路用纤维（共7篇）
路用纤维 篇1
纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料,在沥青混凝土中的研究和应用得到了很大的发展。国外学者的研究表明,纤维对沥青混凝土的综合路用性能有所改善。我国在此方面的研究起步较晚,但发展迅速,也取得了一些成果。本文对掺加博尼维纤维和未掺加纤维的沥青混凝土分别进行路用性能试验,比较两者试验结果,研究纤维对混凝土路用性能的影响并分析其作用机理。
1 试件制备
1.1 原材料及配比
试验采用兰炼90号重交通沥青,碎石为浅灰色石英砂岩,砂采用天然砂,石屑为浅灰色石英砂岩,矿粉采用磨细石灰岩矿粉,试验原材料各项性能指标均满足规范要求。选用AC-13Ⅰ型级配范围中值作为推荐级配。
1.2 试件成型
制备两组沥青混凝土:一组为普通沥青混凝土,密度为2.394 g/cm3,油石比5.6%;另一组在沥青混凝土中按技术要求加入1.14‰的博尼维纤维,混合料的密度为2.368 g/cm3,油石比为5.8%。可见,沥青混凝土加入纤维后沥青用量略有增加,而密度有所降低。这是因为博尼维纤维是聚酯纤维,由于纤维的加入如同填料一样,需要有更多的沥青包裹在纤维的表面,加入纤维造成沥青混凝土总表面积增大,从而增大最佳沥青用量;另外,由于博尼维纤维质量较轻,在混合料中必然占据一定的空间,加之具有一定弹性,所以在相同的击实功能(75次或50次)和试件高度要求(63.5 mm±1.3 mm)下,混合料的密度必然会相对降低。根据规范要求,采用马歇尔击实法成型低温劈裂和冻融劈裂试件;用轮碾仪成型车辙试验板和疲劳试验板并切割成相应规格的试件。
2 试验及结果分析
2.1 沥青混凝土高温性能
通过车辙试验评价沥青混凝土的高温性能,依照JTJ 052-2000公路工程沥青与沥青混合料实验规程的试验方法,分别测试了掺加纤维和未掺加纤维的沥青混凝土在各自最佳沥青用量下的动稳定度(60 ℃),试验结果如表1所示。
由表1可知,添加纤维后,动稳定度由617次/mm提高到1 032次/mm,提高幅度达到2/3,说明掺加纤维可以显著提高沥青混凝土的动稳定度,从而提高沥青混凝土的高温稳定性。
由表1可知,未加纤维的沥青混合料车辙深度趋势线在初压后基本呈直线,而加入纤维的沥青混合料呈上凸形,表明碾压达到一定次数后,纤维沥青混合料具有更小的变形增量,抗车辙性能强于未掺加纤维的沥青混凝土。试验过程中也发现,未加纤维沥青混合料车辙深,隆起现象严重,而加入纤维后,这些现象明显减轻。添加纤维对沥青混凝土的初期压密变形影响不大,而对后期的侧向流动变形有较大的影响。
综合以上研究认为,添加纤维可显著改善沥青混凝土的高温稳定性。究其原因:认为纤维可吸附和稳定沥青,使沥青的粘稠度和粘聚力增大,同时聚合物纤维在混合料中分布均匀,在混合料中以多向丝样分布,按照混合料总重0.114%的比例加入纤维,大约每立方米有超过10亿根分离纤维起到“加筋”作用,使混凝土具有较高强度,从而提高混凝土的抗车辙性能。
2.2 低温抗裂性能
沥青混合料的低温抗裂性能是指沥青混合料抵抗低温裂缝的能力。采用低温劈裂试验(-10 ℃,1 mm/min)评价纤维沥青混凝土的低温性能,采用美国的MTS材料试验机进行测试,其结果如表2所示。
从实验结果可知,加入纤维后,混合料劲度模量减小,而破坏应变变化不大,说明纤维沥青混凝土的低温性能优于普通沥青混凝土。这与纤维具有良好的物化性能有关,纤维在低温(-40 ℃以下)仍能保持较好的柔性和较高的抗拉强度,通过其加筋作用增强了沥青混凝土的柔性,从而提高其低温抗裂性能。
2.3 沥青混合料的水稳性
水损害是沥青路面一种常见的病害形式。其产生原因是沥青混合料在动水压力作用下,沥青膜逐渐从矿料表面剥离,降低了矿料间的粘聚力,使沥青路面混合料出现掉粒、松散、坑槽等病害。本研究通过冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳性。
本研究采用英国ELE公司生产的自动马歇尔仪,进行冻融劈裂试验,试验结果如表3所示。
由表3可知,加入纤维后,沥青混凝土冻融前后的劈裂强度均略高于未掺加纤维的沥青混凝土,且在冻融循环苛刻条件的作用下,劈裂强度降低程度小,残留强度比达到83%,这说明添加纤维可显著提高沥青混凝土的抗冻融性能。由于沥青混凝土中的纤维多向分布,起着加筋作用,使混合料的抗力增加,提高了沥青混合料的劈裂强度;另外由于纤维的加入使粘附在矿料周围的沥青膜变厚,粘聚力变强,从而提高了沥青混凝土的抗剥落性能,提高其抗水损害能力。
2.4 沥青混合料的耐久性
采用从美国进口的MTS材料试验机,对两组沥青混凝土进行了疲劳弯曲试验,结果见表4。
由试验结果可知,纤维的加入使混合料的疲劳寿命增加。这是因为纤维纵横交错的多向分布,使裂缝的扩展受到一定程度的阻碍和限制,再加上沥青用量略有增大,沥青混合料的柔性增强,有利于微细裂纹在荷载间隙的弥合,所以混合料的疲劳寿命增加。特别是聚合物纤维在混合料中的“加筋”作用,使混合料的均匀性、整体性提高,劲度增大,抗疲劳性能增强。
3 结语
由于纤维具有吸附性且质量轻,加入纤维后沥青混凝土的沥青最佳用量有所增加,密度有所降低;同时由于纤维在沥青混凝土中纵横交错的分布和加筋作用,可提高沥青混凝土的高温、低温、抗水损害和疲劳耐久性等路用性能,具有重要的研究价值和现实意义。
摘要：在沥青混凝土中添加博尼维纤维,并与未掺加纤维时沥青混凝土的高温、低温、水稳性和疲劳耐久性等性能进行了比较分析,研究了掺加纤维对沥青混凝土路用性能的影响及其作用机理,从而促进纤维沥青混凝土路用性能的研究。
关键词：纤维,沥青混合料,路用性能
参考文献
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路用纤维 篇2
随着我国公路交通的发展, 交通量迅速增加、车辆轴重增加、速度提高和交通渠化以及普遍的车辆超载现象愈来愈严重, 对高等级公路沥青路面所用的原材料及沥青混合料性能提出了更高的要求。经过国内外多年的高等级公路建设与管理实践, 沥青路面在技术和质量上普遍存在的主要问题是道路的耐久性和路面结构的早期破坏问题。在我国存在一些新建道路开放交通很快出现坑槽、开裂、车辙和抗滑性能降低现象, 个别严重的路段不得不进行大修, 造成严重的经济损失和不良后果。因此, 改善沥青路面的实用品质, 延长道路的使用寿命, 提高公路建设投资效益, 是我国道路工程技术人员所面临的重要课题。我国自1998年以来开始从美国进口聚酯纤维, 并在许多地方的公路建设中广泛应用, 经调研应用效果较好[1,2,3,4]。本文通过对普通沥青混合料的组成结构和强度作用特性的分析, 在聚酯纤维改善沥青混合料作用机理有关研究的基础上, 分析聚酯纤维对沥青砼路用性能影响的机理。
1沥青混合料的结构和强度特点
