聚酯纖維對(duì)瀝青混凝土路用性能改善作用

摘 要：通過對(duì)瀝青混合料摻加聚酯纖維的研究，系統(tǒng)分析了聚酯纖維瀝青混合料的路用性能，包括馬歇爾穩(wěn)定度、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能，探討了聚酯纖維增強(qiáng)瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理。并與普通密集配瀝青混凝土進(jìn)行了對(duì)比、分析。結(jié)果表明，聚酯纖維瀝青混合料具有較好的路用性能，可以改善瀝青路面使用品質(zhì)，延長使用壽命，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是一種性能優(yōu)良的瀝青混合料，適合作高等級(jí)公路瀝青面層。

關(guān)鍵詞：聚酯纖維瀝青；混凝土；度機(jī)理；

中圖分類號(hào)：TU528.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-09-00-02

為了延長道路使用壽命，歐美一些國家廣泛開始了聚酯纖維加強(qiáng)瀝青材料的應(yīng)用研究，德國首先提出并采用了聚酯纖維增強(qiáng)改性方法，使用結(jié)果表明1g聚酯纖維增強(qiáng)改性瀝青可以顯著地提高公路瀝青的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，大大地延長了瀝青路面的使用壽命，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。聚酯纖維被用在機(jī)場(chǎng)道面、橋面鋪裝、收費(fèi)站等鋪面中。美國、加拿大、德國等國家采用聚酯纖維混凝土修筑了大量高速公路及其它重要交通公路。

一、原材料性能

（一）瀝青

采用克拉瑪依AH-90#重交通瀝青，指標(biāo)如表1所示。

（二）集料

集料采用石灰?guī)r，其指標(biāo)示于表2。

（三）聚酯纖維、級(jí)配

選用美國Bonifiber（博尼）和德國Dolanit AS（德尼）；采用密集配瀝青混凝土AC-13級(jí)配。

二、路用性能分析

（一）馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以看出，瀝青混合料中加入聚酯纖維后，混合料的最佳瀝青用量會(huì)增加（0.1～1.3）%；這是由于聚酯纖維比表明大，會(huì)吸收、吸附部分瀝青，故使得混合料的最佳瀝青用量有所增加；聚酯纖維在混合料中起多向“加筋”和增粘作用，提高了瀝青混合料的受力性能，因此，聚酯纖維混合料馬歇爾穩(wěn)定度普遍高于不加聚酯纖維的混合料；由于博尼維和德尼維自身的抗拉強(qiáng)度較高，且在瀝青混合料中的分散度、分散數(shù)量非常高，按照混合料總重的0.225%的比例加入博尼維，大約每m3有超過18億根分離的博尼維，故博尼維和德尼維對(duì)瀝青混合料的增強(qiáng)效果非常明顯。

（二）水穩(wěn)定性試驗(yàn)

聚酯纖維對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。瀝青中酸性樹脂組分是一種表面活性物質(zhì)，它在聚酯纖維表面產(chǎn)生的物理侵潤、吸附作用，使瀝青呈單分子狀排列在聚酯纖維表面，形成結(jié)合力牢固的“結(jié)構(gòu)瀝青”膜，它比薄膜以外的自由瀝青粘性大，耐熱性好；同時(shí)，由于聚酯纖維的吸附及吸收作用，混合料瀝青用量增加，能使結(jié)構(gòu)瀝青膜增厚（65～113）%；聚酯纖維及其周圍結(jié)構(gòu)瀝青一同裹覆于集料表面，使瀝青膜厚度及性質(zhì)都發(fā)生變化。較厚的瀝青膜減慢了瀝青老化速率，從而可長時(shí)間地維持其粘附性，降低了水對(duì)瀝青與集料的侵蝕破壞作用，增強(qiáng)了瀝青混合料抵抗水損害的能力，使混合料水穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（三）高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

