復合纖維SMA瀝青膠漿性能試驗研究

畢躍忠,桑偉寧

(1.安徽省歙縣交通運輸綜合行政執(zhí)法大隊,安徽 歙縣 245200;2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

SMA瀝青混凝土是較好的路面材料,自從SMA材料引入國內后,開始了大范圍地應用[1]。瀝青路面在我國占據(jù)絕大部分,瀝青混合料的性能對于瀝青路面的性能至關重要。我國引入SMA瀝青材料后,對SMA瀝青的研究也在不斷深入。瀝青是一種粘彈性材料,屬于非牛頓物體,瀝青在高溫和低溫情況下會表現(xiàn)出不同的特征,對瀝青材料的高低溫性能需要嚴格把控,以期延長瀝青路面的使用年限和防止使用過程中發(fā)生的車轍和裂縫等病害。因而需要提升瀝青混合料的性能指標,研究將纖維加入SMA瀝青混凝土中,能夠均勻分散,與SMA相互結合形成網狀結構,可以有效增強SMA各方面的性能[2]。目前,國內的研究主要聚焦于聚酯纖維、玄武巖纖維、木質素纖維單摻于SMA瀝青混凝土中,對各纖維的摻量和長度展開研究[3],王輝[4]等研究了纖維瀝青膠漿的路用性能指標。將木質素纖維作為改性劑加入瀝青膠漿中,通過BBR試驗和DSR試驗,分別探究了木質素纖維對瀝青膠漿高低溫性能的影響,研究驗證,木質素纖維加入瀝青膠漿中,可以提高高溫性能,但瀝青膠漿的低溫性能有所降低。馬冬云[5]研究了不同纖維對瀝青膠漿性能的影響差異。實驗選取了三種纖維,分別是木質素纖維、玄武巖纖維和聚酯纖維,研究顯示,對于瀝青膠漿的高溫和低溫性能,三種類別的纖維均有增強作用,其中效果最好的是聚酯纖維,最差的是木質素纖維。

纖維單摻對于瀝青混合料的高溫和低溫性能具有不同程度的增強作用,但對于纖維混摻的研究較少,課題以聚酯纖維和玄武巖纖維混摻為方向[6],對比聚酯纖維和玄武巖纖維分別單摻,研究聚酯纖維和玄武巖纖維混摻的最佳摻量以及混摻對于SMA瀝青的增強效果[7],課題以瀝青膠漿為研究載體,模仿土的直剪實驗,對瀝青膠漿的抗剪性能進行研究,以DSR實驗和BBR實驗為載體分別研究纖維瀝青膠漿的高溫性能和低溫性能[8]。

1 原材料

1.1 瀝青

實驗采用SBS改性瀝青和高彈復合改性瀝青,高彈改性劑是多種高分子材料合成的棕黃色圓顆粒,高彈改性瀝青是在SBS改性瀝青中加入高彈改性劑制備而成,本實驗采用高速剪切法制備,兩種瀝青的性能如表1所示。

表1 瀝青性能指標

1.2 礦粉

在研究瀝青膠漿實驗中發(fā)現(xiàn),將復摻纖維瀝青膠漿制作完成后,做剪切實驗效果不明顯,在瀝青膠漿中加入礦粉以提高其高溫性能和低溫性能,讓實驗數(shù)據(jù)更加清晰,礦粉選用的是石灰?guī)r粉末,其性能指標如表2所示。

表2 礦粉性能指標

1.3 纖維

試驗采用聚酯纖維和玄武巖纖維兩種纖維,將其分別單摻于瀝青混合料中,以及混摻,將試驗結果進行對比,聚酯纖維和玄武巖纖維的各項性能指標如表3所示。

表3 纖維技術指標

表4 直剪實驗方案

2 實驗結果分析

2.1 纖維瀝青膠漿直剪實驗

瀝青膠漿為顆粒性材料,與土粒類似,土的抗剪強度是用摩爾-庫倫理論[9]表征的,瀝青膠漿也可采用。摩爾-庫倫理論公式(式1)的兩個參數(shù)分別是黏聚力c,內摩擦角φ。

