畢鵬

(山西省朔州高速公路有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000)

現(xiàn)代社會的發(fā)展對道路材料的性能提出了更高的要求?；炷磷鳛楫?dāng)今最主要的建筑材料，由于其耐壓強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐火、耐水及耐久性優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于交通、建筑領(lǐng)域。但這種材料的不足之處在于其抗拉強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度偏低，自身重量大，成形性不好。因此，近年來越來越多的科研工作者和技術(shù)人員嘗試用纖維來增強(qiáng)混凝土。其中，石棉纖維、鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維以及芳綸纖維已在工程中得到了應(yīng)用。然而，上述纖維材料由于其本身特點所致，存在一定的弊端和短板需解決，比如鋼纖維銹蝕問題，玻璃纖維耐久性問題，聚丙烯纖維和芳綸纖維耐熱性問題等。與之相比，碳纖維是較為理想的增強(qiáng)材料，它具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、耐溫、耐腐蝕、耐磨損等諸多優(yōu)點，在建筑材料中已占有重要一席，受到人們的關(guān)注。

將碳纖維加入到瀝青混合料基體中經(jīng)過道路施工即制備成碳纖維增強(qiáng)瀝青基復(fù)合材料，也稱碳纖維增強(qiáng)混凝土。其中，短切碳纖維三維亂向分散體系目前使用較為廣泛，且由這一體系制成的復(fù)合混凝土性能也較好。其增強(qiáng)效果主要是提高了混凝土的黏結(jié)力、拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，由此提高了混凝土的穩(wěn)定性、耐久性。然而，到目前為止碳纖維瀝青混合料的路用性能研究還相當(dāng)有限，通過高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和低溫抗裂性試驗對碳纖維增強(qiáng)瀝青混凝土路用性能的研究勢在必行，對于今后開展這一類混合料的施工應(yīng)用也具有借鑒意義。該文通過采用不同摻量的碳纖維摻入瀝青混凝土中，來進(jìn)行各項路用性能試驗，以便用于工程施工。

1 試驗研究

1.1 原材料

試驗選擇抗拉強(qiáng)度為3 900 MPa的市售未改性高強(qiáng)型聚丙烯腈基碳纖維。根據(jù)相關(guān)研究成果和市場供應(yīng)情況，選擇短切長度為12 mm的產(chǎn)品觀察其作為瀝青混合料增強(qiáng)材料的性能。其具體指標(biāo)見表1。

表1 碳纖維的性能指標(biāo)

試驗采用加德士70#基質(zhì)瀝青，石灰?guī)r集料。礦料級配如表2所示，為經(jīng)室內(nèi)篩分后逐級回配得到。

表2 瀝青混合料級配

1.2 試驗方法

碳纖維增強(qiáng)瀝青的性能試驗按照J(rèn)TJ 052-2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行，主要測試碳纖維增強(qiáng)瀝青的軟化點、延度和針入度等指標(biāo)。

依據(jù)前期碳纖維增強(qiáng)瀝青混合料拌和試驗的結(jié)論，試驗按照下述流程進(jìn)行備料拌和：首先將石料、碳纖維相互混合后在180 ℃下拌和90 s，再加入瀝青180 ℃下拌和90 s，加入礦粉180 ℃下拌和90 s，最后采用輪碾法進(jìn)行混合料試塊的制作。根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》分別進(jìn)行瀝青混合料的車轍試驗、小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗。其中，碳纖維的摻入量分別為0、0.05%、0.11%和0.17% (摻入量是指所摻入的碳纖維占瀝青用量的質(zhì)量百分比)。根據(jù)前期研究結(jié)論，試驗中確定采用4.5%的油石比，所用短切碳纖維尺寸為12 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面接觸角分析

