纤维种类对沥青胶浆及沥青混合料性能的影响研究.pdf

Value Engineering表1沥青技术指标测试项目测试结果技术要求针入度（25益，100g，5s）/0.1mm软化点（环球法）/益延度（5益，5cm/min）/cm25益弹性恢复/%135益动力黏度/（Pas）闪点（COC）/益贮存稳定性，离析，/益密度（25益）/gcm-349.37945962.33520.8实测3555逸7520逸90臆3逸230臆2.51.026旋转薄膜烘箱加热试验RTFOT（163益，5h）质量损失/%针入度比（25益）/%0.1771-0，1+0.1逸650 引言在日益增加的交通荷载下，沥青路面通常在早期出现裂缝、车辙、水损坏等早期病害，继而影响沥青路面的使用寿命。通过提升沥青混合料性能是解决路面耐久性的有效途径之一，为此，大量公路研究人员提出解决办法：比如提高沥青性能即采用功能性更强的改性沥青、优化沥青混合料级配、添加纤维改善沥青混合料力学性能等。王敏1的研究表明，采用纤维配制的沥青混合料可显著提升高、低温性能，同时也能改善力学性能，且成本较低，不失为一种增强沥青混合料性能有效手段。胡志钊2、刘克非3分别研究了木质素纤维、矿物纤维、聚酯纤维对沥青胶浆的性能。范文孝4研究了玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维对沥青混合料路用性能的影响。蒋应军5研究了纤维和固化剂共同作用对沥青混合料耐久性的影响。章汪琛6通过混掺玄武岩纤维、聚酯纤维，确定出获得路用性能最佳的纤维掺量。刘建平7通过试验表明，玄武岩纤维的加入可提升混合料的路用性能。综上，纤维在改善沥青混合料的性能有一定的帮助，本文选取目前国内沥青路面最常用的玄武岩纤维、木质素纤维、聚酯纤维，通过 DSR 试验、锥入度实验、直接拉伸试验分析纤维种类对沥青胶浆的性能，同时结合车辙试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、飞散试验、抗反射裂缝试验等研究纤维对 SMA-13 沥青混合料性能的影响，为在实际工程中合理选择纤维种类做出参考。1 原材料沥青采用 SBS 改性沥青，技术指标见表 1 所示；沥青混合料的粗集料采用玄武岩碎石，细集料采用石灰岩碎石，填料采用碱性石灰岩矿粉，技术指标均满足规范要求；试验用 3 种纤维的技术指标见表 2 所示。2 试验与分析2.1 纤维沥青胶浆性能纤维的网络结构可使其沥青微观状态发生改变，路用性能也随之变化，尤其是增加了沥青胶浆的内部粘滞性，宏观体现为“增黏”作用8-9。将纤维按固定比例添加于沥青中混合，测试纤维沥青胶浆的高温性能、抗剪性能、抗裂性能。2.1.1 高温流变性能高温流变试验从 PG 分级的 58益为初始温度，以 6益为梯度递增，测试车辙因子与相位角，试验结果见图 1 所示。由图 1（a）可知，随着温度升高，3 种纤维沥青胶浆的车辙因子逐渐降低，说明抗永久变形能力减弱；在同一温度下，车辙因子的大小排序为：玄武岩纤维跃聚酯纤维跃木质素纤维跃无纤维，说明纤维的加入使得沥青胶浆由软变硬，增大了抵抗永久变形的能力；同时，由于玄武岩纤维耐老化能力优于其余 2 种纤维，因此随温度升高，车辙因子的降幅也小于木质素纤维和聚酯纤维。由图 1（b）可以看要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院颜国欣（1986-），男，重庆人，助理工程师，主要从事高速公路建设与养护。纤维种类对沥青胶浆及沥青混合料性能的影响研究Effect of Fiber Types on Properties of Asphalt Mortar and Asphalt Mixture颜国欣 YAN Guo-xin曰黄峰 HUANG Feng（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆401336）（Chongqing Zhingxiang Paving Technology Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401336，China）摘要院为在实际路面工程中合理选择纤维种类，本文将木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维加入沥青及混合料中并对其性能进行研究。通过测试不同种类纤维沥青胶浆的流变性能、抗剪性能、抗裂性能以及纤维沥青混合料的高、低温性能，抗反射裂缝性能、水稳定性等指标，结果表明：纤维的添加可以改善沥青胶浆及沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性以及抗反射裂缝性能，其中，聚酯纤维在低温性能、抗反射裂缝性能方面优于木质素纤维和玄武岩纤维，而玄武岩纤维在高温性能、力学性能方面优于聚酯纤维和木质素纤维，因此，可根据路面工程实际服役环境优选纤维或考虑纤维混掺等措施。