沥青路面的铺筑材料—沥青混合料爱上一种复合材料, 主要是由沥青结合料、粗集料、细集料和矿粉以及外掺剂所组成的复合材料。胶浆理论认为, 沥青混合料是一种具有空间网络结构的多相分散体系, 而从宏观上讲, 可以认为它是由骨料、沥青和空气所组成的一种三相体系[1]。这三级分散系以沥青胶浆最重要, 它的组成决定着沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力。胶浆理论比较强调, 采用高稠度的沥青、大的沥青用量以及采用间断级配的矿质混合料。这些组成材料在混合料中, 由于组成材料质量的差异和数量比例的不同, 可能形成不同的组成结构, 表现出不同的力学性能, 沥青混合料的性能影响很大, 尤其对混合料结构强度的产生至关重要。根据沥青混合料的矿料级配中粗细骨料的不同分布, 嵌挤与密实作用所占比重的差异可将沥青混合料划分为三种典型的结构类型[1], 即密实悬浮型、骨架空隙型和密实骨架型。
沥青混合料在常温和较高温度下, 由于沥青的粘结力不足而产生的变形或由于抗剪强度不足而破坏, 一般采用库伦理论分析其强度和稳定性。沥青混合料的强度主要由骨料颗粒间的内摩阻力和嵌挤力与沥青胶结料提供的粘结力和内聚力所构成, 而不同沥青混合料的内摩阻力相差不大, 但粘聚力却相差较多, 这表明沥青混合料中沥青胶结料的粘结作用比摩阻作用更显著, 故沥青胶结料对沥青混合料的强度贡献更大, 作用也更加明显。也就是说, 沥青胶结料的性能决定了沥青混合料的最终性能。
2聚酯纤维对沥青砼路面性能作用机理
聚酯纤维混凝土是继钢纤维混凝土后发展起来的。由于聚酯纤维呈惰性, 不受混凝土酸碱性环境影响而衰变, 也不吸收湿气, 还具有高强度、高弯曲弹性、高延伸率、高取向性、易拌和等性能。在纤维混凝土路面应用中, 克服了钢纤维混凝土路面出现的“腐蚀锈”“凸尖”等路面现象。聚酯纤维的断裂延伸率表征纤维的强度及韧性, 断裂延伸率越大说明该材料的韧性越好, 不易拉断, 这样掺入沥青混合料中就可提高其抗裂性能, 在昼夜温差的热胀冷缩及外力冲击等的影响下, 聚酯纤维沥青混合料可以承受很大的拉伸变形, 作为沥青凝土纤维加强筋, 能够很好地提高沥青砼路面的力学性能。另外, 其力学性能特点表现为在-40 ℃～250 ℃的温度内不脆化、不软化变形, 每根纤维都是独立的, 具有极强的吸附性, 且不缠绕, 能够产生巨大的内聚力, 可以大大抑制沥青混凝上的开裂、剥落, 最终达到提高公路质量和延长寿命的效果。因此, 聚酯纤维沥青混凝上的发展非常迅速。据有关研究[2,3], 聚酯纤维添加在沥青混凝土中的作用机理可以归结为如下几点:
(1) 加筋作用。沥青砼是一种靠沥青粘合在一起的散料组合体, 可以认为是不承受拉应力的。纤维在混合料中以三维分散存在, 起到了加强筋的作用, 增加了沥青与矿料的粘附性, 提高了集料之间的粘结力。在纤维沥青混凝土中, 纤维的作用等同于钢筋混凝土中钢筋的作用, 可承受拉应力。纤维通过与骨料的咬合作用, 形成较大的摩擦角, 同时加上沥青胶浆的粘聚作用, 将基体的拉应力传递给纤维, 并主要由纤维来承担;
(2) 分散作用。如果不添加纤维, 沥青混凝土中较大量的沥青、矿粉很可能结为胶团, 沥青路面将能清楚看见油斑的存在, 而添加纤维后可以使胶团均匀分散在集料中;
(3) 吸附沥青作用。沥青混合料中加入纤维稳定剂后, 这些纤维能够充分地吸附沥青, 从而使沥青油膜用量增加。沥青油膜变厚, 以加强沥青砼在大空隙情况下的粘结力, 增强耐久性;
(4) 稳定作用。纤维能使集料表面的沥青处于比较稳定的状态, 尤其在夏季高温的情况下, 沥青受热膨胀时, 纤维内部的空隙将成为缓冲, 不至于成为自由沥青而泛油, 从而提高了沥青混凝土的高温稳定性能;
(5) 增粘作用。纤维将增加沥青和矿料的粘附性, 通过沥青油膜的粘结作用, 提高集料之间的粘结力, 进而提高了沥青砼的水稳定性能;
(6) 阻裂作用。由于复合在沥青基体内的短纤维的分布是三相随机的, 且数目众多, 故混合料中小裂纹周围甚至内部会有许多短纤维, 这些纤维对混合料的开裂起到阻滞作用, 从而提高沥青路面裂纹的自愈能力, 减少裂缝的出现。
就对沥青混合料路用性能影响很大的高温稳定性及低温抗裂性而言, 聚酯纤维的改善作用可以从以下角度进行分析。
(1) 高温稳定性。
纤维—沥青基体界面为一个至几个分子层厚的区域, 其结构和性能对复合材料的物理力学性能起着重要作用[2]。由于界面粘结、吸附等作用取决于纤维的原子排列、化学性质以及沥青基体的分子结构和化学组成, 故其界面性质是因不同纤维—沥青基体系统而异的。沥青中酸性树酯组分是一种表面活性物质, 它在纤维表面产生的物理浸润、吸附甚至化学键作用, 使沥青呈单分子状排列在纤维表面。形成结合力牢固的“结构沥青”薄膜。它比薄膜以外的自由沥青粘性大, 耐热性好。同时, 由于纤维直径极细, 纤维及其周围结构沥青一同裹覆于集料表面, 使沥青膜厚度及性质都发生变化。由于纤维加入致使沥青用量增加, 使沥青膜增厚。较厚的沥青膜减慢了沥青老化速率, 从而可长时间地维持其粘弹性, 改善沥青混合料的高温性能, 延长路面使用寿命;
(2) 低温抗裂性。
若沥青粘度过大, 普通沥青混合料在低温下会产生脆断现象, 由于纤维的模量值和延伸变形能力都很强[2], 具有强的延伸性和有效的应力分布以及阻裂功能使得在低温下仍能保持很强的增韧效果, 当路面产生裂缝时而不致于松散破碎, 从而提高了沥青混合料的低温抗裂性能。另外, 由于纤维具有良好的耐磨阻特性, 基质纤维可形成保护集料的保护层。较低温度下, 纤维增韧的沥青胶浆对集料颗粒粘裹力增大, 使整体不易分散, 同样改善了沥青面层的耐磨耗性能。
3聚酯纤维沥青砼路用性能分析
目前在改善沥青混合料路用性能方面从事的研究, 一方面通过改善骨料的集配来提高沥青混合料的高温抗变形能力, 如SMA (沥青玛蹄脂) 结构和SAC (多碎石) 结构等;另一方面通过改善沥青的品质以提高其混合料的粘聚力和高、低温性能, 如SBS, SBR和PE改性沥青等;再一研究方向就是在沥青混合料中加入纤维材料, 以改善沥青混合料的整体物理力学性能[2,3]。众所周知, 沥青混合料具有明显的粘弹性特性, 其强度和刚度随温度变化差别很大。聚酯纤维作为沥青砼的添加材料, 最近几年在我国的高级沥青路面得到了广泛应用。而在混合料中添加纤维后, 在高温下纤维对沥青的稳定和加筋作用, 可提高混合料的高温性能;低温时纤维的加入可分散荷载与温度应力, 而且较大的沥青用量可增大混合料的柔性, 低温性能得以提高。
孙艳红[4]通过室内试验对聚酯纤维沥青混凝土的路用性能进行了研究, 结果表明, 聚酯纤维在沥青混凝土中可以改善混合料的高低温性能, 提高路面高温抗车辙和低温抗开裂的能力, 改善路面的使用性能, 但沥青混合料抵抗水损害能力降低。同时在施工过程中应重视混合料的压实, 保证空隙率维持在正常水平, 否对水稳定性和疲劳性能会产生不利影响。陈刚[5]通过研究认为, 在沥青混凝土中添加聚酯纤维后, 沥青混凝土的路用性能有明显改善:由于纤维吸附作用, 沥青混凝土的最佳油石比需增加0.1%～0.3%;沥青混凝土的残留稳定度有所提高, 聚酯纤维的加入使沥青混凝土的水稳定性能得到改善;可大幅降低沥青混凝土的飞散质量损失, 其降低幅度可达到61%～83%, 抗飞散性能的改善, 沥青混凝土粘聚力有所提高, 有助于提高沥青混合料抵抗各种外界复杂荷载的能力;提高了沥青混凝土的动稳定性, 提高幅度为30%～60%, 这表明掺加聚酯纤维的沥青混凝土, 抗车辙能力得到较大的提高;小梁低温弯拉强度和弯拉应变略有提高。
