层罩面沥青混合料抗车辙能力,经比选论证确定采用SAC-10型骨架密实型级配,经贝雷法检验,特增加了4.75mm和9.5mm筛孔中间档7.2mm筛孔控制点。选用木质素、聚酯2种纤维。相比于聚酯纤维,木质素纤维最大的特点是比表面积大、吸油率高。选用的PR.M高模量剂由法国路面材料实业有限公司(PRIDUSTRIE)研发并生产,根据厂家推荐的0.5%~0.8%(占集料质量的百分比)高模量剂掺量范围,经室内初步试验,综合高模量剂掺量对薄层罩面沥青混合料高温性能的改善效果和工程经济性,确定PRM掺配比例为0.6%。

基于直剪试验复合纤维掺配比例

研究表明:木质素纤维、聚酯纤维对沥青混合料路用性能改善效果各有侧重点,价格也有较大差别,如木质素纤维市场价格约3000元/t,聚酯纤维价格10000元/t,另一方面,适宜的纤维掺量可改善沥青混合料的路用性能和耐久性,但过多的纤维掺量会导致纤维在沥青混合料内分散不均匀、结团等问题,本文确定木质素和聚酯纤维总掺量为0.35%,复合纤维中木质素与聚酯纤维的掺量为0.05%+0.3%(方案Ⅰ)、0.1%+0.25%(方案Ⅱ)、0.15%+0.2%(方案Ⅲ)、0.2%+0.15%(方案Ⅳ)、0.3%+0.05%(方案Ⅴ),试验时预估最佳沥青用量为5%,反算总纤维掺量为沥青质量的6%,对照组采用4.5%SBS改性沥青。采用SDS-150电液伺服沥青混合料直剪仪对复合纤维改性沥青进行直剪试验,以抗剪强度为指标对比复合纤维改性沥青的抗剪性能,进而优选木质素和聚酯纤维的最佳掺配比例。试验时将基质沥青加热至170℃后加入预定质量的复合纤维(掺加高模量剂方案,高模量剂和纤维一块掺加,SBS改性沥青试样制备时SBS改性沥青加热温度为175℃),手动搅拌均匀后制备标准直剪试验试模,待冷却后将试样放入25℃水浴中保温6h后进行直剪试验,剪切速率为0.12mm/s。以应力峰值表征复合纤维、SBS、高模量剂与复合纤维改性沥青的抗剪切强度。

直接剪切试验结果表明:①直剪试验应力-应变关系曲线存在明显的上升期和下降区两个阶段,在上升期和下降区分水岭处抗剪切强度出现峰值,分水岭两侧应力-应变呈线性函数关系,可见在上升期应力应变呈正比例函数,剪切试验过程中复合纤维改性沥青呈现出弹性特性,采用直剪试验优化木质素和聚酯纤维的最佳纤维掺配比例是可行的。②对比直剪试验应力-应变曲线上升期和下降区曲线斜率可以发现,上升期曲线斜率明显大于下降区曲线斜率,且SBS改性沥青在下降区曲线斜率大于纤维复合改性沥青,可见掺加纤维具有阻止剪应力作用下沥青试验不快速破坏的作用。③5种复合改性沥青的抗剪切强度由大到小依次是0.1%木质素+0.25%聚酯>0.15%木质素+0.2%聚酯>0.2%木质素+0.15%聚酯>0.05%木质素+0.3%聚酯>0.3%木质素+0.05%聚酯,掺加高模量剂后纤维改性沥青的剪应力大小也有此规律,依次判断用于木质素和聚酯复合纤维改性剂中适宜的木质素掺量为0.1%~0.2%,最佳聚酯纤维掺量为0.15%~0.25%。④0.1%木质素+0.25%聚酯复配方案下抗剪切强度比0.3%木质素+0.05%聚酯复配方案大34.2%,表明木质素和聚酯纤维对沥青的“加筋阻裂作用”、“吸附稳定作用”、“界面增强作用”、“传力、消散力作用”及“加箍锁作用”是有区别的,同时也证明了直剪试验可以很好地测试并区分木质素与聚酯复合纤维改性沥青的抗剪性能,以直剪试验峰值剪切强度确定复合改性沥青中的纤维掺配比例是合理的。⑤5种木质素与聚酯纤维复合改性沥青的抗剪切强度均小于SBS改性沥青,而掺加0.6%PR.M高模量剂后,方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ抗剪切强度分别提高了38.6%、42.4%、40.9%、51.1%,同时掺加0.6%PR.M高模量剂后,方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅰ抗剪切强度分别为SBS改性沥青的106.2%、132.7%、128.3%、121.5%、105%,高模量剂对复合纤维改性沥青抗剪切强度改善效果较为明显,因此有必要掺加一定质量的高模量剂以进一步改善复合纤维改性沥青的抗剪切强度。、

