一次性醫(yī)用口罩作纖維對瀝青混合料路用性能的影響

魏 歡，鄭 亮，閆文俊，趙增剛

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070;2.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司錫林郭勒分公司，錫林浩特 026000)

纖維作為一種瀝青混合料添加劑，能有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性等路用性能[1,2]。纖維瀝青混合料增強機理主要有橋接阻裂作用、界面增強作用、穩(wěn)定作用及增韌阻裂作用[1]。目前，已有研究者將一次性口罩用于建筑材料中。Kilmartin-Lynch等[3]首次將醫(yī)用口罩引入混凝土，發(fā)現(xiàn)摻入小比例的一次性醫(yī)用口罩能夠改善混凝土的力學性能。馬立綱等[4]將一次性醫(yī)用口罩用作瀝青改性劑。一次性醫(yī)用口罩化學成分為聚丙烯材料，可以提高瀝青的剛度和彈性，增加瀝青的高溫抗變形能力，減緩瀝青的老化。程培峰等[5]研究了廢舊口罩熔噴布對瀝青及混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)熔噴布能有效的改善瀝青的高溫抗變形能力。熔噴布改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青相比，具有較好的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性，但其低溫抗裂性不佳。

雖然上述研究將一次性醫(yī)用口罩作為瀝青改性劑，濕法制備了改性瀝青混合料并評估了其性能。但將一次性醫(yī)用口罩作為纖維生產(chǎn)的瀝青混合料性能還有待進一步探索。該文研究了一次性醫(yī)用口罩作纖維對瀝青混合料路用性能的影響，同時觀察了纖維在瀝青混合料中的形態(tài)和分布。

1 試驗與方法

1)原材料

瀝青來自湖北國創(chuàng)高新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其技術(shù)指標如表1所示。聚酯纖維和聚丙烯纖維分別來自常州市天怡工程纖維有限公司和上海臣啟化工科技有限公司，長度均為6 mm。該實驗所用一次性醫(yī)用口罩為振德醫(yī)療用品股份有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用外科口罩，化學成分為聚丙烯。集料為湖北石鑫工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的玄武巖，礦粉采用石灰石礦粉。

表1 瀝青基本性能指標

2)口罩纖維的制備

首先將一次性醫(yī)用口罩去掉口罩帶和鼻夾，然后采用剪刀將口罩剪碎成邊長為6 mm左右的碎片，并進一步采用粉碎機制成口罩纖維。其制備流程如圖1所示。

3)瀝青混合料的制備

選用SMA-13 瀝青混合料，級配曲線如圖2所示。采用馬歇爾試驗方法確定最佳油石比為 6.0%。纖維摻量為0.3%。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定制備瀝青混合料試件。

4)試驗方案

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定對所制備的瀝青混合料試件進行馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、車轍試驗和三點彎曲試驗，評估四種纖維瀝青混合料的路用性能。相關(guān)測試參數(shù)如表2所示。

表2 SMA-13 瀝青混合料相關(guān)測試參數(shù)

采用熒光顯微鏡觀察四種混合料中纖維的圍觀形態(tài)和分布狀態(tài)。樣品采用切割機將低溫彎曲梁試件切割成30 mm×35 mm×5 mm的長方體試件。

2 試驗結(jié)果

2.1 瀝青混合料水穩(wěn)定性能

四種纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：在相同纖維摻量條件下，聚酯纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度最高，口罩纖維瀝青混合料的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度略高于聚丙烯纖維瀝青混合料，且兩者都低于聚酯纖維瀝青混合料。口罩碎片瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度最小。聚酯纖維瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最大，聚丙烯纖維瀝青混合料次之，口罩碎片瀝青混合料最小。這可能是因為聚酯纖維具備很強的瀝青親和力，化學性能穩(wěn)定且強度高，具備很強的耐高溫、耐低溫性能，在 250 ℃的環(huán)境中也不會收縮、變形、軟化和失去強度，而聚丙烯纖維的熔點在170 ℃左右，在瀝青混合料高溫拌和過程中，部分纖維失去了加筋作用。同時該文所制備的口罩纖維由于破碎機破碎過程，使口罩長度和直徑與標準聚丙烯纖維6 mm有所差別?？谡炙槠瑸r青混合料水穩(wěn)定性最低可能是因為口罩碎片在瀝青混合料中分布沒有纖維分布均勻?qū)е碌?。根?jù)JTG F40—2004規(guī)定，采用改性瀝青SMA混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于80%，所以這四種纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均滿足規(guī)范要求。

