玻璃纖維改性相變?yōu)r青混合料路用性能

高 穎， 王偉赫， 朱玉風(fēng)， 郭慶林， 陳 萌

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院， 邯鄲 056107)

瀝青路面受環(huán)境溫度影響較大，荷載作用下，高溫易產(chǎn)生車轍，低溫容易開裂，嚴(yán)重影響道路使用壽命。玻璃纖維對(duì)聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)是一種利用自身相態(tài)的轉(zhuǎn)變，向外界環(huán)境吸收或釋放熱量以達(dá)到調(diào)溫和儲(chǔ)能效果的相變材料[1]。由于其無毒、無污染，具有較高的相變焓和適宜的相變溫度，與瀝青具有良好的化學(xué)兼容性被廣泛應(yīng)用于瀝青路面中[2]。王福云[3]認(rèn)為復(fù)合相變材料可增強(qiáng)瀝青混合料的高溫性能，但摻量過多則會(huì)使得低溫性能受到影響；林鵬飛等[4]綜述了目前相變材料在瀝青路面中的應(yīng)用進(jìn)展，提出PEG雖更適用于調(diào)溫路面，但應(yīng)注意其摻量對(duì)瀝青性能的影響；曹長斌等[5]研究PEG對(duì)瀝青及其混料的儲(chǔ)熱以及調(diào)溫性能，結(jié)果表明PEG在相態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)會(huì)導(dǎo)致瀝青變軟，進(jìn)而使PEG瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低；甘立新等[6]研究聚乙二醇改性瀝青性能，結(jié)果表明隨著聚乙二醇摻量的增加，瀝青的性能有所下降甚至不滿足規(guī)范要求。

纖維在瀝青混合料中具有增韌功能，很多研究表明使用纖維等添加劑對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性，可有效提高路面的質(zhì)量并延長其使用壽命[7-8]。周強(qiáng)[9]通過灰色關(guān)聯(lián)分析得知玻璃纖維的長度和級(jí)配類型是影響瀝青混合料路用性能的主要因素；郭慶林等[10]研究不同纖維對(duì)密實(shí)性瀝青混凝土性能的改性效果，結(jié)果表明玻璃纖維改性瀝青混凝土具有更好的抗開裂性能；蔡俊華[11]研究玻璃纖維對(duì)AC-10L、SMA-10和SAC-10超薄瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明適量的玻璃纖維可提升三種瀝青混合料的路用性能；Morea等[12]研究玻璃纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果，研究表明玻璃纖維的加入使瀝青混合料的低溫、中溫抗裂性提高，抗車轍能力增強(qiáng)；高穎等[13]研究玻璃纖維對(duì)高粘排水瀝青混合料路用性能的改善效果，當(dāng)玻璃摻量為0.2%、0.4%時(shí)可以顯著提高其路用性能； Luo等[14]研究玻璃纖維摻量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明纖維在較高含量下可以增強(qiáng)瀝青混合料的抗開裂能力，并確定增強(qiáng)其路用性能所需玻璃纖維的摻量為0.3%。

為改善直摻PEG材料對(duì)瀝青混合料帶來的不利影響，采用玻璃纖維對(duì)PEG改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行改性處理，通過車轍試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)分析玻璃纖維對(duì)PEG瀝青混合料的改性效果，確定玻璃纖維摻量對(duì)兩種瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，并研究玻璃纖維的加入對(duì)相變材料的調(diào)溫效果有無影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 聚乙二醇

選擇PEG4000作為相變?yōu)r青的原材料，其相變溫度為45～65 ℃，常溫下為蠟狀固體，各項(xiàng)物理參數(shù)如表1所示。

表1 PEG4000各項(xiàng)物理參數(shù)

1.1.2 瀝青

選用東明產(chǎn)70#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，并利用PEG4000相變材料對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性處理，具體制備步驟如下。

(1)將瀝青放在135 ℃烘箱中0.5 h，使其達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)。

(2)倒入提前預(yù)熱好的高速剪切儀中以1 500 r/min的速度攪拌15 min，剪切溫度為160～165 ℃。

(3)將干燥的PEG4000按比例緩慢加入瀝青中，同時(shí)以3 000 r/min的速度剪切20 min。

(4)剪切完成后，再以1 500 r/min進(jìn)行攪拌，時(shí)間為15 min，得到PEG4000相變改性瀝青。基質(zhì)瀝青和PEG改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 70#石油瀝青和PEG改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 玻璃纖維

選用12 mm的玻璃纖維，其各項(xiàng)物理特性指標(biāo)見表3。

表3 玻璃纖維的物理特性

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

(1)集料配合比設(shè)計(jì)：采用AC-13連續(xù)型密級(jí)配，其級(jí)配設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 AC-13級(jí)配設(shè)計(jì)表