可见, 采用聚酯纤维作为添加剂是加固沥青路面、提高路面质量的一个有效的措施。聚酯纤维的加入, 可提高混合料的综合路用性能, 并能够改善沥青砼路面的使用性能。为此, 未来需要学习和借鉴国外先进的理念和试验手段, 引进新材料, 考虑各地具体条件, 通过试验和理论分析、现场跟踪监测等方法, 深入研究聚酯纤维对沥青混合料长期路用性能及其衰减特征的影响。 [ID:5683]
摘要：随着我国公路交通的快速发展, 交通量迅速增加、车速提高、交通渠化、轴载增加以及普遍的车辆超载现象, 对高等级公路沥青路面所用的沥青混合料性能提出了更高的要求。有关研究表明, 聚酯纤维的加入可提高混合料的综合路用性能, 并能够在一定程度上改善沥青砼路面的长期使用性能。本文在此基础上分析了聚酯纤维对沥青砼路用性能作用机理。
关键词：聚酯纤维,沥青砼,路用性能,作用机理
参考文献
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路用纤维 篇3
1 原材料与试验方案
1.1 原材料
本研究采用湖南宝利沥青公司的SBS改性沥青, 主要技术性能指标见表1, 符合《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F 40—2004) [8]聚合物改性沥青I-D的技术要求。采用石灰石矿粉作填料, 其各项性能指标均符合规范要求。采用山东青岛天源达LG-150-96高碳鳞片石墨, 主要性能指标见表2。采用南京纬达的9mm短切PAN基碳纤维, 主要性能指标见表3。
1.2 试验方案
首先固定粉胶比0.8和碳纤维掺量0.2%, 分别制备石墨掺量为0%、10%、20%、30%和40%的石墨碳纤维沥青胶浆;然后固定粉胶比0.8和石墨掺量20%, 分别制备碳纤维掺量0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的石墨碳纤维沥青胶浆, 其中碳纤维为沥青胶浆质量百分比, 石墨为改性沥青体积百分比。
对10种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆分别进行软化点试验、动态剪切流变试验、延度试验、弯曲蠕变劲度试验以及Brookfield旋转粘度试验, 分析石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆路用性能的影响。
2 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆高温性能的影响
2.1 软化点试验
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E 20—2011) [9]规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行软化点试验, 试验结果如图1、图2所示。
从图1可以看出:随着石墨掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的软化点一直呈增大趋势, 并且随着石墨掺量的增加提高的幅度逐渐增大, 其变化曲线近似开口向上的二次抛物线, 相关系数达到0.997。
从图2可以看出:随着碳纤维掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的软化点一直呈增大趋势, 并且随着碳纤维掺量的增加提高的幅度逐渐变小, 其变化曲线近似开口向下的二次抛物线, 相关系数达到0.990。
2.2 动态剪切流变试验
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E 20—2011) [9]规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行动态剪切流变试验, 采用70℃时的抗车辙因子G*/sinδ来评价沥青材料抗高温变形能力, 试验结果如图3、图4所示。其中掺40%石墨碳纤维沥青胶浆的G*/sinδ超出了仪器测量范围, 无法进行测定。
从图3可以看出:掺了0.2%的碳纤维沥青胶浆的G*/sinδ达到了16.9kPa, 在掺入10%的石墨后快速降到了10kPa, 这是因为石墨是一种良好的润滑剂, 层间具有典型的分子相互作用, 作用力极小, 层间易滑动, 因此降低了沥青胶浆的抗剪切变形能力。随着石墨掺量的继续增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的G*/sinδ一直呈增大趋势, 但是仍然没有达到达到16.9kPa。这是因为石墨对沥青的吸附作用使沥青胶浆更稠硬, 从而一定程度上提高了其抗剪切变形能力。
从图4可以看出:随着碳纤维掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的G*/sinδ一直呈增大趋势, 其变化曲线近似开口向上的二次抛物线, 相关系数达到0.988。这是因为碳纤维不仅对沥青有吸附作用, 而且具有加筋增强作用, 从而提高了石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力。
3 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆低温性能的影响
3.1 延度试验
从图5可以看出:随着石墨掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的延度一直呈减小的趋势, 其变化曲线近似开口向上的二次抛物线, 相关系数达到0.988。说明随着石墨的加入, 沥青胶浆塑性变形能力降低, 并且随着石墨掺量的增加下降幅度减慢。
从图6可以看出:随着碳纤维掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的延度一直呈减小的趋势, 其变化曲线也近似开口向上的二次抛物线, 相关系数达到0.996。说明随着碳纤维的加入, 沥青胶浆的塑性变形能力也会降低, 并且随着碳纤维掺量的增加下降幅度减慢。
3.2 弯曲蠕变劲度试验
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E 20—2011) [9]规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行沥青弯曲蠕变性质试验, 采用-10℃时沥青胶浆弯曲劲度模量和m值评价沥青低温抗裂性能, 试验结果如图7、图8、图9和图10所示。
