聚酯纖維復合改性瀝青混合料路用性能研究

伍劍奇

(廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處,廣東肇慶 526400)

聚酯纖維復合改性瀝青混合料路用性能研究

伍劍奇

(廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心英懷管理處,廣東肇慶 526400)

為了研究聚酯纖維與硅藻土、抗車轍劑復配下瀝青混合料的路用性能,分析了聚酯纖維摻量變化對瀝青混合料路用性能的影響,從而確定出聚酯纖維的最佳摻量,且優化了硅藻土的摻量。通過與基質瀝青、SBS改性瀝青混合料路用性能的對比得出:聚酯纖維與硅藻土、抗車轍劑復配,其各項路用性能相較于基質瀝青混合料均有大幅度提高;相比于SBS改性瀝青混合料,其高溫穩定性、水穩定性以及抗疲勞性改善效果明顯,但兩者的低溫抗裂性能差異性不大。

瀝青混合料;改性瀝青;方差分析;聚酯纖維

0 引 言

常用的聚合物類改性劑主要有SBS、SBR、PE、EVA等,它們被廣泛應用于公路建設當中,大量工程實踐證明其對瀝青起到明顯的改善作用。然而,大多數聚合物類改性瀝青都需要添加改性設備才能將改性劑與機制瀝青充分地融合[1]。部分聚合物類改性劑只能對瀝青混合料某一方面的性能進行改善,應用較為成熟的SBS,雖然能夠較為全面地提高瀝青路面的路用性能,但也存在價格較高、拌和復雜等問題。因此,迫切需要研究多種改性劑,通過復合摻配以顯著提升瀝青混合料的各項性能[2]。

抗車轍劑在瀝青混合料中能產生良好的嵌擠、膠結作用,被廣泛應用于道路工程領域,主要用以改善瀝青混凝土的高溫性能[3];硅藻土具有表面粗糙、硬度較大、耐酸性、耐磨、抗滑、微孔隙結構獨特及成分活性等特點,作為改性劑能顯著改善瀝青混合料的水穩定性,對瀝青混合料的高溫穩定性及低溫抗裂性作用不大[4-5]。摻加硅藻土或者抗車轍劑,對瀝青混合料路用性能改善較為單一[6]。

作為一種高強、耐久、質輕的外摻增強材料,纖維能顯著改善瀝青混合料的力學性能,提高瀝青路面的使用性能,延長路面結構的疲勞壽命[7]。聚酯纖維是纖維的一種,是由有機二元酸和二元醇縮聚制作而成的聚合物,在瀝青介質中有著良好的吸附性與分散性,并且具有強度高、延伸性好和回彈性好的特點。葉群山等采用黏度試驗、動態剪切試驗和動態蠕變試驗,研究了聚酯纖維對瀝青膠漿流變特性的影響,結果表明纖維發揮增強作用的同時,還能增加瀝青膠漿的彈性[8];徐秀維研究了聚酯纖維對瀝青的改性機理和改性效果,發現聚酯纖維與瀝青相存在著物理和化學反應,但主要以物理共混容為主;管清明研究了聚酯纖維用量和最佳瀝青用量的關系,并對聚酯纖維改善瀝青混合料的高溫、低溫以及抗疲勞性能作了對比試驗,結果表明聚酯纖維的加入能夠顯著改善瀝青混合料的低溫性能和抗疲勞性能[9];高丹盈等通過應力控制模式下的劈裂疲勞試驗分析了不同摻量(纖維體積與瀝青混合料體積之比)和長徑比的聚酯纖維瀝青混凝土勁度模量的衰減特征,發現纖維含量特征參數能綜合反映纖維摻量和長徑比對瀝青混凝土疲勞性能的綜合影響,聚酯纖維對混合料的疲勞性能改善非常明顯[10]。

聚酯纖維雖然能改善瀝青的高、低溫性能,但是與SBS改性瀝青混合料效果相差還是較大,且目前大多數研究都只是針對聚酯纖維單一改性瀝青,將其與其他改性劑復配的研究相對較少。因此,本文將聚酯纖維、硅藻土與抗車轍劑進行復合摻配,研究不同摻量聚酯纖維對瀝青混合料高低溫、水穩定性以及抗疲勞性能的影響,并與基質瀝青和SBS瀝青混合料進行性能對比。