試驗中考慮到纖維與基體間的黏結(jié)強(qiáng)度難以在混合料中直接量化表征，且纖維與瀝青的界面接觸是其黏結(jié)強(qiáng)度的主要方面，試驗中采用SEM對碳纖維絲浸漬瀝青膠漿前后的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行觀察，針對碳纖維與瀝青的界面接觸角進(jìn)行了觀察。觀察發(fā)現(xiàn)：① 微觀視角下碳纖維絲呈細(xì)長的圓柱形，直徑為7 μm左右，表面有較淺的細(xì)長溝槽。溝槽的存在賦予纖維一定的粗糙度，可以確保其與瀝青的有效浸潤和裹附。此外，碳纖維無顯著表面缺陷，可以保證起到良好的加筋效果。碳纖維浸漬瀝青膠漿后，結(jié)合處體積增加，瀝青膠漿在纖維表面徐徐鋪展；② 碳纖維與瀝青的接觸角為48°左右，說明碳纖維與瀝青的界面浸潤性較好，兩者之間界面結(jié)合良好。這種情況下，可以確認(rèn)碳纖維對瀝青膠漿有一定吸附和穩(wěn)定作用，可以有效地實現(xiàn)對混合料的加筋作用，改善混合料承受荷載的應(yīng)力狀況。

2.2 碳纖維增強(qiáng)瀝青性能分析

采用環(huán)球法測試碳纖維增強(qiáng)瀝青的軟化點，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：隨著碳纖維摻量的增加瀝青的軟化點先增加后減小，在摻加量為0.05%左右時軟化點達(dá)到最高值，約為57 ℃。整體上，碳纖維的添加直接增加了瀝青的軟化點，說明碳纖維的加筋作用對于瀝青的溫度穩(wěn)定性提高存在促進(jìn)作用。然而，當(dāng)添加量持續(xù)增加時瀝青的軟化點不再升高，這可能與碳纖維量的增加顯著提高了拌和難度有關(guān)。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維摻量為0.15%左右時，可以在部分試驗樣本中觀察到纖維聚集的情況。短切碳纖維作為一種對瀝青具有相當(dāng)裹附性的材料，極易因為摻量的增加或添加過于集中造成團(tuán)聚，從而顯著影響碳纖維的分散效果。數(shù)據(jù)表明：維持碳纖維的摻量在一個相對較小的量(例如0.05%及以下)時，其對瀝青的增強(qiáng)效果最佳。

采用瀝青自動針入度儀測試碳纖維增強(qiáng)瀝青的針入度(圖2)。

圖1 碳纖維絲增強(qiáng)瀝青的軟化點與碳纖維摻量的關(guān)系

圖2 碳纖維絲增強(qiáng)瀝青的針入度與碳纖維摻量的關(guān)系

由圖2可知：隨著碳纖維的加入，瀝青的針入度值逐漸降低，尤其是摻加量為0.1%左右時針入度下降劇烈。碳纖維加入后在瀝青中形成縱橫交錯的纖維網(wǎng)絡(luò)，很大程度上將阻滯裂紋或大孔隙的生成，同樣也將顯著降低瀝青的針入度。綜合而言，碳纖維摻量為0.05%左右時針入度的下降尚維持在一個較低的水平，一定程度上保證了瀝青的針入度效果。

采用瀝青延度儀測試碳纖維增強(qiáng)瀝青的延度(圖3)。

圖3 碳纖維絲增強(qiáng)瀝青的延度與碳纖維摻量的關(guān)系

由圖3可知：隨著碳纖維的加入瀝青的延度先上升后下降。其中，纖維摻量為0.05%左右時，瀝青的延度達(dá)到最大值。試驗表明：纖維的加筋效果有助于增加瀝青的延度。然而，這種加筋效果仍然受制于纖維的有效分散。尤其是當(dāng)摻量高于0.1%時，繼續(xù)增加纖維含量不再顯著增加瀝青的延度，反而可能因為纖維的不均勻分散出現(xiàn)延度下降的不良表現(xiàn)。