采用車轍試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性方法。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。聚酯纖維在瀝青基體內(nèi)的分布是三維隨機(jī)的。由于截面纖細(xì)，使得聚酯纖維摻量不大的瀝青基體內(nèi)聚酯纖維數(shù)目卻相當(dāng)大，形成縱橫交織的空間網(wǎng)絡(luò)。一方面，裹覆在聚酯纖維上的“結(jié)構(gòu)瀝青”網(wǎng)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青比例，減薄了自由瀝青膜，使聚酯纖維瀝青膠漿粘性增大，軟化點(diǎn)上升，高溫穩(wěn)定性大幅提高；另一方面，縱橫交織的聚酯纖維在混合料中無定向分布且互相搭接，形成的聚酯纖維骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)，起到“鏈橋”作用，使混合料具有較高強(qiáng)度與勁度，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減緩了車轍的加深速度，極大的改善了混合料的高溫抗車轍性能。

（四）低溫抗裂性試驗(yàn)

采用低溫彎曲破壞試驗(yàn)（見表6）評(píng)價(jià)低溫抗裂性。0C彎曲應(yīng)變?cè)酱螅磻?yīng)出混合料破壞時(shí)所需能量越大，則低溫時(shí)混合料抵抗收縮拉應(yīng)變的能力越強(qiáng)，低溫抗裂性越好。

首先，聚酯纖維的加入使混合料的最佳瀝青用量增加，這本身就增加了混合料的延展性，改善了混合料的勁度模量；其次，與聚酯纖維良好的物化性能有關(guān)，聚酯纖維在低溫（-40℃以下）仍能保持柔韌性和較高的抗拉強(qiáng)度，故加筋作用使混合料具有了較好的柔韌性，提高了混合料低溫變值；第三，互相搭接的聚酯纖維又提高了混合料的抗拉強(qiáng)度；因此，混合料的低溫抗裂性得到改善。

（五）疲勞耐久性試驗(yàn)利用控制應(yīng)力疲勞壽命分析方法計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

疲勞破壞的過程，首先是在結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位開始產(chǎn)生微小裂紋，裂紋起點(diǎn)為疲勞源，對(duì)瀝青混合料，荷載、溫度及內(nèi)部不均勻結(jié)點(diǎn)的存在是其產(chǎn)生疲勞源的主要因素。當(dāng)材料受荷載作用時(shí)，裂紋尖端發(fā)生應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展；當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，就出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，材料出現(xiàn)較大的裂紋直至斷裂破壞。一方面，由于三維隨機(jī)各向聚酯纖維阻滯了裂紋擴(kuò)展，吸收和消耗了部分混合料斷裂所需要的能量，減緩了亞臨界擴(kuò)展，增加了彈性恢復(fù)；另一方面，裂紋發(fā)展時(shí)，聚酯纖維會(huì)使裂紋轉(zhuǎn)向或岐化，減慢裂縫產(chǎn)生的速率，延長材料失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂出現(xiàn)的時(shí)間；因此，聚酯纖維可以提高瀝青路面裂紋的自愈能力，減少裂縫的出現(xiàn)，提高路面的疲勞耐久性。

三、結(jié)語

（一）聚酯纖維的吸附、吸收作用，穩(wěn)定大量瀝青，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿的粘滯性增強(qiáng)，軟化點(diǎn)提高，集料表面瀝青膜增厚，提高了混合料耐老化性能和水穩(wěn)定性能，增加了瀝青路面抗早期水損害能力。

（二）縱橫交錯(cuò)的聚酯纖維由于數(shù)量巨大，且均勻分布，在混合料中起到加筋作用，增強(qiáng)了彈性恢復(fù)，減緩了車轍的加深速度，極大的提高了混合料的高溫抗車轍性能和抵抗疲勞破壞能力，使路面的高溫穩(wěn)定性能和疲勞耐久性得到改善。

（三）聚酯纖維在低溫下仍呈柔性，且具有較高的抗拉強(qiáng)度，使混合料具有了較高的彈性，能有效地抵抗溫度應(yīng)力，減少溫縮裂縫的產(chǎn)生，提高路面低溫抗裂性能。

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