τf=σtanφ+c

(1)

研究不同纖維瀝青膠漿的抗剪強度,對于纖維的作用機理進行分析。本實驗采用內徑70 mm的環(huán)刀制備試件。將熱瀝青灌入環(huán)刀后,等待試件冷卻,再用熱刮刀將多余的瀝青刮除,然后將試件放入35 ℃的恒溫水箱中進行保溫,保溫時間5 h。實驗采用應變控制式直剪儀,采用四種垂直壓力,分別為50、100、150、200 kPa。由于瀝青膠漿相較于土體材料,強度偏低,不能采用和土的直剪實驗相同的剪切速率,應當采用更低的速率,本實驗采用6 mm/min的剪切速率。在實驗中發(fā)現(xiàn)剪切應力-位移曲線中無明顯峰值,而在4 mm的位移時,剪應力相對穩(wěn)定,因而瀝青膠漿的抗剪強度可用4 mm位移時的應力值。

根據(jù)直剪實驗方案進行直剪實驗,將四種壓力下的應力與位移實驗結果取平均值繪制于表5。

表5 不同填料瀝青膠漿抗剪強度平均值

從表5可以看出,纖維瀝青膠漿的抗剪強度平均值明顯高于不摻纖維瀝青膠漿抗剪強度平均值,瀝青膠漿的抗剪強度會隨著纖維的加入而顯著增加,相較于聚酯纖維單摻,復摻方案顯著提高膠漿的抗剪強度,在50、100、150、200 kPa的垂直壓力下,50%聚酯+玄武巖纖維復摻瀝青膠漿比聚酯纖維單摻抗剪強度分別提升了42.4%、54.7%、46.5%、24.7%,試驗證明,復摻聚酯纖維和玄武巖纖維時,聚酯纖維含量30%和70%,提高效果均不明顯,復摻纖維瀝青膠漿時,聚酯纖維和玄武巖纖維按照1∶1摻合時,直剪實驗的抗剪強度值最高。單摻纖維瀝青膠漿時,玄武巖纖維表現(xiàn)明顯高于聚酯纖維單摻和不摻纖維。

根據(jù)瀝青膠漿最大抗剪強度平均值繪制纖維瀝青膠漿的4 mm處的剪應力-垂直壓力曲線圖(強度包絡圖),如圖1～圖5所示。

圖1 聚酯纖維膠漿τf-σ關系曲線

圖2 玄武巖纖維膠漿τf-σ關系曲線

圖3 30%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關系曲線

圖4 50%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關系曲線

圖5 70%聚酯+玄武巖纖維膠漿τf-σ關系曲線

由剪應力-垂直壓力曲線圖可以計算出纖維瀝青膠漿的內摩擦角和粘聚力,見表6。

表6 不同填料瀝青膠漿內摩擦角和粘聚力匯總表

由表6可見,復摻纖維的膠漿內摩擦角較單摻顯著提高,其中效果最好的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻,內摩擦角比單摻玄武巖纖維提高了2.18倍,其次是70%聚酯+玄武巖纖維混摻,比單摻玄武巖纖維提高了1.66倍,單摻聚酯纖維膠漿比單摻玄武巖纖維好,和30%聚酯纖維混摻纖維差別不大,說明聚酯纖維能與瀝青膠漿較好融合,內部縫隙較少,復摻纖維瀝青膠漿的粘聚力明顯優(yōu)于單摻玄武巖纖維,單摻聚酯纖維粘聚力表現(xiàn)較好,與混摻纖維相當,聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻的膠漿粘聚力略高于聚酯纖維單摻,瀝青膠漿抗剪性能提升效果最好的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻。

2.2 動態(tài)流變剪切實驗(DSR)