从图7可以看出:随着石墨掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量一直呈增大趋势, 其变化曲线近似开口向下的二次抛物线, 相关系数达到0.998。说明随着石墨掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆变得更脆更硬, 低温抗裂性能下降。
从图8可以看出:随着碳纤维掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量呈增大趋势, 但是在碳纤维掺量达到0.2%后, 石墨碳纤维沥青胶浆的弯曲劲度模量变化趋于平缓。说明碳纤维掺量小于0.2%时, 石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性能随碳纤维掺量的增加呈下降趋势, 而在碳纤维掺量大于0.2%以后, 石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性能变化较小。
从图9可以看出:石墨碳纤维沥青胶浆的m值随石墨掺量的增加呈先增大后减小的趋势, 在石墨掺量20%时达到最大值。说明石墨掺量小于20%时, 石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力随石墨掺量的增加呈增大趋势;而在石墨掺量大于20%以后, 石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力逐渐下降。
从图10可以看出:石墨碳纤维沥青胶浆的m值随碳纤维掺量的增加呈开口向下的二次抛物线变化, 相关系数达到0.936, 在碳纤维掺量0.2%时达到最大值。说明在碳纤维掺量在0%~0.2%之间时, 石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛能力呈增大趋势, 而在碳纤维掺量大于0.2%以后, 石墨碳纤维沥青胶浆的应力松弛逐渐下降。
4 石墨和碳纤维掺量对沥青胶浆施工和易性的影响
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E 20—2011) [9]中T 0625规定的方法对十种不同掺配的石墨碳纤维沥青胶浆进行布氏旋转粘度试验, 测量影响前后沥青胶浆试样在温度175℃、转子型号21号以及转子速率为20r/min下的粘度, 试验结果见表4、表5。
注:表中##代表由于扭矩百分比超出了仪器测量范围, 无法进行粘度测量。
从表4可以看出:掺了0.2%的碳纤维沥青胶浆的旋转粘度为0.714Pa·S, 在掺入10%的石墨后急剧增加到了3.61Pa·S, 说明石墨的加入使得沥青胶浆变得更加稠硬, 施工和易性下降。但当石墨掺量继续增加时, 石墨碳纤维沥青胶浆的旋转粘度增大幅度减小, 当石墨掺量增加到30%时, 扭矩百分比超出了仪器测量范围, 已无法进行粘度测量。
从表5可以看出:随着碳纤维掺量的增加, 石墨碳纤维沥青胶浆的旋转粘度呈增大趋势, 施工和易性下降。但由于掺量非常小, 使得克服的扭矩增加比较小, 所以布氏黏度增加幅度较小。当碳纤维掺量增加到0.3%时, 扭矩百分比超出了仪器测量范围, 已无法进行粘度测量。
4 结论
a.石墨的加入降低了石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力和低温抗裂性, 并且显著降低了石墨碳纤维沥青胶浆的施工和易性。
b.碳纤维的加入可以提高石墨碳纤维沥青胶浆的抗高温变形能力, 但是降低了石墨碳纤维沥青胶浆的低温抗裂性和施工和易性。
参考文献
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路用纤维 篇4
为了增强沥青路面的使用性能, 尤其是防止路面早期开裂及高温车辙, 纤维材料在沥青混合料中得到大量应用[1]。纤维分散于沥青混合料中, 能够利用吸附作用, 纤维胶浆空间胶结网络作用以及其自身的高强度抗拉作用对界面进行增强。
从目前研究和应用成果, 路用纤维的种类和规格也比较广泛, 为了将纤维的增强作用体现的更为明显, 则应根据工程实际的技术特点来对纤维的特性进行对比分析, 纤维的种类、长度、直径、分布情况等都会对沥青混合料的性能产生直接影响[2]。
纤维的种类丰富, 当前沥青混合料中掺入的纤维种类一般有聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维、木质纤维等, 张争奇等人通过室内试验对纤维沥青混合料的路用性能进行研究, 表明聚酯纤维沥青混合料具有良好的高低温性能[3]。
纤维胶浆在纤维沥青混合料中所占比例虽小, 但其作为多维空间胶结体系的重要部分, 直接影响纤维沥青混合料的各方面性能, 具有重要的胶结作用。
为此, 本文首先对三种纤维的技术性能进行试验研究, 其次通过制作纤维胶浆材料, 研究纤维种类对于纤维胶浆粘度的影响。
1 纤维种类
1.1 木质素纤维
木质素纤维原材料为植物, 经过高新技术处理, 重新拉丝成纤维, 在260℃高温以上进行处理, 其化学性质非常稳定[4], 木质素纤维放大200倍及2 000倍后的微观形貌如图1所示。
1.2 聚酯纤维
聚酯纤维为新技术防裂增强型材料, 其主要原材料为聚酯 (PET) 生产过程中掺入母体材料, 经过熔融、挤出、高速度喷丝、高倍率拉伸, 再经过表面处理技术, 利用专业剪切设备切断而成[5], 图2为聚酯纤维的微观形貌。
1.3 矿物纤维
矿物纤维主要以玄武岩为原料, 通过特定的程度处理, 在160℃高温下熔融抽丝后获得[6], 其微观形貌如图3所示。
2 纤维技术性能
2.1 性能指标
本研究中采用的木质素纤维产自德国JRS公司, 聚酯纤维产自山东天汇纤维有限公司, 矿物纤维产自北京福瑞安公司, 三种纤维的常规性能指标见表1。
2.2 吸持沥青能力
本研究采用网篮试验来评价纤维吸持沥青的能力, 具体试验步骤为:将10 g纤维与沥青混合经过高温剪切搅拌, 置于烧杯上面的网篮上, 165℃烘箱12 h, 至质量近乎无变化, 测量其析出的沥青质量, 通过计算纤维吸持沥青的质量来得出其吸持倍数, 结果见表2。
2.3 吸湿性能
本研究采用简易保湿箱试验来评价纤维的吸湿性能, 其步骤为:同样称取10 g的纤维, 装入烧杯共同放入保湿箱中 (温度20℃、相对湿度90%) , 测定5 d后纤维的质量变化, 结果如表3所示。
2.4 耐热性能
在沥青混合料拌合过程中, 纤维要经过170℃~180℃高温加热, 改性沥青的温度则更高, 因此要求纤维要具有良好的耐热性能。将纤维装于坩埚中于200℃下放置60 min后观察颜色变化及测量纤维的质量损失结果, 如表4所示。
3 不同种类纤维胶浆的粘度试验
本研究中采用粘度计为DV-2型粘度计 (美国Brookfield生产) , 输入电压为220 V, 频率为50 Hz (见图4) , 本试验温度为135℃, 纤维掺量为1.0%, 不同种类纤维胶浆的粘度试验结果见图5。