(2)最佳油石比：采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定PEG瀝青的最佳用量，按照規(guī)范規(guī)定以及積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，初步估計(jì)油石比，取0.3%油石比為間隔，制備5個(gè)不同油石比的馬歇爾試件。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中所要求的計(jì)算方法，最終確定出最佳瀝青用量為4.6%。

1.3 試驗(yàn)方法

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)規(guī)定對(duì)玻璃纖維摻量為0、0.2%、0.4%、0.6%的PEG瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測(cè)試。采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)改性瀝青

混合料的高溫穩(wěn)定性；采用半圓彎拉試驗(yàn)的層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變和臨界斷裂能評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的低溫抗裂性能；采用凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。最后將PEG瀝青混合料制備成車轍板放置于室外環(huán)境中，通過檢測(cè)玻璃纖維相變?yōu)r青混合料的溫度變化，來研究玻璃纖維對(duì)PEG相變?yōu)r青混合料的調(diào)溫效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

對(duì)不同纖維摻量下的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測(cè)得動(dòng)穩(wěn)定度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同玻璃纖維摻量動(dòng)穩(wěn)定度變化Fig.1 Variation of dynamic stability under different glass fiber content

由圖1可知，PEG瀝青和基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能均受玻璃纖維影響，且二者動(dòng)穩(wěn)定度變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先升后降。當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)，二者動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值，較未摻時(shí)分別提高了28%和51%，表明玻璃纖維對(duì)瀝青膠漿具有吸附作用，導(dǎo)致瀝青膠漿變稠，流動(dòng)性降低，二者高溫穩(wěn)定性均得到增強(qiáng)。但隨著玻璃纖維摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度開始降低，原因在于較高玻璃纖維摻量會(huì)導(dǎo)致其在瀝青混合料中容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，而未被均勻分散，當(dāng)混合料受到荷載作用時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而降低瀝青混合料的高溫性能。圖中PEG相變?yōu)r青混合料動(dòng)穩(wěn)定度低于基質(zhì)瀝青混合料，且未添加玻璃纖維時(shí)PEG瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較基質(zhì)瀝青混合料降低了23%，表明PEG材料受溫度影響較大，試件在車輪碾壓前，60 ℃保溫環(huán)境中，PEG已然完成了由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，而液態(tài)下的PEG材料會(huì)導(dǎo)致瀝青黏度降低，流動(dòng)性有所提高，最終引起混合料變形增加，動(dòng)穩(wěn)定降低，高溫穩(wěn)定性不及普通基質(zhì)瀝青混合料。

2.2 低溫性能

對(duì)不同玻璃纖維摻量的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行半圓彎拉試驗(yàn)，測(cè)得層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變、臨界斷裂能、斷裂韌度分別如圖2～圖5所示。

由圖2可知，PEG瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度在玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)達(dá)到峰值,表明玻璃纖維具有增韌效果，在低溫條件下可有效提高瀝青混合料承受荷載作用的能力，但提升幅度較小。

圖2 不同玻璃纖維摻量下的層底抗拉強(qiáng)度Fig.2 Tensile strength at the bottom of the layer with different glass fiber content

當(dāng)玻璃纖維摻量高于0.2%時(shí)，兩種瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度值呈降低趨勢(shì)，并且當(dāng)玻璃纖維摻量為0.6%時(shí)，PEG改性瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度下降明顯，這是由于隨著纖維摻量的增加，瀝青混合料中的纖維分布不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)纖維成團(tuán)現(xiàn)象，增韌加筋功能受到削弱；當(dāng)玻璃纖維摻量小于0.6%時(shí)，相同玻璃纖維摻量下的PEG瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度低于基質(zhì)瀝青混合料，這說明PEG在低溫狀態(tài)下對(duì)混合料承受荷載的能力影響較小，由于低溫條件下PEG呈固態(tài)存在于瀝青中，因其密度與瀝青相似，與瀝青混合均勻后對(duì)瀝青各方面性能影響不大，可見低溫狀態(tài)玻璃纖維對(duì)PEG混合料的層底抗拉強(qiáng)度改善效果并不明顯。

由圖3可知，PEG瀝青和基質(zhì)瀝青混合料的層底抗拉應(yīng)變呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%，兩種瀝青混合料的層底抗拉應(yīng)變都達(dá)到最大值，較未摻時(shí)分別提高了24%、19%，說明摻量為0.2%的玻璃纖維可明顯提高兩種瀝青混合料抗變形能力，適量的玻璃纖維均勻分布于瀝青混合料中可起到傳遞荷載和抵抗開裂的能力，但隨著摻量的增加，當(dāng)瀝青混合料內(nèi)部纖維分布較為集中時(shí)，可有效起到提高韌性作用的纖維減少，因此造成0.4%、0.6%摻量下的瀝青混合料層抵抗變形能力降低。