1 原材料與級配

1.1 集料

試驗采用的集料中10~15 mm碎石、5~10 mm碎石為玄武巖,3~5 mm碎石為石灰巖,細集料為石屑,礦粉由石灰巖磨制而成,其技術指標均符合規范要求。

1.2 瀝青

試驗采用韓國雙龍A-70#瀝青和殼牌SBS I-C改性瀝青。其相關技術指標見表1、2。

1.3 改性劑

本文采用的硅藻土呈黃色,粉末狀,密度為2.23 g·cm-3,選用深圳海川公司生產的抗車轍劑,纖維采用墾特萊牌聚酯纖維。

1.4 級配

試驗以AC-13為目標級配,如表3所示。

表3 AC-13級配

2 復合改性劑方案確定

2.1 試驗方案

已有研究表明硅藻土和抗車轍劑復配,硅藻土的摻量為12%(占瀝青質量)、抗車轍劑的摻量為5%(占瀝青質量)時,其對高溫性能和水穩定性改善較為明顯。故本試驗初擬定硅藻土摻量為12%(占瀝青質量),抗車轍劑摻量為5%(占瀝青質量),通過逐步改變聚酯纖維的摻量(分別為3%、5%、7%),得到復合改性瀝青混合料③、④、⑤,并與基質瀝青、SBS瀝青混合料對比,驗證其路用性能。

2.2 瀝青混合料配合比設計

按照現行瀝青混合料配合比設計規范要求的方法進行配合比設計,確定不同瀝青混合料最佳油石比,結果見表4。

表4 馬歇爾試驗結果

2.3 技術性能研究

2.3.1 高溫穩定性

采用60℃車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性,試驗結果如圖1所示。由圖1可知,聚酯纖維的加入對瀝青混合料的高溫性能有一定程度的改善。為進一步明確混合料之間差異性的大小,對7組試驗數據進行方差LSD多重比較分析,結果見表5。

圖1 瀝青混合料車轍試驗結果

由LSD多重分析結果可知:改性瀝青混合料①與基質瀝青混合料相比,其差異性系數為0.317,大于0.05,說明硅藻土對瀝青混合料高溫性能改善不明顯;改性瀝青混合料②與改性瀝青混合料①、基質瀝青混合料相比,其差異性系數均小于0.05,說明抗車轍劑對瀝青混合料的高溫性能有較大改善;復合改性瀝青混合料③、復合改性瀝青混合料④、復合改性瀝青混合料⑤這3組瀝青混合料與改性瀝青混合料②及基質瀝青混合料相比,差異性系數均小于0.05,差異性明顯,可知聚酯纖維對瀝青混合料的高溫性能有顯著改善作用。

表5 不同摻配方案瀝青混合料動穩定度LSD多重比較結果

復合改性瀝青混合料③、復合改性瀝青混合料④、復合改性瀝青混合料⑤之間的差異性系數均小于0.05,且相互之間的差異性系數隨聚酯纖維含量的增多而增大。說明3種復合改性瀝青混合料的高溫性能隨聚酯纖維摻量的增加改善效果逐漸減弱,所以聚酯纖維摻量對瀝青混合料高溫性能產生了較顯著的影響作用。

2.3.2 低溫抗裂性

采用瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗評價各組混合料低溫抗裂性能,試驗結果如圖2所示。從圖2可知,添加硅藻土或抗車轍劑,瀝青混合料試件的破壞應變變化不大,說明二者對瀝青混合料低溫抗裂性改善效果不明顯。隨著聚酯纖維的加入,瀝青混合料試件的破壞應變逐漸增大,說明其對瀝青混合料的低溫抗裂性產生了較大改善。同樣,對試驗結果數據進行LSD多重對比分析,結果如表6所示。

圖2 瀝青混合料低溫試驗結果

由LSD分析結果可知:改性瀝青混合料①、改性瀝青混合料②與基質瀝青混合料相比差異性系數分別為0.781、0.475,遠大于0.05,差異性不顯著,可知硅藻土和抗車轍劑對瀝青混合料低溫抗裂性的改善效果很不明顯;復合改性瀝青混合料③、復合改性瀝青混合料④、復合改性瀝青混合料⑤與改性瀝青混合料①、改性瀝青混合料②及基質兩兩相比,差異性系數均遠遠小于0.05,差異性顯著,可知聚酯纖維對瀝青混合料低溫抗裂性產生了非常顯著的影響;復合改性瀝青混合料③與改性瀝青混合料②、復合改性瀝青混合料④與改性瀝青混合料②、復合改性瀝青混合料⑤與改性瀝青混合料②相比,差異性系數呈減小趨勢,改善效果逐漸增強,說明聚酯纖維的摻量變化對瀝青混合料的低溫性能有較大的影響。