从图5中可以看出, 纤维的掺入提高了沥青胶浆的粘度, 三种纤维中聚酯纤维在相同温度下对于沥青胶浆的粘度增强作用最为明显, 其次为木质素纤维, 矿物纤维对于增粘作用的贡献最小。聚酯纤维的长度和韧性较大, 在搅拌过程中能够保持其形状, 导致更容易拌合。相同掺量下, 聚酯纤维具有更大的比表面积, 纤维与沥青形成的接触面积更大。另外聚酯纤维属于聚合物纤维, 与沥青具有更好的粘结性能, 因此聚酯纤维可以更大程度上增强沥青胶浆的粘度。矿物纤维虽然长度较长, 但由于其自身脆性较大, 在与沥青混合料的拌制过程中易出现破碎现象。而且矿物纤维属于无机矿料, 其与纤维的粘度和相容性能均较弱, 从而导致其对沥青胶浆的粘度增强效果最弱。
4 结语
本文对三种路用纤维的技术特性进行了研究, 并对相应的三种纤维沥青胶浆进行了粘度试验, 得出如下结论:
1) 三种纤维熔点都达到了200℃以上, 能够满足纤维沥青混合料高温加热的基本要求, 三种纤维中木质素纤维加热后质量损失较大, 耐热性差。
2) 吸湿试验表明木质素纤维的吸湿率最高, 达到25%, 因此应注意使用中的防潮处理。
3) 三种纤维中木质素纤维的吸持沥青能力最强, 在SMA和OGFC型沥青混合料中掺入木质素纤维能够起到防止沥青析出的良好效果。
4) 聚酯纤维对于沥青胶浆粘度增强效果最为显著, 在密级配沥青混合料中掺入聚酯纤维起到的增强效果也最为明显。
摘要：对三种路用纤维 (木质素纤维、聚酯纤维、矿物纤维) 的技术性能进行了试验研究, 并应用粘度计对三种纤维沥青胶浆的粘度进行了测试, 得出了不同种类纤维的技术特点, 以供实际应用参考。
关键词：沥青,纤维,胶浆,粘度,技术性能
参考文献
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路用纤维 篇5
从目前研究和应用来看, 纤维的种类丰富, 当前沥青混合料中掺入的纤维种类一般有聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、矿物纤维、木质纤维等。为了将纤维的增强作用体现得更为明显, 则应根据工程实际的技术特点来对纤维的特性进行对比分析, 纤维的种类、长度、直径、分布情况等都会对沥青混合料的性能产生直接影响[2]。
通过对沥青混合料进行室内试验研究, 张争奇等人发现上述几种常用纤维中聚酯纤维沥青混合料具有更佳的高低温性能[3]。
纤维胶浆在纤维沥青混合料中所占比例虽小, 但其作为多维空间胶结体系的重要部分, 直接影响纤维沥青混合料的各方面性能, 具有重要的胶结作用。美国SHRP计划研究成果表明:沥青胶浆对于路面抗车辙的贡献率为29%, 对抗疲劳的贡献率为52%, 对抗温度裂缝的贡献率为87%[4]。因此, 对纤维沥青胶浆进行研究是研究纤维对于沥青混合料增强作用的基础。
沥青胶浆属于典型的黏弹性材料, 粘度是黏弹性材料流变特性的重要指标[5,6], 为此, 本文采用Brookfield旋转粘度计对不同掺量及种类的纤维沥青胶浆进行试验, 研究纤维掺量及种类对于沥青胶浆粘度的影响, 并对纤维的增粘效应进行分析。
1 试验方法
当前用来测量非牛顿体粘度的旋转流变计包括圆锥—平板粘度计、圆盘—平板粘度计、Brookfield旋转粘度计等, 其中Brookfield旋转粘度计应用最为广泛。本研究中采用粘度计为DV-2型粘度计 (美国Brookfield生产) , 输入电压为220V, 频率为50Hz。
本研究采用木质素纤维、聚酯纤维和矿物纤维三种纤维种类, 技术性能见表1, 掺量分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%和1%。根据纤维掺量确定纤维和壳牌70#基质沥青的质量, 在160℃下均匀搅拌120min, 经过短期老化后进行粘度试验。
2 试验结果分析
2.1 纤维掺量对沥青胶浆粘度的影响
不同掺量下木质素纤维沥青胶浆粘度随温度变化结果见图1。
从图1可以看出, 纤维的掺入提高了沥青胶浆的粘度, 且随着纤维掺量的增加增粘作用愈明显。当纤维掺量为0.1%时, 沥青胶浆的粘度提高很小, 说明此时纤维处于随机分布状态, 没有形成有效的网络增强作用;当掺量提高至1.0%, 沥青胶浆的粘度得到大幅度提高, 说明此时大掺量的纤维能够形成搭接并形成有效的三维网络胶结作用, 所以增强效果十分显著。
不同掺量下聚酯纤维沥青胶浆粘度随温度变化结果见图2。
从图2可以发现, 与木质素纤维相似, 当纤维掺量为0.1%时, 纤维对于粘度的增强效果很小, 但当掺量提高至0.3%、0.5%时聚酯纤维对于粘度的增强效果要优于木质素纤维, 掺量达到1.0%时, 粘度提高十分显著。
不同掺量下矿物纤维沥青胶浆粘度随温度变化结果见图3。
从图3可以发现, 相比于前两种纤维, 矿物纤维对于沥青胶浆的增强作用在一定的掺量范围内并不明显, 纤维掺量在0.1%~0.5%范围内, 纤维沥青胶浆的粘度几乎没有提高, 仅在高温和低温两个区域有少量提高。当掺量增加到1.0%时, 沥青胶浆的粘度才出现显著的提高。
2.2 纤维种类对沥青胶浆粘度的影响
1.0%掺量下不同种类纤维粘度随温度变化曲线见图4。
从图中可以看出, 不同种类纤维的掺入均提高了沥青胶浆的粘度, 三种纤维中聚酯纤维在相同温度下对于沥青胶浆的粘度增强作用最为明显, 其次为木质素纤维, 矿物纤维对于增粘作用的贡献最小。聚酯纤维的长度和韧性较大, 在搅拌过程中能够保持其形状, 导致更容易拌和。相同掺量下, 聚酯纤维具有更大的比表面积, 纤维与沥青形成的接触面积更大。另外聚酯纤维属于聚合物纤维, 与沥青具有更好的粘结性能, 因此聚酯纤维可以更大程度上增强沥青胶浆的粘度。矿物纤维虽然长度较长, 但由于其自身脆性较大, 在与沥青混合料的拌制过程中易出现破碎现象。而且矿物纤维属于无机矿料, 其与沥青的粘度和相容性能均较弱, 从而导致其对沥青胶浆的粘度增强效果最弱。
3 纤维增粘效应分析
纤维对于沥青胶浆增粘效应可以采用Einstein混合率理论进行分析, 表征粘度的Einstein混合率可以用下式表示:
式中, η为纤维沥青胶浆粘度, η0为沥青粘度, KE为爱因斯坦系数, φf为纤维所占体积分数。
由此可推导Einstein粘度系数KE:
为了便于对比分析, 本研究对150℃下纤维沥青胶浆的增粘Einstein系数进行计算, 纤维质量分数换算为体积分数。图5为150℃下不同种类纤维KE随体积分数变化。
从图5可以看出, KE与纤维体积分数呈线性增长趋势, 纤维体积分数愈大, 沥青胶浆的粘度愈大, 表明Einstein混合率理论能够很好地应用于纤维沥青胶浆的增粘效应分析。不同掺量下聚酯纤维的KE均最大, 说明聚酯纤维的增粘效应最为显著, 三种纤维的增粘效应顺序为聚酯纤维>木质素纤维>矿物纤维。
4 结语
本文采用Brookfield旋转粘度计对三种路用纤维沥青胶浆进行粘度试验, 并对试验结果进行分析, 得出如下结论:
