李鈺, 劉金修, 李澤, 甄天宇

(1.新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830099;2.新疆交通投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000;3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710075)

聚酯纖維因其獨(dú)特的空間分布特性、加筋和橋接效應(yīng)、較強(qiáng)的吸附作用,常被用于瀝青混凝土路面新建或養(yǎng)護(hù)工程,以解決普通瀝青路面常見(jiàn)病害(如車(chē)轍、開(kāi)裂、龜裂、網(wǎng)裂等)[1]。為解決特殊地區(qū)如西北和東北高寒地區(qū)、南方高溫濕熱地區(qū)、北方高強(qiáng)度紫外線(xiàn)輻射地區(qū)路面病害區(qū)域性強(qiáng)、分布范圍廣、管養(yǎng)費(fèi)用高的問(wèn)題,須改善傳統(tǒng)瀝青混凝土的路用性能,提升道路使用品質(zhì)。

有關(guān)在瀝青混合料中摻入聚酯纖維等復(fù)合材料改善其性能和路用指標(biāo)的研究成果較多。在復(fù)合材料性能方面,纖維瀝青混合料中主要以纖維和瀝青為基材,通過(guò)嘗試不同纖維摻量和油石比梯度變化實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的增韌增黏效果,研究瀝青纖維復(fù)合體和纖維瀝青混凝土的材料特性[1-3],如瀝青纖維膠漿、最佳油石比、復(fù)合材料集料級(jí)配設(shè)計(jì)、纖維分散性和復(fù)合材料性能指標(biāo)測(cè)試等[4-5]。在聚酯纖維摻量對(duì)單一或多場(chǎng)耦合作用下瀝青混合料性能的影響方面,文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為瀝青混凝土路面多處于水分、溫度、除雪劑鹽溶液、荷載等單一、兩場(chǎng)或多場(chǎng)耦合作用下,不同纖維摻量和油石比對(duì)纖維瀝青混合料材料性能和使用性能的影響不同。在道路用纖維類(lèi)型和尺寸效應(yīng)方面,通過(guò)選定2種或以上常見(jiàn)路用纖維品種分別進(jìn)行高低溫特性、抗疲勞和水穩(wěn)定性等試驗(yàn),判定某一類(lèi)型纖維對(duì)瀝青混合料材料性能不足的提升和改善效果[8-10],以斷裂韌性為優(yōu)化指標(biāo),篩選出某項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)改善的纖維尺寸。在試驗(yàn)邊界條件和分析方法方面,采用數(shù)字圖像、掃描電子顯微鏡、紫外熒光圖像采集等技術(shù)手段和灰色關(guān)聯(lián)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析纖維在瀝青混合料中的分散性、瀝青混凝土開(kāi)裂機(jī)理、自愈合前后微觀形貌和斷裂性能等[6-7,9,11-13]。目前大多數(shù)研究?jī)H針對(duì)纖維瀝青混合料的常規(guī)性能指標(biāo),對(duì)凍融循環(huán)作用下?lián)脚渚埘ダw維的瀝青混合料性能的劣化機(jī)理、變化規(guī)律與常規(guī)試驗(yàn)條件下性能指標(biāo)的對(duì)比分析較少。本文研究?jī)鋈谘h(huán)條件下不同聚酯纖維摻量瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性等的變化,確定瀝青混合料中聚酯纖維最佳摻量與最佳油石比,分析聚酯纖維瀝青混合料的性能指標(biāo)在凍融循環(huán)作用下的衰減規(guī)律和裂化機(jī)理,為寒旱區(qū)特殊氣候條件下纖維瀝青混合料設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 瀝青。基質(zhì)瀝青采用SK90#,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)表1)。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

(2) 集料。粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)表2、表3)。

表2 粗集料的性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料的性能指標(biāo)

(3) 礦粉。礦粉由石灰?guī)r磨制而成,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)表4)。

表4 礦粉的性能指標(biāo)

(4) 纖維。本文研究聚酯纖維對(duì)瀝青混合料性能的影響。所用聚酯纖維為白色,安全無(wú)毒,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求(見(jiàn)表5)。

表5 聚酯纖維的性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用AC-16型級(jí)配,合成級(jí)配滿(mǎn)足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求(見(jiàn)表6)。

表6 AC-16級(jí)配設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)方案

為研究聚酯纖維摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響機(jī)理和凍融循環(huán)條件下混合料的損傷劣化特性,選擇5種聚酯纖維摻量,分別為0.0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%,通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的最佳油石比,評(píng)價(jià)指標(biāo)包括抗凍融循環(huán)性能、高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性。

