掺聚酰亚胺纤维沥青混合料路用性能研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言聚酰亚胺纤维由于具有高模量、高温性能优越、强度高、阻燃性能优越的特点，常被用作沥青混合料的原材料，以提高沥青混合料路用性能1-2。本文通过改变聚酰亚胺纤维的掺量，制备不同的改性沥青混合料，对改性沥青混合料进行路用性能试验。1 试验原材料及方法试验原材料选用SRC牌90#A级道路石油沥青材料，沥青密度为1.042 g/cm3，性能指标如表1所示。表1 SBS改性沥青的基本性能指标检验项目残留针入度变化（25）（%）软化点/残留延度（10，5 cm/min）/cm薄膜或旋转薄膜加热后延度（5 cm/min，10）/cm针入度（25，100 g，5 s）/（0.1 mm）质量变化（%）指标574583080100-0.80.8检验结果5948.19.380910.02采用标准JTG E202011JTG E202011JTG E202011JTG E202011JTG E202011JTG E202011粗 集 料 采 用 规 格 分 别 为 9.513.2 mm、4.759.5 mm、2.364.75 mm的斜长角闪岩碎石，性能指标如表2所示。表2 粗集料各项性能指标检测结果坚固性表观相对密度/（g/cm3）对沥青的黏附性/级压碎值（%）72.84351672.91373.015122.7520JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011技术项目集料规格9.513.2 4.759.5 2.364.75技术要求采用标准洛杉矶磨耗值（%）磨光值（PSV）水洗法小于0.075mm颗粒含量（%）1840.30.4039.90.3841.20.4122420.5JTG F402011JTG F402011JTG F402011表2（续）技术项目集料规格9.513.2 4.759.5 2.364.75技术要求采用标准细集料采用9.519 mm的石灰岩粉碎而成，性能指标如表3所示。表3 细集料各项性能指标检测结果技术项目坚固性（0.3 mm部分）（%）含泥量（小于0.075 mm部分）（%）表观相对密度/（g/cm3）亚甲蓝值/（g/kg）砂当量（%）棱角性（%）集料规格（02.36）100.61.82.180.638技术要求1212.52.56030采用标准JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011矿粉选用9.519mm的石灰岩碎石粉碎而成。性能指标如表4所示。表4 填料各项性能指标检测结果试验项目亲水系数加热安定性含水率表观相对密度/（g/cm3）粒度范围塑性指数00.075 mm0.0750.15 mm0.150.6 mm矿料规格（00.6mm）0.52加热无变化0.612.90386.399.71002标准0.8实测记录12.575100901001004采用标准JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011JTG F402011收稿日期：2023-02-20作者简介：庞俊杰（1976），男，高级工程师，研究方向为公路工程。掺聚酰亚胺纤维沥青混合料路用性能研究庞俊杰（邯郸市交通运输综合行政执法支队，河北 邯郸 056000）摘要：通过添加不同含量的聚酰亚胺纤维制备改性沥青混合料，对掺量为5%、10%、15%、20%的改性沥青混合料与普通沥青混合料进行对比试验，内容包括车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验，并分析改性聚酰亚胺纤维沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。结果表明：适当聚酰亚胺纤维掺量下，由于纤维的增强、加筋与增韧作用，聚酰亚胺纤维可以显著提升沥青混合料的路用性能，当聚酰亚胺纤维掺量为15%时，改性沥青混合料各项路用性能表现最佳，符合实际工程的需求。关键词：聚酰亚胺纤维；沥青混合料；高温稳定性；低温抗裂性；水稳定性中图分类号：U414文献标识码：B13总657期2023年第27期（9月 下）采用由江苏先诺新材料科技有限公司提供的长度为6mm的聚酰亚胺纤维，技术指标见表5。表5 聚酰亚胺纤维主要技术指标检验项目d5分解温度/极限氧指数（%）玻璃化转变温度Tg/含水率（%）短纤长度/mm单纤长度（D）实测值581433960.76.32.1技术要求值560383804.05.56.51.82.22 试验方案2.1 聚酰亚胺纤维沥青混合料的制备通过添加 5%、10%、15%、20%含量的聚酰亚胺纤维到沥青混合料中，制备聚酰亚胺纤维沥青混合料用普通的SBS沥青混合料作为对照组，最后通过马歇尔试验确定最佳油石比，如表6所示。表6 不同纤维掺量沥青混合料的油石比纤维掺量（%）最佳油石比（%）04.5254.53104.57154.63204.77制备聚酰亚胺纤维改性沥青混合料的方法，包括以下步骤：1）将集料与矿粉、沥青分别在185、175 温度下分别加热；2）沥青混合料的拌和温度控制在175，加入集料与聚酰亚胺纤维，拌和30 s；3）加入沥青拌和90 s，加入矿粉，拌和90 s。2.2 路用性能参考 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）3，对聚酰亚胺纤维沥青混合料进行高温车辙试验、低温弯曲试验以及浸水马歇尔试验，分别对温性能、低温性能、水稳定性能进行研究。2.2.1 高温车辙试验制备聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的聚酰亚胺纤维沥青混合料以及普通沥青混合料，共五组车辙板试件，在60 温度下进行三次平行车辙试验，平均值作为试验结果，对聚酰亚胺纤维对沥青混合料的影响进行测试。