短切碳纖維/PE復合改性瀝青混合料的路用性能

多吉羅布

(西藏天路股份有限公司,西藏拉薩 850000)

短切碳纖維/PE復合改性瀝青混合料的路用性能

多吉羅布

(西藏天路股份有限公司,西藏拉薩 850000)

為研究短切碳纖維/PE復合改性瀝青混合料的路用性能,采用低密度廢舊聚乙烯、高密度廢舊聚乙烯和短切碳纖維復合改性瀝青混合料,評價單一改性和復合改性對混合料路用性能指標的影響。結果表明:復合改性瀝青混合料的高、低溫性能和水穩定性能均有較大改善;短切碳纖維和高密度廢舊聚乙烯復合改性對瀝青混合料高、低溫性能的改善效果最好,短切碳纖維和低密度廢舊聚乙烯復合改性瀝青混合料的水穩定性能最優;同時,采用復合改性瀝青混合料可延長路面使用壽命,節約經濟成本。

瀝青混合料;路用性能;廢棄PE;短切碳纖維

0 引 言

中國青藏高原地區日均溫差在20℃左右,紫外線光照強烈,瀝青路面在使用過程中長期經受高原高海拔地區復雜氣候條件作用,極易產生各種路面病害,其中路面裂縫與車轍尤為嚴重[1]。針對此類病害,國內外采用的最普遍手段是在瀝青中摻加聚合物改性劑,而廢棄PE(聚乙烯)和短切碳纖維作為新型改性劑具有較好的使用效果[2]。廢棄PE能改善混合料的高溫性能,摻加碳纖維可制成導電混凝土,用于融化路面積雪,減少路面行車安全,并大大降低混合料的低溫開裂[3-4]。

廢棄PE在瀝青混合料中的應用不僅緩解了“白色污染”帶來的危害,還能在一定程度上提高瀝青混合料的路用性能[5]。牛冬瑜等[6-7]分別將廢舊PE與橡膠改性瀝青和SBS改性瀝青進行復合改性,得出這兩類復合改性瀝青混合料均具有較好的路用性能和性能效益。PUNITH V S等[8]研究發現聚乙烯材料在降低混合料車轍和溫度敏感性方面具有特殊的效果,適用于高溫和溫差較大的地區。張茂榮等[9]通過熱熔共混、絮凝處理、熔融共擠3種內摻方法得到短切碳纖維和廢舊PE復合改性瀝青,并對3種瀝青的性能進行對比,發現熔融共擠法得到的瀝青綜合性能更好。KHATTAK M J等[10]在混合料中摻加納米碳纖維之后發現,混合料整體性能大大提高,尤其是低溫性能和抗疲勞性能。唐祖全等[11]將短切碳纖維加入到混凝土中得到導電混凝土,驗證了以其作為路面材料融雪除冰的可行性。沈剛等[12]通過試驗得出:導電自融雪混凝土路面中短切碳纖維的最佳摻量為1%,此時熱轉化率為95%,可以滿足路面融雪需要。徐凌等[13]通過瀝青剪切試驗、拉拔試驗對摻加短切碳纖維的橋面鋪裝混合料進行研究,發現其完全能滿足橋面鋪裝對隔水和黏結性能的要求。劉俊等[14]通過對比試驗得出:使用小橡膠顆粒且含量控制在30%以內,并添加2%的碳纖維形成的高彈性改性瀝青混凝土,其撓曲變形性能及彎拉和回彈應力效果明顯提高,自主破碎冰層的效果更加理想。

綜上所述,國內外學者雖對廢棄PE瀝青混合料以及摻加短切碳纖維的導電混凝土路面做了詳細研究,但是對于碳纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的路用性能還有待研究。因此,本文選取低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和碳纖維制備了6種復合改性瀝青混合料,通過高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對復合改性瀝青混合料的性能進行研究,并采用力學-經驗法對復合改性瀝青和基質瀝青的經濟性能進行評價,為在高寒、高海拔的地區推廣該類型復合改性瀝青混合料提供技術支持。