凍融試驗(yàn)開(kāi)始前將所有試件進(jìn)行抽真空處理,向裝有試件的密封塑料袋中注入30 mL水,置于-20 ℃低溫冷凍箱中凍結(jié)12 h,再將其置于30 ℃恒溫水浴中保溫12 h,此為一次凍融循環(huán)。每4次循環(huán)作為一個(gè)試驗(yàn)周期,分別采用0、4次、8次、12次、16次、20次凍融循環(huán)為試驗(yàn)周期,每個(gè)試驗(yàn)周期完成后將試件靜置于環(huán)境箱中保溫備用。

采用MTS810萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同聚酯纖維摻量、不同凍融循環(huán)次數(shù)的小梁試件(200 mm×30 mm×35 mm)進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),環(huán)境箱溫度控制精度為±0.1 ℃,小梁彎曲試驗(yàn)溫度為20 ℃,以軸向位移控制,加載速率為2 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

瀝青混合料的油石比隨著外加劑摻量的變化而變化,不同摻量聚酯纖維與瀝青結(jié)合后形成的瀝青膜厚度不同,產(chǎn)生的自由瀝青的富余度直接影響纖維瀝青膠漿與集料的嵌鎖和吸附效應(yīng),進(jìn)而反映在瀝青混合料內(nèi)部細(xì)微觀缺陷,最終導(dǎo)致宏觀性能不斷劣化和損傷度增加。通過(guò)試驗(yàn)確定聚酯纖維摻量為0.0、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時(shí)瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%、5.0%、5.1%、5.4%、5.6%。各項(xiàng)試驗(yàn)均在最佳油石比下進(jìn)行。

3.1 高溫抗車(chē)轍性能

采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)聚酯纖維摻量對(duì)瀝青混合料高溫抗車(chē)轍變形能力的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能與聚酯纖維摻量的關(guān)系

由圖1可知:1) 摻加0.1%、0.2%、0.3%、0.4%聚酯纖維,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別增加5.1%、25.9%、21.6%、12.8%,瀝青混合料高溫抗剪切變形能力有不同程度的提升。2) 隨著聚酯纖維摻量的增加,瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度呈先增大后降低的趨勢(shì),聚酯纖維摻量為0.2%左右時(shí),瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)峰值(3 512 次/mm)。聚酯纖維摻量小于0.2%時(shí),由于瀝青用量較小,摻入有效比表面積較大的聚酯纖維吸附了集料的部分瀝青,導(dǎo)致石料表面瀝青膜有效厚度不足,混合料的各向隨機(jī)流變性降低,表現(xiàn)為高溫條件下車(chē)轍深度大、剪切速率快;聚酯纖維摻量超過(guò)0.2%時(shí),瀝青混合料中除富余的自由瀝青與部分纖維在瀝青膠漿中均勻分散形成縱橫交錯(cuò)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外,剩余的部分纖維在混合料中難以均勻分散,局部團(tuán)聚較多對(duì)集料間吸附和黏合效應(yīng)起到削弱作用,導(dǎo)致瀝青流動(dòng)性增強(qiáng)、混合料高溫抗滑移性能降低。

3.2 低溫抗裂性能

采用極限彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變和彎曲勁度模量評(píng)價(jià)不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青混合料低溫抗裂性能與聚酯纖維摻量的關(guān)系

由圖2可知:1) 聚酯纖維摻量低于0.2%時(shí),瀝青混合料的極限彎拉強(qiáng)度、彎曲破壞應(yīng)變和彎曲勁度模量隨纖維摻量的增加而增大;聚酯纖維摻量超過(guò)0.2%時(shí),三項(xiàng)性能指標(biāo)隨纖維摻量的增加而減小。優(yōu)良的低溫抗裂性能對(duì)應(yīng)的最佳聚酯纖維摻量為0.2%。瀝青混合料中摻入適量聚酯纖維后形成的纖維瀝青復(fù)合膠漿除部分裹覆在集料表面外,其余瀝青填充集料空隙,成型的聚酯纖維瀝青混凝土賦予了材料較強(qiáng)的低溫柔韌性和自愈合能力,在較低溫度下也能保持一定的變形自適應(yīng)能力和較高的抗彎拉強(qiáng)度,對(duì)于增強(qiáng)瀝青路面低溫抗裂性能、減少溫縮裂縫和防止反射裂縫起到積極作用。2) 聚酯纖維摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%時(shí),瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度分別提高7.5%、12.4%、8.6%、5.3%,極限彎曲應(yīng)變?cè)黾?.2%～7.6%,聚酯纖維有助于改善低溫條件下瀝青混合料易開(kāi)裂的特性。

3.3 水穩(wěn)定性

采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比評(píng)價(jià)不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 瀝青混合料水穩(wěn)定性與聚酯纖維摻量的關(guān)系