2.2.2 低温弯曲试验制备聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的聚酰亚胺纤维沥青混合料以及普通沥青混合料小梁试件，在-10条件下进行低温弯曲试验，通过计算弯曲应变来评价混合料的低温抗裂性能，三组平行试验的平均值作为试验结果，研究沥青混合料受聚酰亚胺纤维的影响规律。弯曲应变能是根据低温弯曲试验测出的应力应变曲线进行积分计算的，计算公式如下：dWdV=00ijdij（1）式中：dWdV为应变能密度函数；ij为应力分量；ij应变分量；0为最大应力所对应的应变值。2.2.3 浸水马歇尔试验制备聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的聚酰亚胺纤维沥青混合料以及普通沥青混合料马歇尔试件，参考公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）分别进行浸水马歇尔试验，对聚酰亚胺纤维沥青混合料进行研究。3 试验结果及分析3.1 高温稳定性通过上述试验方案对普通沥青混合料以及对聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的混合料进行高温车辙试验，以动稳定度为评价指标进行分析，试验结果如图3所示。图3 不同聚酰亚胺纤维掺量下沥青混合料的动稳定度由图3可知，随聚酰亚胺纤维掺量的增加动稳定度呈现先增加后减少的趋势，最大值在掺量15%处，聚酰亚胺纤维掺量5%的沥青混合料与普通沥青混合料相比，动稳定度增大，沥青混合料的高温性能有所增加，使沥青混合料的整体连贯性提高，主要原因为掺入聚酰亚胺纤维后，使沥青混合料均匀分布，减少薄弱区域的出现，优化了内部结构。随着外部荷载作用在混合料时，沥青混合料会同聚酰亚胺纤维共同承受外部施加的荷载，当发生断裂时，聚酰亚胺纤维仍然会承受部分荷载，混合料的永久变形能力得到提高。另一方面，聚酰亚胺纤维的掺入形成了三维网格，提高了混合料的抗剪切变形能力，增加了混合料的弹性模量，提高了抗车辙的能力。但是掺量过高时，动稳定度下降，抵抗永久变形的能力下降，主要是由纤维在混合料中出现结团现象，造成受力不均匀。14交通世界TRANSPOWORLD3.2 低温抗裂性通过上述试验方案对普通沥青混合料以及对聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的混合料进行低温弯曲试验，以弯曲应变能作为评价指标，对混合料低温抗裂性进行分析，试验结果如图4所示。图4 不同聚酰亚胺纤维掺量下沥青混合料的弯曲应变能由图4可知，随着聚酰亚胺纤维的掺入，弯曲应变能呈现增长的趋势，主要由于聚酰亚胺纤维的掺入在混合料中形成了三维网格，应力分布会变得均匀，材料内部裂缝的扩展会被阻碍，纤维起到增韧的作用4。此外，由于混合料内部形成了三维网格，混合料出现裂缝时，纤维能阻止裂缝的扩张，还能承担部分荷载，提高了混合料的拉伸能力，使低温变形能力增强。3.3 水稳定性能通过上述试验方案对普通沥青混合料以及对聚酰亚胺纤维掺量为 5%、10%、15%、20%的混合料进行浸水马歇尔试验，以残留稳定度为评价指标，对聚酰亚胺纤维沥青混合料水稳性进行分析，试验结果如图5所示。图5 不同聚酰亚胺纤维掺量下沥青混合料的残留稳定度由图5可知，随着聚酰亚胺纤维的掺量从0增加到20%时，沥青混合料的残留稳定度出现先增大后减少的趋势，掺量为15%时出现最佳残留稳定度，说明混合料的水稳性会随纤维的掺量得到改善，主要原因是纤维的加入增强了沥青与集料之间的黏附性，另外，纤维还起到加筋的作用，混合料的收缩开裂会受到影响，减慢了沥青混合料内部裂缝的发展，进入集料与沥青膜界面的水分会减少，水对沥青膜的剥离作用减弱5。4 结论本文通过掺入不同含量的聚酰亚胺纤维制备沥青混合料，对混合料的高温稳定性、低温抗裂性，水温性能进行测试，确定最佳聚酰亚胺纤维掺量，主要结论如下：1）加入适量的聚酰亚胺纤维可以起到加筋与增强的作用，混合料高温稳定性增加，永久变形的能力增大，使整体连贯性提高；聚酰亚胺纤维的增韧作用会使混合料在低温的情况下，抗裂能力得到改善；纤维的加入会增强集料与沥青之间的黏附性，使混合料水稳定性能提高。2）当聚酰亚胺纤维掺量过大时，混合料高温稳定性与水稳定性会受到影响，呈现下降的趋势，主要是由于纤维会出现结团现象，内部出现薄弱区，导致路用性能下降。3）通过高温车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验确定最佳的聚酰亚胺纤维掺量为15%。参考文献：1 张清华，陈大俊，丁孟贤.聚酰亚胺纤维J.高分子通报，2001（5）：66-73.2 左琴平，林红，陈宇岳.聚酰亚胺纤维的开发及应用进展J.纺织导报，2018（5）：60-63.3 交通运输部公路科学研究院.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTG E202011S.北京：人民交通出版社，2011.4 Hossein N,Ramadan S,Jose M,et al.Effect of Synthet-ic Fiber Distribution and State on Mechanical Perfor-mance of Fiber-Reinforced Asphalt ConcreteJ.Trans-portation Research Record Journal of the TransportationResearch Board,2018(6):42-51.5Chindaprasirt P,Boonserm K,Chairuangsri T,et al.Plaster materials from waste calcium sulfate containingchemicals,organic fibers and inorganic additivesJ.Construction&Building Materials,2011,25(8):3193-3203.15