采用DSR試驗測定瀝青的動態(tài)剪切模量和相位角,瀝青動態(tài)剪切模量測量值的范圍為0.1～10 MPa,將纖維分別作為填料與高彈復合改性瀝青形成瀝青膠漿(粉膠比為1.50),比較兩種纖維單摻和三種比列混摻瀝青膠漿的抗高溫性能。試件制作完成后,在規(guī)定的恒溫水浴浸泡后,應立即試驗。多個試驗溫度時,整個試驗過程宜控制在4 h以內。DSR試驗用抗車轍因子|G*|/sinδ表征瀝青膠漿的抗高溫性能,其值越大,表明瀝青膠漿的抗高溫性能越好。試驗結果見表6。

由表7可見,纖維瀝青膠漿高溫性能與纖維種類和纖維摻量有關,50%聚酯+玄武巖纖維的相位角最大,其次是30%聚酯+玄武巖纖維,其剪切模量|G*|和相位角規(guī)律一致,不同纖維膠漿抗車轍因子差異明顯。不同纖維瀝青膠漿的抗車轍因子由大到小依次為50%聚酯+玄武巖、70%聚酯+玄武巖、30%聚酯+玄武巖、聚酯纖維、玄武巖纖維。50%聚酯+玄武巖纖維瀝青膠漿的高溫性能最好,其抗車轍因子是玄武巖纖維瀝青膠漿的1.67倍,而當混摻纖維中,聚酯纖維摻量超過50%,達到70%后,相位角和抗車轍因子均有所下降,說明聚酯纖維的最佳摻量是50%,當摻量過大時,瀝青膠漿內部已趨于飽和狀態(tài),增加纖維已經不能提高內部流動性,反而會降低瀝青與纖維混合形成握裹結構。

表7 不同纖維瀝青膠漿DSR試驗結果

2.3 瀝青彎曲蠕變勁度實驗(BBR)

瀝青彎曲蠕變勁度試驗用于測定瀝青膠漿彎曲蠕變勁度和m值,它們表征瀝青膠漿的低溫抗裂性能。彎曲蠕變勁度越大,m值越小,表明瀝青膠漿的低溫性能越差,彎曲蠕變勁度試驗溫度取-20 ℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將記錄在不同時間段的荷載和形變。試件模具內部尺寸為:長127±2.0 mm、厚6.35±0.05 mm、寬12.70±0.05 mm。將不同的纖維制作瀝青膠漿(瀝青為高彈復合改性瀝青),測試不同纖維及復摻比例瀝青膠漿的低溫性能。試驗結果見表8。

表8 不同纖維瀝青膠漿BBR試驗結果

由表8可知,50%聚酯+玄武巖纖維瀝青膠漿的實測勁度最小,其次是30%聚酯+玄武巖混摻和玄武巖纖維,在BBR試驗中,玄武巖纖維瀝青膠漿實測勁度明顯高于聚酯纖維,對應的五種纖維瀝青膠漿m值由大到小依次為50%聚酯+玄武巖、30%聚酯+玄武巖、聚酯纖維、70%聚酯+玄武巖、玄武巖纖維,50%聚酯+玄武巖瀝青膠漿的m值最小,其低溫性能最好,單摻聚酯纖維膠漿m值與30%聚酯+玄武巖瀝青膠漿m值差別不大,對于改善瀝青膠漿低溫性能作用效果一致,而單摻玄武巖纖維m值比單摻聚酯纖維m值降低15.9%,單玄武巖纖維瀝青膠漿低溫性能較單摻聚酯纖維差。

3 結 論

(1)在SBS改性瀝青中加入高彈改性劑形成的高彈復合改性瀝青延度、軟化點、針入度指數(shù)均高于原SBS改性瀝青,高彈復合改性瀝青的性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

(2)混摻纖維瀝青膠漿的抗剪強度優(yōu)于單摻纖維,性能最佳的是聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻,抗剪強度較玄武巖纖維單摻提高了2.18倍。

(3)動態(tài)流變剪切實驗驗證了混摻纖維膠漿的高溫性能,與直剪實驗的實驗結果基本一致。

(4)瀝青彎曲蠕變勁度實驗中,聚酯纖維和玄武巖纖維1∶1混摻的低溫抗裂性能最好,其次是30%聚酯+玄武巖纖維混摻。