2.2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能

分別對四種纖維瀝青混合料進行車轍試驗，每組做3次平行試驗，動穩(wěn)定度取3次平均值，試驗結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：聚酯纖維瀝青混合料動穩(wěn)定度最高，口罩纖維瀝青混合料和聚丙烯纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度幾乎相同，且兩者均低于聚酯纖維?？谡炙槠瑸r青混合料動穩(wěn)定度最小。這個試驗結(jié)果與馬歇爾穩(wěn)定度的結(jié)果相一致。

表3 四種纖維瀝青混合料的動穩(wěn)定度

2.3 瀝青混合料低溫性能

四種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變和彎拉強度測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，聚酯纖維瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變和彎拉強度最大，低溫性能最好?？谡掷w維瀝青混合料的彎拉強度和最大彎拉應(yīng)變比聚丙烯纖維略小，這可能是因為該研究中口罩纖維與標準聚丙烯纖維制備工藝不同，導(dǎo)致兩種纖維長度及直徑不同，進而導(dǎo)致彎拉強度和彎拉應(yīng)變略有不同?？谡炙槠瑸r青混合料的最大彎拉應(yīng)變和彎拉強度最小，主要是口罩碎片和纖維在瀝青中分布不均勻?qū)е碌?。同時根據(jù)JTG F40—2004規(guī)定，采用改性瀝青混合料的低溫彎曲試驗破壞微應(yīng)變不小于2 500，所以聚酯纖維瀝青混合料、口罩纖維瀝青混合料和聚丙烯纖維瀝青混合料低溫性能滿足規(guī)范要求，而口罩碎片瀝青混合料低溫性能沒有達到規(guī)范要求。

2.4 纖維在瀝青混合料中的微觀形態(tài)和分布

四種纖維瀝青混合料微觀形態(tài)如圖5所示。黑色部分為玄武巖集料，顯熒光部分為SBS改性瀝青和聚合物纖維。從聚酯纖維瀝青混合料熒光圖像可以看出聚酯纖維在瀝青中分散均勻，聚酯纖維保留初始的條狀。聚丙烯纖維在瀝青中以條狀和點狀分布，口罩纖維和口罩碎片主要以點狀分布在瀝青中，且口罩碎片有結(jié)團現(xiàn)象。這主要是因為聚酯纖維在 250 ℃的環(huán)境中不會收縮、變形、軟化和失去強度，而聚丙烯纖維的熔點在170 ℃左右，在瀝青混合料高溫拌和過程中，部分纖維失去了加筋作用。

3 結(jié) 論

a.四種瀝青混合料中，聚酯纖維的水穩(wěn)定性能、高溫抗車轍性能和低溫性能均最好，口罩纖維瀝青混合料與聚丙烯纖維纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫抗車轍性能和低溫性能幾乎一致，且都小于聚酯纖維瀝青混合料，口罩碎片水穩(wěn)定性能、高溫抗車轍性能和低溫性能最低。

b.聚酯纖維在瀝青混合料中的形態(tài)未發(fā)生改變且分布均勻，而聚丙烯纖維、口罩纖維和口罩碎片在瀝青混合料中以點狀或條狀分布，纖維形狀發(fā)生變化。這可能是因為聚酯纖維化學性能穩(wěn)定且強度高，具備很強的耐高溫、耐低溫性能，在 250 ℃的環(huán)境中也不會收縮、變形、軟化和失去強度，而聚丙烯纖維的熔點在170 ℃左右，在瀝青混合料高溫拌和過程中，部分纖維失去了加筋作用。