Abstract:In order to select fiber types reasonably in actual pavement engineering,lignin fiber,polyester fiber and basalt fiber areadded into asphalt and mixture and their properties are studied.By testing the rheological properties,shear properties,crack resistance ofdifferent kinds of fiber asphalt mortar,the high and low temperature properties of fiber asphalt mixture,anti-reflective crack properties,water stability and other indicators show that the addition of fiber can improve the high temperature properties,low temperature properties,water stability and anti-reflective crack properties of asphalt mortar and asphalt mixture,among which,polyester fiber is better than ligninfiber and basalt fiber in low temperature and anti-reflective crack performance,while basalt fiber is better than polyester fiber and ligninfiber in high temperature and mechanical properties.Therefore,fiber can be selected according to the actual situation of pavementengineering or fiber mixing measures.关键词院纤维；沥青胶浆；高温性能；低温性能；抗裂性能Key words:fiber；asphalt mortar；high temperature performance；low temperature performance；cracking resistance中图分类号院U414文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-159-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.049价值工程图3纤维沥青胶浆拉伸强度及断裂伸长率出，纤维的加入降低了相位角，说明加入纤维后增大了沥青胶浆的弹性，而在同一温度下，玄武岩纤维由于其特性使得弹性增加部分低于木质素纤维和聚酯纤维10。2.1.2 抗剪性能纤维沥青胶浆与普通沥青胶浆在混合状态上存在较大的差异，传统的沥青胶浆依靠填料与沥青混合分散，而纤维加入沥青是非均匀状态，其颗粒也大于填料，采用针入度指标反映稠度存在较大的误差以及离散性11。因此借助水泥砂浆稠度仪改进形成锥入度试验测试纤维沥青胶浆的抗剪性能，测试锥入度和抗剪强度，试验结果见图 2所示。由图 2 可知，锥入度试验可以评价纤维沥青胶浆的抗剪性能，当加入纤维后，其分散于沥青中增大了体系的硬度，导致锥入度降低，从而增强了内部的摩阻力，使得抗剪强度增大。同一条件下，玄武岩纤维的锥入度最小，抗剪强度最大，与 DSR 试验车辙因子的变化规律大致相当。2.1.3 抗裂性能本文采用拉伸性试验评价纤维沥青胶浆的拉伸抗裂性能，测试拉伸强度与断裂延伸率，试验结果见图 3 所示。由图 3 可知，纤维的加入提高了沥青胶浆的拉伸强度，但降低了断裂伸长率，其原因在于纤维的加筋作用使得纤维沥青胶浆呈三维网络结构，在外力作用下增强了抗拉强度，但纤维不是粘弹性材材料，回复能力有限，因而降低了断裂伸长率。相比玄武岩纤维，其拉伸强度优于木质素纤维和聚酯纤维，而断裂伸长率低于后两者。2.2 纤维沥青混合料性能按照相关规范进行 SMA-13 纤维沥青混合料的级配设计，并根据每种纤维的吸油量确定最佳油石比和纤维添加量，测试不同纤维种类对 SMA-13 沥青混合料路用性能的影响。2.2.1 高、低温性能本文在 60益条件下借助车辙试验对 3 种纤维沥青混合料的高温性能进行测试，在-10益条件下采用小梁弯曲试验评价纤维混沥青合料低温性能，结果见图 4 所示。