圖3 不同玻璃纖維摻量下的層底抗拉應(yīng)變Fig.3 Layer-bottom tensile strain at different glass fiber content

由圖4可知，相同玻璃纖維摻量下兩種瀝青混合料的臨界斷裂能呈現(xiàn)出明顯的差異。在未摻纖維時(shí)，PEG瀝青混合料的臨界斷裂能較基質(zhì)的低33%左右；隨著摻量的增加，兩種混合料也表現(xiàn)出不同的規(guī)律，其中纖維摻量在0.2%時(shí)，兩種瀝青混合料的臨界斷裂能均達(dá)到最大值并且基質(zhì)瀝青混合料比PEG瀝青混合料高出34.4%，這是由于PEG材料具有溫度敏感性，當(dāng)處于低溫環(huán)境時(shí)，PEG為脆性材料，容易發(fā)生斷裂破壞，可見PEG瀝青混合料試件斷裂所需要的能量較基質(zhì)瀝青混合料的低。由圖中還可看出玻璃纖維的加入對(duì)PEG瀝青混合料的臨界斷裂能影響較小，其主要影響因素來自PEG材料本身。

圖4 不同玻璃纖維摻量下的臨界斷裂能Fig.4 Critical breaking energy of different glass fiber content

由圖5可知，隨著玻璃纖維摻量的增加，PEG瀝青混合料斷裂韌度上升幅度較小，當(dāng)摻量為0.2%時(shí)，斷裂韌度達(dá)到最大值并且較未摻時(shí)增加了2.4%，說明玻璃纖維的加入對(duì)增強(qiáng)PEG改性瀝青混合料抗開裂性能效果并不明顯。當(dāng)玻璃纖維摻量為0.6%時(shí)，PEG改性瀝青混合料的斷裂韌度急劇下降，表明過高摻量的玻璃纖維會(huì)影響瀝青均勻地分布在集料與集料和纖維與集料之間，進(jìn)而導(dǎo)致混合料抗開裂能力降低。相同玻璃纖維摻量下，PEG瀝青混合料斷裂韌度明顯低于基質(zhì)瀝青混合料，說明除玻璃纖維的影響外，PEG材料對(duì)混合料的斷裂韌度有一定的影響，使得混合料抵抗裂縫開展的能力變?nèi)酰@是由于PEG材料的特殊性質(zhì)，在低溫時(shí)呈固態(tài)并且質(zhì)地較脆，與瀝青黏結(jié)性較差，將其摻入瀝青混合料中容易導(dǎo)致其發(fā)生脆裂破壞。

圖5 不同玻璃纖維摻量下的斷裂韌度Fig.5 Fracture toughness of different glass fiber content

2.3 水穩(wěn)定性

對(duì)不同纖維摻量下的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)得的劈裂抗拉強(qiáng)度RT1、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度RT2比。

2.3.1 劈裂抗拉強(qiáng)度

不同玻璃纖維摻量的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料凍融前的劈裂抗拉強(qiáng)度(RT1)與凍融后的劈裂抗拉強(qiáng)度(RT2)如圖6所示。

由圖6(a)可知，凍融前未摻玻璃纖維的相變?yōu)r青混合料和基質(zhì)瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度差距不大，但玻璃纖維的加入使得兩種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值發(fā)生不同程度的變化。摻量為0.2%、0.4%時(shí)，PEG瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值大于未加的，但差距較小；摻量增加到0.6%時(shí)，PEG瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值略低于未加的；當(dāng)摻量為0.2%時(shí)，兩種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值達(dá)到最大值，基質(zhì)瀝青混合料與PEG改性瀝青混合料相比提高了7.4%，并且較未摻加纖維的兩種瀝青混合料分別提高了8%、12%，說明對(duì)未凍融的PEG瀝青混合料，由于玻璃纖維自身材料較硬，且在瀝青混合料中呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高其抗拉強(qiáng)度。

由圖6(b)可知，凍融后未摻玻璃纖維的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度差距較大；經(jīng)玻璃纖維增強(qiáng)后的PEG瀝青混合料的RT2最大值仍低于基質(zhì)瀝青混合料，說明凍融循環(huán)過程對(duì)PEG瀝青混合料性能影響較大，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)過程中PEG材料在不同溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為不同的形態(tài)。當(dāng)溫度處于-20 ℃時(shí)，呈固態(tài)且質(zhì)脆；當(dāng)溫度處于60 ℃時(shí)，呈流動(dòng)的液態(tài)，經(jīng)過高低溫的循環(huán)作用，相變材料發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，影響瀝青黏結(jié)性，降低合料強(qiáng)度。由此可見，PEG材料雖對(duì)劈裂強(qiáng)度存在不利影響，但玻璃纖維摻入后可使此問題得到改善。