杂化纤维与高模量剂复合改性沥青混合料性能研究

沥青的性能并不能完全反映沥青混合料的路用性能,沥青路面的使用性能需通过沥青混合料的路用性能来表征。直剪试验只能反映复合纤维改性沥青混合料抗剪切能力,沥青与集料接触界面黏附特性、沥青砂浆内部黏结强度等因素都对沥青混合料的综合路用性能影响甚大。对直剪试验优化出的三种木质素与聚酯纤维复配方案(0.1%木质素+0.25%聚酯、0.15%木质素+0.2%聚酯、0.2%木质素+0.15%聚酯)分别进行了马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲、冻融劈裂和浸水马歇尔试验。

马歇尔试验

马歇尔试验方法按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)和《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)试验方法执行。杂化纤维与高模量复配方案混合料拌合时纤维和高模量剂以外掺添加方式一同加入集料中,控制集料加热温度为195℃,为了使纤维能够分散均匀特增加了45s干拌时间。马歇尔试验结果表明,相比基质沥青、SBS改性沥青混合料掺加木质素和聚酯纤维后沥青混合料最佳沥青用量增大约0.5%,矿料间隙率增大约1%,沥青饱和度增大约2%~3%,马歇尔稳定度增大1~2kN,可见掺加纤维显著影响了马歇尔沥青混合料马歇尔体积指标和力学指标,沥青用量增大主要是纤维的吸油性为容纳沥青提供了载体。掺加复合纤维后沥青混合料矿料间隙率有小幅度增大,而最佳沥青用量和沥青饱和度增大较为明显,沥青膜厚增大势必会提高沥青混合料的抗疲劳性能。

高温稳定性

按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求采用车辙试验评价杂化纤维与高模量复合改性沥青混合料的高温稳定性。试验温度为60℃,试验轮加载速率42±1次/min。

车辙试验结果表明:①掺加木质素、聚酯纤维可改善沥青混合料的高温性能,相比基质沥青混合料木质素纤维、聚酯纤维改性沥青混合料车辙试验动稳定度分别提高了15.5%、126.4%,聚酯纤维对沥青混合料高温性能的改善效果优于木质素纤维,此外可以发现掺加木质素和聚酯纤维后沥青混合料的动稳定度仍不能满足规范动稳定度大于3000次/mm的要求,对于高温稳定性要求高的地区需要采用提高纤维改性沥青混合料高温性能的措施。②在0.1%~0.2%木质素纤维和0.15%~0.25%聚酯纤维掺量范围内,0.1%木质素+0.25%聚酯复配方案的高温性能最好,满足规范DS大于3000次/mm的要求,总纤维掺量不变,木质素与聚酯纤维复合改性沥青混合料的高温性能优于单一纤维改性沥青,木质素与聚酯复配方案对沥青混合料高温性能的改善效果可实现两种纤维的叠加作用。③相比SBS改性沥青混合料,3种木质素与聚酯纤维复配方案下的沥青混合料动稳定度均小于SBS改性沥青混合料,掺加高模量剂可显著增大杂化纤维改性沥青混合料的高温性能,0.1%木质素+0.25%聚酯+0.6%PRM、0.15%木质素+0.2%聚酯+0.6%PRM、0.2%木质素+0.15%聚酯+0.6%PRM3种复配方案下车辙试验动稳定度可达到6000次/mm以上,为SBS改性沥青混合料的197.8%、176.9%、160.4%,可见掺加高模量剂极大提高了杂化纤维改性沥青混合料的高温抗车辙性能。④图3建立了杂化纤维改性沥青直接剪切试验剪切强度与车辙试验动稳定度之间的线性关系,相关系数R2大于0.9,这也证明了采用直剪试验优化聚酯纤维与木质素纤维的掺配比例是合理可行的。