由图 4 可知，添加纤维的沥青混合料在动稳定度和低温应变两个指标上均优于不添加纤维的沥青混合料，这是因为纤维可以起到稳定沥青结合不因温度升高膨胀的作用，同时加筋作用可以防止沥青混合料在低温因脆性开裂；其中玄武岩纤维对沥青混合料的高温性能改善最大，而聚酯纤维对低温性能贡献最大。2.2.2 混合料抗裂性能通过 Overlay Tester 沥青路面抗反射裂缝试验仪，对纤维沥青混合料的抗反射裂缝性能进行评价，试验结果见图 5 所示。表2纤维技术指标纤维类别外观平均长度/mm平均直径/um断裂强度/MPa密度/gcm3吸油率（%）吸湿率/%耐热性/译木质素纤维聚酯纤维玄武岩纤维灰色白色褐色1.56.05.8442214约30058029001.2651.3822.4619.56.43.221.458.8715.9715.72.81.3图1纤维沥青胶浆高温流变性能（a）车辙因子（b）相位角图2纤维沥青胶浆锥入度及抗剪强度Value Engineering由图 5 可知，添加纤维的沥青混合料抗反射裂缝加载次数远大于普通沥青混合料，其原因为纤维加入后会吸收沥青使得沥青膜变厚，从而提高沥青混合料的耐久性。聚酯纤维增加了 66.7%，木质素纤维增加了 27.4%，玄武岩纤维增加了 35.9%。3 种纤维沥青混合料抗反射裂缝性能的排序为：聚酯纤维跃玄武岩纤维跃木质素纤维，相对其它两种纤维，聚酯纤维具有良好的强度及弹性恢复能力，因而在沥青混合料中添加聚酯纤维会体现更强延缓裂缝扩展的能力。2.2.3 水稳定性能成型马歇尔试件进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、飞散试验，测试浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比、飞散损失评价纤维沥青混合料的水稳定性，试验结果见图 6。由图 6（a）可知，添加纤维后，沥青混合料 48h 浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均增大，其中加入聚酯纤维的沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均大于玄武岩纤维和木质素纤维，但与玄武岩纤维的差距不明显。由图 6（b）飞散试验结果可知，添加纤维的沥青混合料的飞散损失较未添加纤维的沥青混合料有大幅度降低，不同纤维分别降低了 68%、79%、80%，其原因在于纤维加入后可以起到分散沥青和填料的作用，减少较团，增强混合料的内部粘结能力而提高混合料抗水损能力。3 结论淤在高温流变性能中，纤维沥青胶浆可以提高车辙因子，减小相位角；在抗剪性能中，纤维的加入可以提升沥青胶浆的内摩阻力从而增大抗剪强度；在抗裂性能中，添加纤维可以提升拉伸强度，但断裂伸长率会因纤维回复能力而降低；于在沥青混合料中加入纤维可有效改善高、低温性能，抗裂性能以及水稳定性；盂在 3 种纤维沥青胶浆及纤维沥青混合料性能对比中，聚酯纤维由于其良好的弹性回复能力在抗反射裂缝能力、低温开裂能力优于玄武岩和木质素纤维，而玄武岩纤维在外力作用下的抗剪强度、拉伸强度、飞散损失、动稳定度方面均大于聚酯纤维和木质素纤维。参考文献院1曌王敏，蒋应军，尹星，等.纤维对强嵌挤骨架密实沥青混合料路用性能的影响J.公路交通技术，2019，35（02）：48-52，58.2胡志钊，陈州.纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能试验研究J.公路工程，2014，39（04）：124-127.3刘克非.纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能研究J.重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（03）：407-410，484.4范文孝.玄武岩纤维增强路面材料性能试验研究D.大连理工大学，2011.5蒋应军，聂晨亮，熊少辉，等.耐久型纤维增强沥青混合料性能试验J.中国科技论文，2022，17（07）：712-717，738.6章汪琛.纤维沥青混合料路用性能试验研究D.合肥工业大学，2019.7刘建平.玄武岩纤维对沥青混合料路用性能影响研究J.公路交通技术，2017，33（02）：22-25.8郭寅川，李震南，申爱琴，等.玄武岩纤维沥青胶浆优化设计及机理分析J.建筑材料学报，2018，21（01）：47-53.9张顶.水镁石纤维沥青胶浆性能研究J.青海交通科技，2021，33（04）：78-83，88.10王亚飞，庞凌，徐海钦，等.纤维沥青胶浆流变性能及初始自愈合温度研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2022，46（04）：696-700.11王乐东.玄武岩纤维沥青混合料路用性能研究D.重庆交通大学，2016.图4纤维沥青混合料动稳定度及低温应变图5纤维沥青混合料抗反射裂缝加载次数图6纤维沥青混合料水稳定性试验结果（a）残留稳定度及冻融劈裂强度比（b）飞散损失