李 占 軍

(河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

由不同相對(duì)分子質(zhì)量的碳化合物和非金屬衍生物充分混合后形成的顏色較深的混合物稱為瀝青，其是黏性極高的有機(jī)液體[1-2]。瀝青在土木工程中可作為防水、防腐材料，也是道路建設(shè)工程必不可少的路面鋪設(shè)材料。但瀝青材料并不直接應(yīng)用到路面鋪設(shè)過程中，為使瀝青材料更加堅(jiān)固耐用[3-4]，常使用聚酯纖維、硫酸鈣晶須對(duì)其進(jìn)行改性處理。

聚酯纖維是良好的吸油材料，其較強(qiáng)的吸附能力會(huì)提高瀝青混合料的油石比，增強(qiáng)集料間的黏結(jié)力，起到加筋的作用，進(jìn)而提高瀝青混合料的低溫性能[5-11]。硫酸鈣晶須具有高強(qiáng)度、高模量、成本低廉和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，常用作補(bǔ)強(qiáng)增韌劑或功能型填料用于造紙、橡膠、塑料、膠黏劑等行業(yè)，近年大量研究表明，硫酸鈣晶須可改善瀝青混合料的高溫性能[11-14]。因此，若是將硫酸鈣晶須和聚酯纖維二者結(jié)合改性瀝青，則有希望獲得高溫性能和低溫性能均良好的瀝青混合料。

作者通過聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(簡(jiǎn)稱聚酯)纖維與集料干拌，然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青濕拌,制得硫酸鈣晶須/聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料，考察了硫酸鈣晶須對(duì)瀝青高低溫性的影響，以及硫酸鈣晶須/聚酯纖維復(fù)合改性瀝靑混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，為工程應(yīng)用中提高瀝青混合料的性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

聚酯纖維：牌號(hào)博尼維，美國(guó)Kapejo公司產(chǎn)；硫酸鈣晶須：四川康升晶須科技有限公司產(chǎn)；瀝青：牌號(hào)SK90，阿爾法(江陰)瀝青有限公司產(chǎn)。瀝青和聚酯纖維的性能如表1、表2所示。

表1 SK90瀝青性能Tab.1 Properties of SK90 asphalt

表2 聚酯纖維性能Tab.2 Properties index of polyester fiber

1.2 儀器與設(shè)備

LYY-8型延度儀：滄州歐海試驗(yàn)儀器有限公司制； LZR-3瀝青針入度測(cè)定儀：華沖試驗(yàn)儀器公司制；YLRH-1型瀝青軟化點(diǎn)儀：西安亞星土木儀器有限公司制；HYCZ-5型自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀：滄州精威儀器設(shè)備制造有限公司制;YZM-H 瀝青混合料萬能試驗(yàn)機(jī):上海魅宇儀器設(shè)備有限公司制。

1.3 硫酸鈣晶須/聚酯纖維改性瀝青混合料的制備

(1)將SK90瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，然后稱取一定質(zhì)量的硫酸鈣晶須加入其中，攪拌30 min，制得硫酸鈣晶須改性瀝青。其中， 添加硫酸鈣晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%、8%的改性瀝青分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#試樣。

(2)通過馬歇爾試件的高度確定瀝青混合料的總質(zhì)量，然后根據(jù)AC-13級(jí)配計(jì)算各集料、礦粉的質(zhì)量。將一定質(zhì)量的聚酯纖維加入集料中，與集料一起拌和，讓聚酯纖維均勻的分散于集料中；然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青、礦粉攪拌，制得硫酸鈣晶須/聚酯纖維復(fù)合改性瀝青混合料。改性瀝青的添加量由馬歇爾試驗(yàn)獲得。其中，添加硫酸鈣晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的改性瀝青混合料分別標(biāo)記為6#、7#、8#、9#、10#試樣。具體制備工藝見圖1。

圖1 改性瀝青混合料制備流程Fig.1 Preparation process of modified asphalt mixture

1.4 分析與測(cè)試

針入度：按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用LZR-3瀝青針入度測(cè)定儀測(cè)定試樣在15,25,30 ℃的針入度。

軟化點(diǎn)：按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用YLRH-1型瀝青軟化點(diǎn)儀測(cè)定。

延度：按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》， 將瀝青試樣做成8字型標(biāo)準(zhǔn)試件，分別在10，15 ℃下，采用LYY-8型延度儀以5 cm/min的速度拉伸至斷裂，記錄試件斷裂時(shí)的長(zhǎng)度。

動(dòng)穩(wěn)定度(DS)：按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的車轍試驗(yàn)方法，將瀝青混合料制成尺寸為30 cm×30 cm×5 cm的車轍板試件，然后采用車轍試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，測(cè)試溫度為60 ℃，輪壓為 0.7 MPa，反復(fù)碾壓速度為 33次/min。DS按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：c2是60 min 時(shí)車轍試件變形的量;c1是45 min時(shí)車轍試件變形的量；a,b分別是儀器修正系數(shù)和車轍板修正系數(shù)，均為1.0。

抗彎拉強(qiáng)度(R)和彎曲勁度模量(S)：按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的小梁彎曲試驗(yàn)方法，將瀝青混合料制成尺寸為40 mm×40 mm×240 mm 的立方體試件，然后采用萬能試驗(yàn)機(jī)以跨中加載方式測(cè)定，加載速率為40 mm/min，實(shí)驗(yàn)溫度為-10 ℃。R，S分別按式(2)、式(3)計(jì)算。

R=3LP/2bh2

(2)

S=6hP/L2

(3)

式中：P表示試件破壞時(shí)的最大荷載；h為試件高度；L為試件的跨徑；b為跨中斷面試件寬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸鈣晶須對(duì)改性瀝青高低溫性能的影響