低温抗裂性能

薄层罩面直接受车辆荷载和环境温度的作用,近年来我国大部分地区极端气候天气频发,这对宽温域沥青混合料的高低温性能都提出了较高要求。采用现行施工规范规定的低温弯曲试验评价杂化纤维改性沥青混合料的低温抗裂性,试验采用的小梁试件由车辙板切割而成,尺寸为250mm×30mm×35mm,标准试验温度为-10℃,单点加载速率为50mm/min。

低温弯曲试验结果表明:①掺加木质素和聚酯纤维均可显著增大基质沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲应变,同时减小沥青混合料的劲度模量,相比聚酯纤维对沥青混合料低温性能的改善效果优于木质素纤维。②采用木质素与聚酯纤维复配方案可进一步改善单一纤维改性沥青混合料的低温性能,复合纤维对沥青混合料低温性能产生叠加效应,一方面木质素纤维的吸油特性提高了沥青混合料的最佳沥青用量,增大了沥青混合料膜厚,提高了混合料的柔性,这都会对沥青混合料的低温性能产生积极影响,另一方面木质素与聚酯纤维组成的共混杂化纤维通过“传力、消散力作用”、“吸附稳定作用”“界面增强作用”和“加箍锁作用”,克服了荷载作用下集料颗粒间的错位与移动,约束了裂纹的延伸,阻碍了裂缝的发展,增强了沥青混合料的柔性和韧性。③与SBS改性沥青混合料相比,复合纤维改性沥青混合料、高模量剂与杂化纤维复合改性沥青混合料的低温性能可与SBS改性沥青混合料相媲美,且掺加高模量剂可进一步改善杂化纤维改性沥青混合料的低温抗裂性能,分析其原因,木质素与聚酯纤维在提高沥青混合料柔韧性的同时,掺加高模量剂改善了沥青与集料之间的黏附性,增加了纤维沥青胶浆的劲度模量,提高了沥青混合料的抗破坏强度。

水稳定性

水稳定性用于表征沥青混合料抵抗水、温、荷载耦合作用下的沥青从集料表面剥离、剥落破坏的能力。现行施工规范以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验验证最佳沥青用量下沥青混合料的水稳定性。对于高温多雨地区浸水马歇尔试验具有更好的适用性,低温严寒区采用冻融劈裂试验。本文以冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验综合评价宽温域薄层罩面沥青混合料的水稳定性,试验方法严格按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)执行。

浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果表明:①掺加单纤维可小幅度提升沥青混合料的水稳定性,将木质素和聚酯纤维以一定比例复配后可显著改善沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度、提高劈裂强度和冻融劈裂强度比。②0.1%木质素+0.25%聚酯、0.15%木质素+0.2%聚酯、0.2%木质素+0.15%聚酯及三种杂化纤维与高模量复配方案下的沥青混合料劈裂强度可达1.2MPa以上,冻融劈裂强度比和浸水马歇尔残留稳定度比可达到95%以上,可见杂化纤维沥青混合料具有优良的水稳定性。分析其原因,纤维具有巨大的比表面积可吸附稳定自由沥青,在沥青-集料表面形成了有利的浸润界面,从而提高了沥青的表面能和沥青与集料之间的界面强度,此外纤维在沥青胶浆内部形成的三维网状共织结构具有加筋、锚固作用,在提高沥青胶浆黏度的同时提高了混合料的整体强度。另一方面,高模量剂在提高沥青与集料之间界面黏结强度的同时提高沥青沥青混合料的劲度模量,从而提高了劈裂强度和水稳定性。

杂化纤维与高模量剂复合沥青混合料耐久性

通常以室内疲劳试验来表征沥青混合料的耐久性能,本文采用四分点加载疲劳试验来评价不同掺配比例的杂化纤维改性沥青混合料抗疲劳性能。疲劳试样由双层车辙板切割而成,试件尺寸为300mm×50mm×63mm,试验温度为15℃,采用控制应变加载模式,应变水平采用200、400、500、600με共4个水平,选择加载100次的弯曲劲度模量作为初始劲度模量,疲劳寿命确定方法采用“归一化劲度模量峰值法”,疲劳试验在UTM-120万能疲劳试验机上进行。