表6 不同摻配方案瀝青混合料彎曲破壞應變LSD多重比較結果

2.4 復合改性劑的確定

由以上分析可知,若單純考慮瀝青混合料的水穩定性,復合改性瀝青混合料④是優選方案;若只考慮高溫穩定性或者低溫抗裂性,復合改性瀝青混合料⑤是優選方案。但考慮到復合改性瀝青混合料⑤中聚酯纖維摻量過高會提高造價,且復合改性瀝青混合料⑤比復合改性瀝青混合料④對瀝青混合料的低溫性能提高幅度低。因此綜合考慮,復合改性瀝青混合料④是較優的改性方案。

3 復合改性劑優化研究

為了優化復合改性劑,得到性能及經濟效益最佳的摻配方案,需要將硅藻土摻量進一步優化。考慮到聚酯纖維也起到一定的改性作用,且硅藻土對瀝青混合料的高溫和低溫性能改善不明顯,因此可適當減少硅藻土的摻加量。本試驗硅藻土的摻量依次為8%、10%、12%(占瀝青質量),抗車轍劑為5% (占瀝青質量),聚酯纖維的摻量為5%(占瀝青質量),得到3種復合改性劑最佳油石比采用復合改性瀝青混合料④的最佳油石比4.8%。對瀝青混合料進行凍融劈裂試驗,研究復合改性劑對瀝青混合料水穩定性的影響,從而得出復合改性劑中硅藻土的最佳摻量。

3.1 水穩定性試驗結果分析

為測定復合改性劑中硅藻土含量減少對瀝青混合料水穩定性的影響,采用凍融劈裂試驗,分別驗證3種配比方案(A、B、C)下瀝青混合料的水穩定性,并分析對比不同復合改性劑對其水穩定性的影響,試驗結果如表7所示。

表7 復合改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由上述試驗數據可知,瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨著硅藻土摻量的減少而降低,水穩定性與硅藻土摻量呈一定的線性相關性;對兩者進行線性相關性分析,結果如表8所示。

由線性相關性分析結果可知,硅藻土摻量與TSR呈正線性相關性,相關系數為0.992,兩者相關顯著性系數為0.041,小于0.05,線性關系顯著。當硅藻土摻量由12%減少到10%時,瀝青混合料TSR降低了2.1%,而當硅藻土含量再次減少到8%時,瀝青混合料TSR減少了3.5%,水穩定性下降較明顯。綜合考慮瀝青混合料的水穩定性及經濟效益可知,復合改性方案B為最佳摻配方案。

表8 硅藻土摻量與瀝青混合料TSR相關性分析

3.2 復合改性劑其他路用性能驗證

根據上述研究可知,硅藻土與抗車轍劑和聚酯纖維摻配時,采用B方案能使瀝青混合料達到良好的水穩定性;驗證其路用性能,試驗結果如表9所示。

表9 復合改性方案B瀝青混合料路用性能試驗結果

相較于基質瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料,復合改性方案B是否產生了較為明顯的改善效果,就兩者的高溫穩定性及低溫抗裂性進行獨立樣本t檢驗。相關試驗結果如表10、11所示。

由表10可知,復合改性瀝青B與基質改性瀝青、SBS改性瀝青的方差齊性檢驗顯著性概率Sig分別為0.409、0.193,均大于0.05,可以認為方差相等。復合改性瀝青B與基質瀝青、SBS改性瀝青的雙尾顯著性概率Sig分別為0.000、0.003,遠小于0.05,故動穩定度表現出顯著的差異。結合圖3中的動穩定度的平均值可知,相較于基質瀝青混合料,復合改性方案B對混合料高溫穩定性起到了非常明顯的改善作用,相較于SBS改性瀝青混合料,高溫穩定性也有較大的提升。

由表11中樣本檢驗結果可知,2組的方差齊性檢驗顯著性概率Sig為0.087、0.572,均大于0.05,故假設方差相等;基質瀝青及復合改性瀝青混合料B的雙尾顯著性概率Sig為0.001,遠小于0.05,差異性顯著,而復合改性瀝青B與SBS瀝青混合料的雙尾顯著性概率Sig為0.714,差異性不顯著。由此可知,復合改性瀝青B與基質瀝青混合料相比,其破壞應變有明顯改善,而復合改性瀝青B相較于SBS改性瀝青混合料,其破壞應變差異不明顯。因此,復合改性方案B對瀝青混合料破壞應變的改善非常明顯,可以顯著提高其低溫抗裂性能。