2.1.1 高溫性能

針入度是反映瀝青高溫性能指標(biāo)。從表3可以看出：測(cè)試溫度為15 ℃時(shí), 隨著硫酸鈣晶須含量增加，改性瀝青的針入度先降低后升高；而測(cè)試溫度為25,30 ℃時(shí)，隨著硫酸鈣晶須含量增加，改性瀝青的針入度逐漸降低，說明硫酸鈣晶須可改善瀝青混合料的高溫性能。

表3 改性瀝青試樣的針入度Tab.3 Penetration of modified asphalt samples

這是由于硫酸鈣晶須與瀝青相容性較好，能均布分散在瀝青中，與瀝青形成纖維網(wǎng)絡(luò)，限制瀝青的流動(dòng)性，進(jìn)而增大瀝青的黏稠度，所以針入度降低，但當(dāng)滲透擴(kuò)散至硫酸鈣晶須中的基質(zhì)瀝青輕組分達(dá)到飽和時(shí)，針入度不再降低。適宜的硫酸鈣晶須添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

2.1.2 低溫性能

延度是衡量瀝青低溫性能的重要指標(biāo)。從表4可以看出：測(cè)試溫度為10 ℃時(shí)，隨著硫酸鈣晶須含量的增加，改性瀝青的延度逐漸降低，由43.2 cm降至26.5 cm，降低幅度為38.7%；測(cè)試溫度為15 ℃時(shí)，隨著硫酸鈣晶須含量的增加，改性瀝青的延度值同樣逐漸降低，由134.1 cm降至97.6 cm，降低幅度為27.2%，說明延度在10 ℃下的變化要比15 ℃時(shí)顯著，表明溫度越低，硫酸鈣晶須對(duì)延度的影響越大。

表4 改性瀝青試樣的延度Tab.4 Ductility of modified asphalt samples

2.1.3 溫度敏感性

針入度指數(shù)(IP)是用以描述瀝青溫度敏感性的指標(biāo)，可采用式(1)、式(2)計(jì)算。IP越大，瀝青的溫度敏感性越小。

lgP=AT+K

(4)

IP=(20-500A)/(1+50A)

(5)

式中：T為測(cè)試溫度；P為相應(yīng)測(cè)試溫度下的針入度；A為回歸常數(shù)，表示瀝青的溫度敏感性；K為回歸參數(shù)，表示瀝青柔軟度。

測(cè)得改性瀝青在T為15,25,35 ℃的P，以lgP對(duì)T作圖，擬合曲線的斜率即為A,見圖2。

圖2 改性瀝青試樣的lg P-T曲線Fig.2 lg P-T curves of modified asphalt samples■—1#試樣；●—2#試樣；▲—3#試樣；▼—4#試樣；◆—5#試樣

將A代入式(2)即可計(jì)算出IP，所得結(jié)果列于表5。從表5可以看出，隨著硫酸鈣晶須的增加，改性瀝青的A下降、IP增大，A由0.029 9降至0.025 5，降低幅度為14.7%，IP由2.024 0增至3.186 8，增加幅度為5.7%，說明硫酸鈣晶須可降低瀝青的溫度敏感性。

表5 改性瀝青試樣的A與IPTab.5 A and I([a-z])([a-z])f modified asphalt samples

2.2 改性瀝青混合料的高低溫性能

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

從表6可以看出：硫酸鈣晶須添加量一定時(shí)，隨著聚酯纖維摻量的增加，瀝青混合料的DS呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)；當(dāng)添加聚酯纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%，改性瀝青混合料的DS最佳。這是因?yàn)榫埘ダw維不溶于瀝青，聚酯纖維添加量適中時(shí)，聚酯纖維在瀝青混合料中分散均勻，起到加筋的作用，瀝青混合料的強(qiáng)度提高，高溫性能有所改善，但當(dāng)聚酯纖維添加量過多時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致纖維在瀝青混合料中分散不均而結(jié)團(tuán)，使瀝青混合料強(qiáng)度降低，高溫性能下降。

表6 改性瀝青混合料的DSTab.6 DS of modified asphalt mixture

2.2.2 低溫抗裂性

在低溫及荷載的長(zhǎng)時(shí)間作用下，路面內(nèi)部的應(yīng)力超過瀝青路面的抗拉疲勞強(qiáng)度即會(huì)產(chǎn)生開裂，因此需要評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性。改性瀝青混合料的R和S見表7。

表7 改性瀝青混合料的R和STab.7 R and S of modified asphalt mixture

從表7可以看出，硫酸鈣晶須添加量一定時(shí)，隨著聚酯纖維摻量的增加，改性瀝青混合料的R先增大后減小，S逐漸增大，這是因?yàn)榫埘ダw維添加量過多會(huì)導(dǎo)致纖維在瀝青混合料中分散不均而結(jié)團(tuán)，降低流動(dòng)性，從而影響混合料的R，當(dāng)聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，R達(dá)到峰值，混合料的抗變形能力最強(qiáng)。

3 結(jié)論

a.通過聚酯纖維與集料干拌，然后加入硫酸鈣晶須改性瀝青濕拌制備了硫酸鈣晶須/聚酯纖維改性瀝靑混合料，制得瀝青具有較好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

b.隨著硫酸鈣晶須含量增加，硫酸鈣晶須改性瀝青的針入度下降、延度下降、A減小，IP增大。

c.當(dāng)硫酸鈣晶須添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，隨聚酯纖維含量增加，改性瀝青混合料的DS和R先增大后減小，S逐漸增大；當(dāng)聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，DS、R達(dá)到峰值，混合料的抗變形能力最強(qiáng)。