可以看出:①在相同应变水平下单一纤维改性沥青混合料疲劳寿命为基质沥青混合料的1.5~2.0倍,其中木质素和聚酯纤维单一改性沥青混合料疲劳寿命相差不大,聚酯纤维改性沥青混合料疲劳寿命略大于木质素纤维改性沥青混合料;②相同应变水平条件下,在0.1%~0.2%木质素纤维和0.2%~0.25%聚酯纤维掺配比例范围内,3种木质素和聚酯纤维复合改性沥青混合料疲劳优于SBS改性沥青混合料,且疲劳寿命对应变水平的敏感程度小于SBS改性沥青混合料,由此可见杂化纤维改性沥青混合料具有优良的抗疲劳性能;③掺加高模量剂前后0.15%木质素+0.2%聚酯复配方案均呈现出最优的抗疲劳性能,掺加高模量剂可进一步改善复合纤维改性沥青混合料的抗疲劳耐久性,相比而言掺加高模量剂后复合纤维改性沥青混合料的疲劳寿命可增大约1倍,因此从疲劳角度来考虑,在木质素与聚酯纤维复合改性沥青混合料中掺加高模量剂是完全可行的。分析其原因,分散在混合料中的木质素和聚酯纤维,能够形成桥架纤维,使荷载作用产生的裂纹的扩散、扩展受到约束,网状结构纤维能够阻滞沥青基体裂纹的扩展,提高沥青混合料裂纹的自愈能力,木质素纤维有着巨大的表面积能够形成浸润表面,与沥青充分接触和融合,对集料有更强的握裹力,提高了沥青胶浆与集料之间的粘附性,保证了混合料的整体性,从而提高沥青混合料的疲劳寿命。此外由于纤维的吸油作用和吸附稳定作用使混合料的沥青用量增加,沥青膜厚增大,提高了混合料的柔性,这有利于细裂纹的填隙、弥合作用,且木质素与聚酯纤维形成的共织网状结构可以均匀分担、有效地分散、消散荷载和内部损伤产生的应变能。此外,掺加高模量剂可增大沥青混合料的劲度模量,提高混合料的整体强度和增强混合料对应变水平变化的敏感性。

结论

①总纤维掺量为0.35%,木质素纤维、聚酯纤维复配而成的复合纤维中适宜的木质素纤维掺量为木质素掺量为0.1%~0.2%,最佳聚酯纤维掺量为0.15%~0.25%,其中0.1%木质素+0.25%聚酯复配方案的改性沥青混合料抗剪切强度最大。抗剪切强度与沥青混合料的车辙试验动稳定度线性相关性良好,以直接剪切试验峰值剪切强度确定杂化纤维的掺配比例是合理可行的。

②掺加0.6%PR.M高模量剂可显著改善杂化纤维改性沥青的抗剪切强度,0.1%木质素+0.25%聚酯、0.15%木质素+0.2%聚酯、0.2%木质素+0.15%聚酯3种杂化纤维与高模量剂复合改性沥青的抗剪切强度优于SBS改性沥青。

③掺加木质素、聚酯单一纤维可改善沥青混合料的高低温性能和水稳定性,纤维聚酯纤维对沥青混合料高温性能的改善效果优于木质素纤维,复合纤维对沥青混合料高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能产生叠加效应,复合纤维改性沥青混合料、高模量剂与杂化纤维复合改性沥青混合料的低温性能可与SBS改性沥青混合料相媲美,掺加高模量剂可显著增大复合改性沥青混合料的高温性能。

④木质素和聚酯纤维复合改性沥青混合料疲劳优于SBS改性沥青混合料,且疲劳寿命对应变水平的敏感程度小于SBS改性沥青混合料,掺加高模量剂可进一步改善复合纤维改性沥青混合料的抗疲劳耐久性,在木质素与聚酯纤维复合改性沥青混合料中掺加高模量剂是完全可行的。掺加高模量剂的杂化纤维改性沥青混合料具有优良的高低温性能、水稳定性和抗疲劳耐久性,推广应用前景广阔。

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