表10 動穩定度獨立樣本檢驗

表11 彎曲破壞應變獨立樣本檢驗

3.3 抗疲勞性檢驗

本文采用小梁疲勞試驗評價瀝青混合料抗疲勞性能。小梁疲勞試驗采用三點加載的方式進行。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的輪碾法成型并切制成40 mm×40 mm×250 mm的試件。試驗數據處理采用公式(1)進行回歸。

式中:Nf為達到破壞時的重復荷載作用次數;σ0為初始的彎拉應力(MPa);K、n為試驗確定的參數。

K值用來評價瀝青混合料的抗疲勞性能,K值越大,抗疲勞性能越好;而n值代表瀝青混合料對應力水平的敏感性,其值越大,敏感性越強。選用最佳復配改性瀝青B進行疲勞試驗,并與基質瀝青和SBS改性瀝青進行對比,試結果如表12所示,對式(1)左右取對數,得到

按式(2)擬合疲勞曲線,如圖3所示。

表12 瀝青混合料抗疲勞性試驗結果

由表12和圖3可知,與基質瀝青、SBS改性瀝青相比,復合改性瀝青B的n值分別提高了6.3%、8.3%,說明其疲勞壽命對應力水平敏感性略微增強;而K值分別提高了517.9%、49.6%,說明該種摻配方案的瀝青混合料的疲勞壽命大幅度提高,改善效果顯著。由此可知聚酯纖維與硅藻土、抗車轍劑復配可顯著提高瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖3 不同瀝青混合料對數疲勞曲線

4 結 語

通過對聚酯纖維復配硅藻土、抗車轍劑的瀝青混合料進行車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗以及疲勞試驗,發現聚酯纖維等改性劑對瀝青混合料的影響如下。

(1)通過對比研究不同方案的性能差異,當聚酯纖維和抗車轍劑摻量均為5%、硅藻土摻量為10%,即聚酯纖維、抗車轍劑、硅藻土的比例為1∶1∶2制作改性劑時,其復配改性瀝青混合料的高、低溫性能均優于SBS改性瀝青混合料,且水穩定性能更好,聚酯纖維的增柔增韌作用使混合料的抗疲勞性能也得到顯著改善。

(2)聚酯纖維復合改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的雙尾顯著性概率Sig為0.003,遠小于0.05,故動穩定度存在顯著性差異。因此,相較于SBS改性瀝青混合料,聚酯纖維復合改性對瀝青混合料的高溫穩定性有較大的提升,改善效果隨聚酯纖維摻量的增加而增強。

(3)相較于SBS改性瀝青混合料,聚酯纖維復合改性瀝青混合料破壞應變差異不大。因此,聚酯纖維復合改性方案能顯著提高瀝青混合料的破壞應變,對混合料的低溫性能改善與SBS改性瀝青效果相當。

(4)聚酯纖維與硅藻土、抗車轍劑復配對瀝青混合料的水穩定性有較大改善,其中硅藻土對改善水穩定性起著非常重要的作用。硅藻土摻量與TSR呈現正線性相關性,當硅藻土摻量由12%減少到10%時,瀝青混合料TSR降低了2.1%,而當硅藻土含量減少到8%時,瀝青混合料TSR減少了3.5%,水穩定性下降較明顯。

(5)聚酯纖維與硅藻土、抗車轍劑復配可以對瀝青混合料的的疲勞壽命起到明顯改善作用,且其疲勞壽命對應力水平敏感性增強,混合料的長期性能顯著提高,優于SBS改性瀝青混合料。

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[責任編輯:王玉玲]

Study on Pavement Performance of Polyester Fibre Modified Asphalt Mixture

WU Jian-qi
(Yinghuai Management Office of Longhuai Expressway Management Center of Guangdong Nanyue Transportation Investment&Construction Co.,Ltd.,Zhaoqing 526400,Guangdong,China)

The pavement performance of asphalt mixture blended with polyester fibre,diatomite and anti-rutting agent was studied.By analyzing the influence of the variation in polyester fibre content on the pavement performance of asphalt mixture,optimum content of polyester fibre was determined,and the content of diatomite was optimized.The conclusion was drawn that the pavement performance of asphalt mixture modified with polyester fibre,diatomite and antirutting agent is noticeably better than that of matrix asphalt;compared with SBS modified asphalt mixture,the improvement of high temperature stability,water stability and fatigue resistance is obvious,but the difference of crack resistance at low temperature is not significant. Key words:asphalt mixture;modified asphalt;variance analysis;polyester fibre

U414

B

2017-01-22

廣東省交通運輸廳科技項目(2013-02-022)

伍劍奇(1982-),男,江西金溪人,碩士研究生,工程師,研究方向為道路施工現場管理。