圖6 不同玻璃纖維摻量下的劈裂強(qiáng)度Fig.6 Splitting strength of different glass fiber content

2.3.2 凍融劈裂強(qiáng)度比

不同玻璃纖維摻量的PEG瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料凍融前后的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)如圖7所示。

由圖7可知，PEG瀝青混合料的TSR值低于基質(zhì)瀝青混合料，這表明PEG材料對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的影響。玻璃纖維摻入以后PEG瀝青混合料的TSR值有所提高，并且當(dāng)摻量為0.2%時(shí)達(dá)到最大值，但仍未高于摻玻璃纖維的基質(zhì)瀝青混合料，表明玻璃纖維的摻入可以起到增強(qiáng)PEG瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用，但是效果略遜于改善后的基質(zhì)瀝青混合料。隨著玻璃纖維摻量的增加，相變材料改性瀝青混合料的TSR值呈由高到低的趨勢(shì)，這是由于一方面玻璃纖維摻量過高會(huì)吸附大量的瀝青，使得混合料中起有效粘接作用的瀝青含量逐漸減少，黏結(jié)性下降，從而導(dǎo)致混合料的抗開裂能力降低；另一方面過量的玻璃纖維分布不均勻，凍融循環(huán)過程中若有水進(jìn)入，在外部荷載的作用下形成動(dòng)水壓力使得混合料的強(qiáng)度降低且TSR值下降。

圖7 不同玻璃纖維摻量下的TSR值Fig.7 TSR of different glass fiber content

2.4 調(diào)溫性能

PEG調(diào)節(jié)溫度的能力由材料本身性質(zhì)所決定，并且利用材料在發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)所吸放的熱能來調(diào)節(jié)與外界溫度的轉(zhuǎn)化。本次試驗(yàn)將PEG瀝青混合料、摻玻璃纖維的PEG改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料置于陽光下6 h左右(11:00—17:00)，每15 s記錄一次數(shù)據(jù)，觀察溫度的變化趨勢(shì)，對(duì)比分析玻璃纖維的摻入是否會(huì)對(duì)混合料中PEG的降溫功能有所影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Temperature curve with time

由圖8可知，在溫度檢測(cè)前期，未摻加玻璃纖維的PEG瀝青混合料的溫度比摻加時(shí)高。當(dāng)溫度上升到45 ℃左右時(shí)，基質(zhì)瀝青混合料的溫度急劇上升，在下午14:00—14:40之間，瀝青混合料的溫度達(dá)到峰值，PEG瀝青混合料溫度在53 ℃左右，基質(zhì)瀝青混合料溫度約為55 ℃，說明PEG在瀝青混合料中可起到降溫的作用，具有降溫功能。隨著溫度的升高，由于PEG材料對(duì)溫度敏感，即將開始相態(tài)轉(zhuǎn)化，不斷吸收對(duì)外界環(huán)境的熱量，從而降低了混合料溫度升高的速率。當(dāng)外界環(huán)境溫度進(jìn)一步升高時(shí)，PEG材料逐漸達(dá)到相態(tài)轉(zhuǎn)化的相變溫度，開始向外界吸收大量的熱量，相比較基質(zhì)瀝青，PEG瀝青混合料的溫度降低較多。摻玻璃纖維的PEG瀝青混合料的溫度與未摻纖維的差距較小，說明玻璃纖維的加入對(duì)PEG瀝青混合料的降溫效果影響較小。

3 結(jié)論

利用玻璃纖維對(duì)相變?yōu)r青混合料進(jìn)行改性處理，研究其摻量對(duì)相變?yōu)r青混合料性能的影響，并探究玻璃纖維對(duì)PEG相變材料的調(diào)溫效果。得出如下結(jié)論。

(1)玻璃纖維的加入可有效提高PEG瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)玻璃纖維摻量為0.2%時(shí)，摻玻璃纖維的PEG瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度比未摻時(shí)高51%。

(2)在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的玻璃纖維摻量下，PEG瀝青混合料的低溫性能雖受到影響，但并不顯著；玻璃纖維對(duì)PEG瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的改善作用，然而其性能仍低于基質(zhì)瀝青混合料。建議在今后研究中嚴(yán)格控制PEG材料和玻璃纖維的摻量，從而提高混合料的路用性能。

(3)摻加玻璃纖維幾乎不會(huì)影響PEG材料對(duì)瀝青混合料的調(diào)溫性能，PEG在瀝青混合料中仍具有明顯的降溫效果，并且降溫幅度約為2 ℃。