(1) 纤维的掺入使得沥青胶浆的粘度提高, 在较低掺量下 (0.1%) 时, 增粘作用并不明显, 掺量提高至1.0%, 增粘作用显著提高。
(2) 三种纤维中聚酯纤维在相同温度下对于沥青胶浆的粘度增强作用最为明显, 其次为木质素纤维, 矿物纤维对于增粘作用的贡献最小。
(3) Einstein混合率理论能够很好地应用于纤维沥青胶浆的增粘效应分析, 通过Einstein系数KE研究也可以发现, 三种纤维的增粘效应顺序为聚酯纤维>木质素纤维>矿物纤维。
摘要：为了研究纤维掺量和种类对沥青胶浆粘度的影响, 选择木质素纤维、聚酯纤维、矿物纤维三种纤维与沥青拌和制作沥青胶浆试件, 纤维掺量分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%和1%, 采用Brookfield旋转粘度计进行不同温度下的粘度试验, 探讨了纤维沥青胶浆粘度的影响因素, 并采用Einstein混合率理论对纤维的增粘效应进行了分析。
关键词：沥青,纤维,胶浆,粘度,增粘效应
参考文献
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路用纤维 篇6
为了探究玄武岩纤维、木质素纤维以及聚酯纤维增强沥青混凝土路用性能的效果, 本研究设计了7种沥青混合料进行室内路用性能试验, 比较其力学性能、水稳定性、高温稳定性、低温性能及疲劳性能, 对比分析不同纤维对沥青混合料路用性能的影响, 为深入研究纤维沥青混凝土增强机理以及工程应用提供参考。
1 试验材料
1.1 混合料类型
目前, 聚酯纤维是密级配沥青混合料中常用的加筋纤维, 木质素是SMA沥青混合料中常用的稳定剂纤维;因此本试验采用AC-13C及SMA-13两种级配, 级配组成见表1。沥青采用PG分级为PG-76-22的改性沥青, 各项指标均符合规范要求。同时, 根据已有纤维增强沥青混凝土的研究, 纤维的用量一般在0.2%~0.4%。因此, 本研究以AC-13、SMA-13级配为基础添加不同掺量组合的纤维, 设计了7种沥青混合料见表2。
表2中, GBFR为浙江金石公司生产的玄武岩纤维;SMG与SGM的区别在于SMG是直接将0.1%木质素和0.2%GBFR混合后, 加入集料拌合, SGM是先将0.2%GBFR加入集料拌合均匀后, 再加入0.1%木质素纤维拌合。
1.2 各种沥青混合料的最佳油石比
根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) , 每种沥青混合料采用估计沥青用量为中值, 以0.5%间隔变化沥青用量, 成型5种不同油石比的马歇尔试件, 分别在规定的试验温度及试验时间内测定其稳定度和流值, 同时测定其体积参数, 计算空隙率、饱和度及矿料间隙率, 最后确定各种沥青混合料的最佳油石比。7种混合料的最佳油石比见表3。
2 纤维增强沥青混凝土性能比较
2.1 高温性能试验
作为一种粘弹性材料, 沥青路面在高温天气条件以及车辆荷载的重复作用下, 沥青混合料容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形类路面病害[8,9]。在室内评价沥青混合料的高温稳定性或累积变形发展规律, 可采用单轴压缩、三轴压缩、弯曲蠕变、直剪试验以及车辙试验等进行研究。本文通过车辙试验和60℃动态蠕变试验, 对7种沥青混合料的高温稳定性进行评价。
2.1.1 车辙试验
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20—2011) 的试验方法进行车辙试验, 试验结果见图1:
由图1可以看出:SMA-13沥青混合料的动稳定度均大于AC-13C的动稳定度, 这说明以集料的嵌挤作用为主的SMA混合料, 更能适应高温路面环境。掺加纤维后, 各类混合料的动稳定度均有所增大, 且AC-13C中GBFR>聚酯纤维, SMA-13中GBFR>GBFR与木质素混合>木质素, 说明玄武岩纤维在提高沥青混合料高温性能方面效果更显著。
2.1.2 动态蠕变试验
蠕变试验可分为静态蠕变与动态蠕变试验, 重复荷载试验与动力试验都属于动载蠕变试验。有研究报告[10]指出, 重复荷载蠕变试验比单轴静态压缩蠕变更能反映沥青混合料的特性。本研究采用AMPT沥青混合料性能试验机进行动态蠕变试验中的重复荷载试验[11,12]来评价混合料的高温性能, 试验结果见图2。
由图2可知, 各种混合料在初始阶段 (迁移期) 的累积应变变化趋势基本一致, 第二阶段 (稳定期) 的应变增长率排序为:不加纤维>聚酯纤维>GBFR, 木质素>GBFR与木质素混合>GBFR, GBFR混合料的稳定期终点荷载累积作用数大幅超过其他类型, 变形速度较缓慢。动态蠕变试验的结果进一步说明玄武岩纤维能明显地增强沥青混凝土高温性能。
2.2 低温性能试验
对各类型沥青混合料进行-10℃低温小梁弯曲试验, 采用破坏应变以及断裂能指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。测量各种混合料的抗拉强度和跨中变形情况, 通过应变能密度函数, 计算沥青混合料破坏前所储存能量, 其中分别为应力、应变分量。当沥青混合料断裂时, 应力-应变关系曲线下的面积即为混合料破坏前所存储的能量, 见图3。
测试结果见图4。由图4可知, 各种混合料的低温弯曲破坏应变均大于2 800με, 满足规范要求。加入纤维可以增强混合料低温抗裂性能, GBFR增强效果最为显著, 表现为小梁弯拉应变和应变能密度明显增大。在SMA路面结构中掺入GBFR, 可以提高储存破裂能量, 增强低温抗裂性能, 增强效果明显优于木质素、木质素与GBFR混合纤维。
2.3 水稳性能试验
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料耐水损害能力, 试验结果见表4:
由表4可以看出:GBFR对于密级配沥青混合料水稳定性的改善幅度比聚酯纤维大, 前者的残留稳定度以及劈裂强度比均大于后者。GBFR作为SMA沥青混合料的纤维稳定剂, 其改善混合料的水稳定性效果与木质素纤维稳定剂效果相当。
2.4 力学性能试验
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》, 在UTM下进行三分点小梁劈裂试验, 加载试验温度为15℃, 加载速率为50 mm/min。研究过程中除采用常规的抗弯拉强度、最大弯拉应变以及弯曲劲度模量来分析常温弯曲试验结果以外, 还用临界弯曲应变能密度评价混合料在破坏之前储存能量的大小, 并采用粘韧性指数来评价混合料的粘韧性, 试验结果见表5。
由表5可以看出:掺入GBFR的密级配沥青混合料以及SMA沥青混合料, 其抗拉强度和破坏拉伸应变均有较大提升, 力学性能优于掺加木质素与聚酯纤维的混合料。同时, 在掺加GBFR后, 混合料粘韧性指数较大, 表明其应力达到最大值后, 还能在较大的应变范围内保持较大值, 因而具有较好的粘韧性。
3 结论