綜合來看，摻入碳纖維后對瀝青各性能參數(shù)的提升存在較大的不同。其中，碳纖維對瀝青軟化點的改善效果最明顯，而對延度的改善效果則較小，側(cè)面反映了碳纖維增強(qiáng)對瀝青性能改善的差異性，這是進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)瀝青混合料設(shè)計需要引起重視的。

2.3 碳纖維增強(qiáng)瀝青混合料的性能

根據(jù)JTJ 052-2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行不同碳纖維絲摻量的瀝青混合料車轍試驗(圖4)。

圖4 碳纖維增強(qiáng)混合料的車轍試驗結(jié)果

由圖4可知：瀝青混合料車轍性能隨著碳纖維絲摻量的增加呈現(xiàn)先增大后不變的趨勢，摻量為0.05%時抗車轍性能達(dá)到最大值(1 420次/mm)。碳纖維的摻加不僅增加了瀝青的黏度，其對混合料彈性模量也有顯著的增強(qiáng)作用，從而整體上提高了混合料的高溫抗車轍變形能力。然而，隨著纖維的繼續(xù)加入，其抗車轍能力并非持續(xù)增加。這是因為加入過量的纖維可能使黏度增加過快，甚至出現(xiàn)纖維團(tuán)聚的現(xiàn)象，從而不利于彈性模量和抗車轍能力的持續(xù)增加。

碳纖維絲增強(qiáng)瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果見圖5。

由圖5可知：隨著碳纖維摻量的增加抗彎拉強(qiáng)度先增大后減小，且碳纖維摻量為0.05%時，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值(2.74 MPa)，相應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)? 650 με。首先，必須肯定碳纖維對瀝青的加筋作用對于增強(qiáng)混合料的抗彎拉強(qiáng)度具有非常顯著的效果。然而，與纖維增強(qiáng)瀝青的延度變化規(guī)律相類似，這種加筋效果仍然受制于纖維的有效分散。當(dāng)摻量高于0.1%時，尤其是當(dāng)碳纖維過量添加導(dǎo)致纖維開始出現(xiàn)團(tuán)聚時，混合料的抗彎拉強(qiáng)度不再顯著增加，反而可能因為纖維的不均勻分散出現(xiàn)強(qiáng)度下降的不良表現(xiàn)。

碳纖維增強(qiáng)瀝青混合料凍融試驗結(jié)果見圖6。

圖5 碳纖維增強(qiáng)混合料的小梁彎曲試驗結(jié)果

圖6 碳纖維增強(qiáng)混合料抗拉強(qiáng)度比與碳纖維摻量的關(guān)系

由圖6可知：碳纖維摻量為0.05%時達(dá)到凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)峰值(90%)。表明碳纖維的加入增大了瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度比，但摻量為0.1%以上時，TSR的變化不再明顯。上述變化規(guī)律表明，碳纖維的加入有效改善了混合料的抗凍融效果，有助于提高材料的低溫抗變形能力。不容忽視的是，纖維對混合料抗凍融效果的增強(qiáng)調(diào)節(jié)仍然有最優(yōu)條件的限制。該試驗中碳纖維摻量為0.05%左右時，混合料的各項參數(shù)均較優(yōu)。

3 結(jié)論

考察了碳纖維增強(qiáng)瀝青混凝土的路用性能，可得結(jié)論如下：

(1) 瀝青膠漿對短切碳纖維具有較好的裹附性，能夠?qū)崿F(xiàn)對瀝青的性能增強(qiáng)。

(2) 采用長度為12 mm短切碳纖維對瀝青進(jìn)行增強(qiáng)時，瀝青軟化點、針入度和延度均有一定的改善，但是改善的程度存在較大的差異性。

(3) 碳纖維摻量為0.05%左右時，瀝青及其混合料的性能達(dá)到最佳，其中車轍性能為1 420次/mm，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到2.74 MPa，相應(yīng)的破壞應(yīng)變?yōu)? 650 με，最大TSR為90%。