由圖3可知:1) 摻加聚酯纖維的瀝青混合料的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均增大,摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%時(shí),馬歇爾殘留穩(wěn)定度分別增加2.4%、2.2%、1.5%、0.4%,凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高2.9%、3.2%、1.1%、0.5%。2) 隨著聚酯纖維摻量的增加,馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比總體呈先增大后減小的趨勢(shì),摻量為0.15%～0.2%時(shí)出現(xiàn)峰值。單純從水、溫度、荷載的某一方面評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)特性失之偏頗,研究多場(chǎng)耦合作用下水穩(wěn)定性指標(biāo)更客觀、更貼合實(shí)際情況。聚酯纖維的添加有利于瀝青復(fù)合膠漿充分填隙,降低瀝青混合料空隙率,減少進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部的水分。此外,聚酯纖維的加筋作用使瀝青質(zhì)具備更寬的高低溫上下限閾值,有利于發(fā)揮其自愈合特性,在荷載作用下,凍融試驗(yàn)中試件空隙的水冰相變體積膨脹產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)纖維瀝青混合料空隙內(nèi)壁的擠壓效應(yīng)有所削弱,聚酯纖維的加筋和橋接作用的充分發(fā)揮對(duì)提高集料與瀝青之間抗剝落能力和改善瀝青混合料的水損害性能的效果顯著。

3.4 抗凍融循環(huán)性能

采用彎曲破壞應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)不同聚酯纖維摻量下瀝青混合料的抗凍融循環(huán)性能,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能與聚酯纖維摻量的關(guān)系

由圖4可知:1) 凍融循環(huán)次數(shù)與彎曲破壞應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)12次時(shí),彎曲破壞應(yīng)變下降速率降低并逐漸趨于穩(wěn)定。2) 聚酯纖維摻量為0.15%～0.25%時(shí),不同凍融循環(huán)次數(shù)下混合料的極限彎曲應(yīng)變達(dá)到峰值。摻量為0.4%時(shí)有個(gè)別點(diǎn)呈增大趨勢(shì),可能是由于不屬于同一批次制備的試件,在混合料拌和、車(chē)轍板成型、小梁試件切割等階段存在內(nèi)、外部缺陷導(dǎo)致試件力學(xué)特性差異,但不影響試驗(yàn)結(jié)果的總體演化趨勢(shì)。在損傷初期,混合料內(nèi)部產(chǎn)生的凍融空隙、微裂縫受壓閉合或發(fā)展滯后,當(dāng)彎曲破壞應(yīng)變達(dá)到材料損傷破壞閾值(凍融持續(xù)循環(huán)12次)時(shí),聚酯纖維瀝青混合料內(nèi)部缺陷逐漸發(fā)展、裂縫擴(kuò)展直至試件斷裂破壞。聚酯纖維摻量超過(guò)0.2%時(shí),瀝青混合料內(nèi)部空隙因?yàn)r青用量增加而減小,由水冰相變產(chǎn)生的膨脹力急劇下降,低于聚酯纖維膠漿-集料黏結(jié)力失效閾值時(shí),試件的彎曲破壞不受凍融循環(huán)形成的凍脹壓力控制,演化機(jī)理上表現(xiàn)為纖維瀝青混合料凍融損傷衰減速率逐漸降低并趨于平緩。

4 結(jié)論

(1) 聚酯纖維摻量為0.2%左右時(shí),表征瀝青混合料高溫抗車(chē)轍性能的動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)峰值(3 512 次/mm),低溫抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo)中抗彎拉強(qiáng)度提高12.4%、極限彎曲應(yīng)變?cè)黾?.6%、彎曲勁度模量超過(guò)2 670 MPa,水穩(wěn)定性指標(biāo)中馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高2.2%、3.2%。

(2) 摻加聚酯纖維的瀝青混合料的路用性能指標(biāo)和凍融損傷性能總體呈先增大后減小的趨勢(shì),聚酯纖維摻量為0.2%左右、凍融循環(huán)次數(shù)為12次時(shí),彎曲破壞應(yīng)變出現(xiàn)峰值,抗凍融性能最佳。

(3) 聚酯纖維瀝青混合料的彎曲破壞應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)12次時(shí),彎曲破壞應(yīng)變下降速率變小并逐漸趨向穩(wěn)定。

本文對(duì)聚酯纖維瀝青混合料凍融循環(huán)的研究主要集中在彎曲破壞應(yīng)變指標(biāo)方面,缺乏對(duì)不同聚酯纖維摻量對(duì)低溫彎曲勁度模量與彎拉破壞應(yīng)力的影響、聚酯纖維瀝青混合料凍融疲勞壽命和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的研究,有待進(jìn)一步研究,以全面把握聚合物瀝青混合料的材料特性和使用性能。