本文研究表明, 玄武岩纤维增强沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性尤为显著。与聚酯纤维和木质素纤维相比, 其车辙试验的动稳定度大且60℃动态蠕变试验的稳定期终点荷载作用次数大, 变形速率缓慢, 累积变形小。低温弯曲试验玄武岩纤维混凝土小梁出现裂缝时间晚, 裂缝发展慢, 弯拉应变、应变能密度大。在沥青混合料中加入玄武岩纤维, 浸水和冻融循环后的强度有所提升, 残留稳定度和残留强度比均有所提高, 表现出较好的水稳定性。在力学性能试验中, 既可以提高抗拉强度又可以增大弯拉应变, 粘韧性指数较大, 表现出较好的力学性能。
参考文献
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路用纤维 篇7
沥青路面的耐久性与混合料抗老化能力关系密切,沥青混合料的老化主要发生在初期[1],提高或延缓沥青混合料短期老化过程中的抗老化能力显得十分重要,而纤维对提升沥青混合料抗老化性及其他性能具有显著效果。因此,国内外学者就纤维对沥青和沥青混合料的影响开展了大量的研究工作。田华等研究了木质素纤维以及玻璃纤维沥青胶浆经短期老化后的高温稳定性[2];韦佑坡等研究了玄武岩纤维胶浆的流变性以及玄武岩纤维沥青混合料的高温性和水稳定性[3];虞将苗等研究了沥青混合料长短期老化与沥青结合料长短期老化两者的关联性,指出沥青混合料性能试验评价过程中应充分考虑老化因素的影响[4];杨大田等通过间接拉伸试验、冻融循环试验和疲劳试验研究老化后的纤维沥青混合料的性能[5];NIM Yusoff等研究表明聚合物纤维/纳米SiO2复合改性剂降低了沥青混合料对氧老化的敏感性[6];相关研究表明,沥青混合料的最低沥青膜平均厚度小于9μm时,沥青混合料老化性能会加速降低[1,7],而宋云祥等研究发现玄武岩纤维的加入可增加沥青混合料中结构沥青的比例,提高集料表面沥青膜的厚度[8];玄武岩纤维作为一种外掺剂,在提高沥青混合料路用性能方面已被验证有着显著的作用[9,10,11,12,13,14]。
现有文献对玄武岩纤维沥青混合料未老化时的路用性能和木质素等其他纤维改性沥青混合料的老化性能研究较多,但对老化后的玄武岩纤维沥青混合料的高低温性能和水稳性能研究较少。因此,本工作通过高温车辙试验、低温弯曲小梁试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究沥青混合料的长短期老化性能,为玄武岩纤维在道路工程中的应用提供参考。
1 实验
1.1 原材料及其性质
选用壳牌SBS改性沥青,其技术性质见表1,可知试验所用沥青性能满足道路石油沥青的技术指标。试验所用纤维为短切玄武岩纤维(GBF),它是一种绿色、环保、无污染的新型非金属无机矿物纤维,由于本身是一种惰性材料,使得玄武岩纤维在任何环境下保持化学性质的稳定,而这种特性与有机外掺剂特性显著不同,如抗车辙剂受高温影响后其抗老化性能会削弱以及SBS热老化后会降解,具体技术指标见表2。
矿质集料分别为辉绿岩碎石、石灰岩砂子和石灰岩矿粉。因为玄武岩纤维的长度为6mm,需要结合细集料较多的级配才能构成空间网状结构整体[15],因此本研究矿料级配选用了AC-13,集料合成级配详见表3。
1.2 试验方法
(1)最佳油石比和最佳掺量确定
在沥青混合料中掺加玄武岩纤维,使得沥青混合料成为组成结构更为复杂的多相复合材料。纤维的加入提高了混合料的路用性能,由于过多的纤维容易拌合不均匀,出现成团现象,造成性能的下降,因此,纤维掺量存在最佳掺量值。根据本课题前期研究,本试验采用玄武岩纤维最佳掺量为0.3%(占沥青混合料总质量的百分比)。并由Marshall法确定未掺加玄武岩纤维和掺加0.3%玄武岩纤维的沥青混合料最佳油石比分别为4.7%和4.9%。
(2)老化试件制备
将试验所用集料加热至180 ℃,然后加入到已升温至175~180 ℃拌和机中拌和30s至均匀,将已称量的纤维加入拌和机中与集料在175~180℃干拌90s,待纤维与集料在拌锅内混合均匀后,加入沥青湿拌60s,最后掺加矿粉与混合料充分拌合,试件的成型温度宜选择(160±5)℃。
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的加速老化试验方法分别对玄武岩沥青混合料进行室内短期老化和长期老化试验模拟。试验采用135 ℃的恒温烘箱老化两种纤维掺量下的松散混合料,加热4h模拟短期老化。未掺玄武岩纤维的老化成型方式为用短期老化的松散混合料成型试件,车辙板10个,浸水马歇尔试件16个,冻融劈裂马歇尔试件16个,然后把每种类型的混合料成型试件随机分出1/2放在85℃温度范围的烘箱,加热5d模拟长期老化,最后各取一个短期老化和长期老化车辙板切成弯曲小梁试件。掺加0.3%的老化试件成型方式同上。
(3)路用性能试验
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定,制备未老化、短期老化和长期老化状态下的300mm×300mm×50mm板状试件采用车辙试验仪进行车辙试验;制备未老化、短期老化和长期老化状态下的30mm×35mm×250mm棱柱体小梁试件采用MTS机进行低温小梁弯曲试验;制备未老化、短期老化和长期老化状态下击实75次的马歇尔试件采用马歇尔试验机进行浸水马歇尔试验;制备未老化、短期老化和长期老化状态下击实50次的马歇尔试件采用冻融劈裂试验机进行冻融劈裂试验。
2 结果与分析
2.1 车辙试验结果与分析
车辙试验结果如图1所示。
从图1(a)可见,玄武岩纤维沥青混合料试件的动稳定度(Dynamic stability,DS)显著高于未掺加纤维的动稳定度,两者变化趋势基本一致,短期老化后相比未老化时的增加幅度分别为5.6%、11.2%,长期老化后相比短期老化时的增加幅度分别为3.8%、5.9%。这是因为对于老化后高温性能较好的车辙试件,其45min和60min的变形量较低,由此得到的动稳定度变化较小,因此,动稳定度并不能很好地评价玄武岩纤维对沥青混合料的老化性能影响。
从图1(b)可见,经短期老化后,玄武岩纤维沥青混合料试件和普通沥青混合料试件相对变形率(Relative deforma-tion,RD)比未老化时分别减小了11%、35.2%,可知未掺纤维的变形率的降幅大,这是因为玄武岩纤维对沥青有较强的吸附作用,也就减缓了沥青中轻质组分的挥发,使得未掺加纤维的沥青混合料的老化速率高于掺加纤维的沥青混合料。到长期老化后,玄武岩纤维沥青混合料试件和普通沥青混合料试件相对变形率比短期老化时分别减小了4.6%、17.4%,可见老化过程开始变得缓慢,这是因为在短期老化过程中沥青的极性分子发生氧化及聚合,使得轻质组分向重质组分转换,同时轻质组分受热易高温挥发,也增加了重组分的比重[11],而长期老化的温度相对降低,老化过程缓慢。同时可以看到,两种沥青混合料在长期老化状态下的相对变形率几乎相同,可见此时沥青中轻组分的挥发几乎接近最大值。因此,玄武岩纤维的加入间接提高了老化后沥青混合料的高温稳定性。