1 短切碳纖維/廢棄PE瀝青結合料與混合料級配

1.1 短切碳纖維/廢棄PE瀝青結合料

本文以塔河90#基質瀝青為基礎,選取低密度廢舊聚乙烯(LDPE)、高密度廢舊聚乙烯(HDPE)和短切碳纖維作為改性劑,采用熔融共擠法制備6種不同類型的改性瀝青,其技術指標見表1。

1.2 混合料級配

本文選取AC-13混合料對短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的路用性能進行研究,其中集料均為質地堅硬、棱角性好且表面粗糙的片麻巖,混合料級配見表2。除基質瀝青外的改性瀝青的最佳用量分別為5.2%、5.2%、5.3%、5.4%、5.3%。

表1 6種改性瀝青的技術指標

表2 AC-13混合料級配%

2 短切碳纖維/廢棄PE復合改性瀝青的路用性能

2.1 高溫性能

分別采用6種瀝青拌制AC瀝青混合料,并進行高溫車轍試驗,試驗結果見表3。

由表3可知,L-改性、H-改性、T-改性、復合改性A和復合改性B的動穩定度分別是基質瀝青的3.8、4.1、2.26、6.3、6.4倍,且5種改性瀝青混合料動穩定度由大到小依次為:復合改性B、復合改性A、H-改性、L-改性、T-改性。2種復合改性瀝青混合料的高溫性能較3種單一改性瀝青混合料大大提升,其中復合改性瀝青B混合料的抗變形能力和動穩定度均為最好;說明采用短切炭纖維和廢棄PE能使瀝青混合料具有更好的高溫性能,所以在氣溫較高的地區采用短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料是可行的。

表3 6種AC-13混合料的車轍試驗結果

2.2 低溫性能

采用-10℃的小梁彎曲試驗對6種類型瀝青混合料的低溫性能進行評價,試驗結果見表4。

表4 6種AC-13混合料小梁彎曲試驗結果

由表4可以看出,H-改性、L-改性、T-改性、復合改性A和復合改性B的混合料低溫勁度模量依次降低,而抗彎拉強度和破壞應變基本呈現出依次增長的規律。這說明使用外摻劑后,瀝青混合料的低溫性能有了一定程度的改善,尤其是短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的改善效果最明顯。

2.3 水穩定性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)要求制備標準馬歇爾試樣,并進行馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,試驗結果見表5。

表5 水穩定性能試驗結果

由表5可以看出,L-改性、H-改性、T-改性、復合改性A和復合改性B混合料較基質瀝青混合料的殘留穩定度分別提升8.1%、8.7%、12.6%、11.6%和11.5%,凍融劈裂強度比分別提升3.1%、2.2%、5.1%、7.4%和7.2%。以上數據可以說明炭纖維和廢棄PE無論單獨改性還是復合改性的瀝青混合料均會提高其水穩定性,而其中復合改性A混合料效果最好,然后依次是復合改性B、T-改性、H-改性和L-改性。

3 LDPE/SBS復合改性瀝青混合料性能效益分析

在進行路面結構設計時,通常采用力學-經驗法對不同瀝青混合料的受載情況進行模擬,以便獲得使用性能和經濟效益最佳的路面結構組合。本文采用該方法對短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的綜合性能進行評價。選擇基質瀝青混合料和綜合路用性能最優的復合改性B混合料作為研究對象,并采用3種不同的AC-13路面結構進行設計,對比其經濟效益,以便得到最經濟的結構組合。結構設計方案見表6。

為計算瀝青面層層底水平拉應力和基層頂面的垂直壓應變,本文選用有限元軟件BISRA對表6中的各項數據進行模擬計算。其中雙輪荷載取標準荷載0.7 MPa,當量圓半徑取單圓半徑106.5 mm。計算得到層厚減薄指標(Layer Thickness Reduction,記作LTR,用ILTR表示)與交通效益比(Traffic Benefit Ratio,記作TBR,用RTB表示)。以LTR作為改性瀝青AC上面層層厚與基層減少值的評價標準。