2.2 低温弯曲小梁试验结果与分析
由玄武岩纤维沥青混合料老化的高温性能可知,玄武岩纤维对沥青混合料老化后的高温性质有明显的改善作用,但随着沥青的老化,沥青变硬变脆,使得沥青混合料抵抗低温开裂的能力下降,因此应对玄武岩纤维加入到沥青混合料中后对沥青混合料老化后的低温性能的影响做相应的研究。低温弯曲试验结果如图2所示。
从图2(a)可见,(1)玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料的弯拉强度(Bending strength,BS)随着老化时间的增加而增大,而最大弯拉应变(Failure strain,FS)则减小,短期老化相比未老化时减小的幅度分别为10.7%、11.2%,长期老化相比短期老化减小的幅度分别为13.8%、9.5%。可知在短期老化过程中,玄武岩纤维混合料的最大弯拉应变变化幅度比普通沥青混合料的略低,而在长期老化过程中,变化率又比普通的高。这可能是因为在老化前纤维吸附一部分轻质组分,在短期老化中使得沥青中重质组分相对比例较大,而经过了长时间的老化后,纤维吸附的这部分轻质组分也随着挥发。这说明玄武岩纤维延缓了沥青混合料的老化,提高了沥青混合料的低温性能。(2)同样的老化条件和老化时间下,玄武岩纤维沥青混合料的弯拉强度和最大弯拉应变要高于普通沥青混合料,这是因为玄武岩纤维在加入到沥青混合料中后,由于其具有良好的分散性,容易相互搭接形成纤维沥青骨架结构。而玄武岩纤维本身还具有较高强度与耐老化性质,当裂缝扩展时,较高的抗拉强度和抗拔强度使得纤维不会轻易从沥青分子间抽离出来,妨碍了沥青混合料裂缝的发生,延长了沥青使用寿命。此外,成千上万的纤维丝与沥青相互裹覆,增加了沥青膜的厚度,不仅能起到抑制沥青老化的作用,而且减少了自由沥青的数量,增加了沥青的黏稠度。
从图2(b)可见,老化后玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料的劲度模量差距变大,最大低于普通沥青混合料的劲度模量的16.7%。这是因为玄武岩纤维沥青混合料的最大弯拉应变和弯拉强度整体高于普通沥青混合料,其相应的抗变形能力也就增大了,劲度也随之降低。
2.3 水稳性试验结果与分析
在水稳定性的评价方法中,通常用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来进行评价,试验结果分别如图3和图4所示。
由图3和图4可见,(1)伴随着老化时间的延长,玄武岩纤维沥青混合料和普通沥青混合料的马歇尔试件的不同浸水条件下的稳定度均不断增加,但试件的残留稳定度均有所降低,而冻融劈裂试验也表现出相同的趋势。如在图3(a)中,当纤维试件浸水0.5h后,短期老化纤维试件的稳定度比未老化的增加了2.2%,长期老化纤维试件的稳定度比短期老化的增加了5.0%,而它们在浸水48h后的稳定度变化幅度更大,短期老化纤维试件比未老化的增加了4.3%,长期老化纤维试件比短期老化的增加了6.7%。虽然试件在浸水48h后的稳定度增加幅度较大,但增加值却没有浸水0.5h后的稳定度的增加值大,所以表现为图3(b)中的浸水马歇尔残留稳定度一直减小。这是因为浸入的水分降低了沥青黏附性及沥青与集料间的黏结性,此外,随着沥青的老化,沥青组分中的亲水性物质也随之增加,导致黏结力不断减弱,混合料的水损变得更加严重[11]。而细小的玄武岩纤维单丝不仅可以吸附沥青,还可以稳定沥青,延缓水对极性分子间分子键的溶解,但在浸水马歇尔试验中,由于整个试件的浸水时间并不是很长,沥青老化中产生的亲水性物质并不会与水马上相溶而使得马歇尔残留稳定度衰减明显。这说明随着沥青混合料老化的进行,沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度在较短时间的浸水情况下不会有明显的降低。(2)从图4(a)可知,玄武岩纤维混合料长期老化试件与短期老化试件在冻融前的劈裂强度差距较为明显,其中长期老化纤维试件是短期老化纤维试件的1.17倍,而长期老化普通试件只有短期老化普通试件的1.09 倍。其原因可能是试件击实50次后空隙率一般在7%左右,再加上玄武岩纤维弹性的作用,使得试件压实度不够,增加了与热空气的接触面积,加速了沥青混合料的老化。(3)在相同的老化条件和老化时间下,玄武岩纤维沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比都要高于普通沥青混合料,并且冻融劈裂强度比(Tensile strength ratio,TSR)的变化比浸水马歇尔残留稳定度的变化更显著,更适合区分试件老化的强弱程度。在图3(b)中,短期老化纤维试件的浸水马歇尔残留稳定度比未老化的减小了2.0%,长期老化纤维试件的浸水马歇尔残留稳定度比短期老化的减小了1.6%,而在图4(b)中,相对应的试样其冻融劈裂强度比减少幅度较大,分别减小了3.7%和7.0%。这是因为玄武岩纤维极低的吸湿性,在沥青混合料中形成密集的网络,减少了水分的侵入,且纤维良好的吸油性,减缓了水分的渗透,从而大大降低了沥青膜与水分接触的机会,减缓了水损害的进程,对沥青混合料老化后的水损害起到了一定的抑制作用,提高了沥青混合料抗冻融和抗水损害的能力。
3 结论
(1)玄武岩纤维沥青混合料动稳定度比普通沥青混合料要大,表明玄武岩纤维沥青混合料各应用阶段的高温稳定性均良好;经过长短期老化后,玄武岩纤维沥青混合料动稳定度和相对变形率变化幅度均低于普通沥青混合料,并且相对变形率的变化比较明显,因此建议采用相对变形率进行评价。
(2)玄武岩纤维沥青混合料在短期老化后最大弯拉应变下降幅度小于普通沥青混合料,而在长期老化后后者超过前者,即玄武岩纤维延缓了沥青混合料的老化,改善了老化后混合料的低温抗裂性;玄武岩纤维使得老化后的沥青混合料与普通沥青混合料的劲度模量差距变大,最大低至16.7%。
(3)老化后的玄武岩纤维混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均有所下降,但比同一状态下的普通沥青混合料的高,对比两指标,发现用冻融劈裂强度比评价更合理;玄武岩纤维显著降低了长期老化试件的未冻融劈裂强度,因此在应用中应适当增加碾压次数,从而能更有效地提高玄武岩纤维沥青混合料老化后的水稳性能。
摘要：为研究玄武岩纤维对老化沥青混合料路用性能的影响,通过车辙试验、低温弯曲小梁试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究了玄武岩纤维对沥青混合料抗老化性能的作用。试验结果表明:虽然玄武岩纤维沥青混合料的动稳定度随老化时间增加,但相对于普通沥青混合料而言,其增加的幅度减缓,提出采用相对变形率作为老化性能评价指标;玄武岩纤维延缓了沥青混合料老化性能的衰变,使得老化后的混合料低温抗裂性改善;经短期老化和长期老化后玄武岩纤维沥青混合料水稳定性能均优于普通沥青混合料,且玄武岩纤维显著降低了长期老化试件的未冻融劈裂强度,因此在应用中应适当增加碾压次数。