表6 3種不同路面結構方案

式中:DU和DM分別為未改性瀝青路面和改性瀝青路面中AC面層的厚度。

以TBR作為改性瀝青較基質瀝青延長路面使用壽命的評價依據。

式中:NM和εM分別為改性瀝青路面的永久變形標準軸載累積量和路基層面的垂直壓應變;NU和εU分別為未改性瀝青路面的永久形標準軸載累積量和路基層項的垂直壓應變;B為4.533 7。

采用單軸壓縮試驗測定模型中所需的基質瀝青與復合改性B瀝青混合料的彈性模量。為使試驗數據更準確,每種混合料測試3次,取其平均值,并推薦最佳值作為計算值。試驗結果見表7。

表7 瀝青混合料彈性模量MPa

以表7的結果為依據,計算獲得3種不同瀝青路面結構組合的瀝青面層層底水平拉應變(Et)和基層頂面的垂直壓應變(Ec),結果見表8。

表8 性能效益對比

由表8可知,在方案1中,LTR與AC層厚度相同的情況下,復合改性瀝青混合料較基質瀝青混合料的拉應變大而壓應變小,說明復合改性瀝青混合料更加密實,具有更大的變形空間。當基質瀝青混合料層厚為50 mm,復合改性瀝青混合料層厚為30 mm時,兩者的面層層底拉應變和壓應變分別為16.78、62.36、15.52、58.08μm,拉應變和壓應變數值相當,說明在采用復合改性瀝青混合料后,面層的層厚能減少40%,節約成本。在方案2中,當復合改性瀝青混合料的基層厚度分別為200、150、100、50 mm時,其TBR分別為2.267、2.303、2.367、2.465。所以復合改性瀝青混合料路面的使用壽命較基質瀝青路面使用壽命增長2.267、2.303、2.367、2.465倍,說明復合改性瀝青混合料路面全壽命周期成本降低,經濟效益明顯。方案3中,復合改性瀝青混合料路面基層厚度減少5%后的垂直壓應變與基質瀝青基層厚度為200 mm時的垂直壓應變相當,說明在保證壓應變一致的情況下,采用復合改性的瀝青能使基層厚度減少5%。

綜上可知:采用復合改性瀝青混合料后,能使AC面層厚度減少40%或基層厚度減少5%,而不影響路面的使用壽命;在不改變路面厚度的情況下,復合改性瀝青混合料能使路面使用壽命延長,從而節約經濟成本。

4 結 語

(1)短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的高溫性能和低溫性能較基質瀝青有大幅度的提升。短切碳纖維和廢棄HDPE復合改性瀝青混合料的高溫性能和低溫性能均為最佳,適合用在日溫差和年溫差較大的高原地區。

(2)短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料的水穩定性較單一改性瀝青和基質瀝青有明顯改善,且短切碳纖維和廢棄LDPE復合改性瀝青混合料效果最好。

(3)短切炭纖維和廢棄PE復合改性瀝青混合料具有良好的力學性能,在改善路面結構的同時,還可以延長路面使用壽命,節約經濟成本。

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[責任編輯:王玉玲]

Pavement Performance of Asphalt Mixture Modified by Composite of Chopped Carbon Fiber and PE

Dorjee Norbu
(Tibet Tianlu Co.,Ltd.,Lhasa 850000,Tibet,China)

In order to study the road performance of asphalt mixture modified by the composite of chopped carbon fiber and PE,low density waste polyethylene,high density waste polyethylene and chopped carbon fiber were used to evaluate the effects of single modification and compound modification on the indicators of pavement performance.The results show that the high and low temperature performance and water stability of composite modified asphalt mixture are significantly improved;the composite modification of chopped carbon fiber and high density waste polyethylene makes biggest improvement to the high and low temperature performance of asphalt mixture,while asphalt mixture modified by the composite of chopped carbon fiber and low density waste polyethylene has the best water stability;the use of composite modified asphalt mixture can extend the service life of the road and save the cost.

asphalt mixture;pavement performance;waste polyethylene;chopped carbon fiber

U416.217

B

1000-033X(2017)07-0054-05

2016-12-16

多吉羅布(1973-),男,西藏拉薩人,高級工程師,碩士,研究方向為道路、橋梁工程。