纤维增强沥青混凝土高温性能研究
2006-08-07 00:00
交通运输是国民经济发展的命脉，随着经济的发展，中国公路交通向着高速、重载、大流量和渠化明显等方面发展，并且受全球气候变暖的影响，夏季持续高温的天气屡见不鲜，这些因素导致高温车辙是目前最常见的路面早期损坏现象之一。纤维的使用可以提高沥青混合料的高温性能，是工程中常常采取的措施之一。
从纤维的微观特性出发，借助美国SHRP评价沥青及沥青混合料的方法，采用动态剪切流变仪(DSR)评价纤维沥青胶浆的流变特性，并结合车辙因子G·／sinδ表明沥青胶浆抵抗流动变形的能力；同时运用Superpave体积设计法和旋转压实仪来确定级配，结合车辙动稳定度评价沥青混合料抵抗高温车辙的能力；分析了纤维的加强和改善作用机理。
1 原材料
试验所选用的原材料：沥青为国创PG76—22改性沥青，纤维有聚酯纤维和木质素纤维，矿质集料为湖北京山玄武岩和石灰岩矿粉。矿料级配选用Su—perpavel2．5，通过控制点和禁区来实现。
2 纤维微观形貌及纤维沥青胶浆性能
2．1 纤维微观形貌
聚酯纤维是大分子链中各链节通过脂基相连的成纤高聚物纤维，一般为乳白色并带有丝光，表面光滑，横截面近于圆形；木质素纤维属植物纤维，是天然木材在加工成纸浆和纤维浆时，通过一系列的物化处理，最终将一部分纤维素剩余后，经洗涤、过滤、喷雾、干燥等工艺过程而得到的一种浅绿色或灰色的形如棉絮的有机纤维。该研究采用扫描电镜拍摄两种纤维的显微照片，便于分析和比较不同纤维的作用特点，如图1所示。由图1可见，聚酯纤维粗细比较均匀，端部有明显的突起，似“触角”状，有利于相互搭接；木质素纤维质地疏松，分支明显，且相互缠绕，表面粗糙不平，粗细不均。
聚脂纤维（500x） 木质素纤维（500x）
图l 纤维扫描电镜纤维图
2．2 纤维沥青胶浆性能
通过测试车辙因子G·／sinδ来评价纤维沥青的高温性能。试验采用美国SHRP设备动态剪切流变仪(DynamicShearRheometer，简称DSR，见图2)分别对原样沥青和两种纤维沥青进行动态剪切试验，得出复数模量G·和相位角方，进而得到车辙因子C·／sinδ，由此来评价纤维沥青胶浆的高温性能。在动态剪切试验中，沥青材料的复数模量(G·)和相位角(δ)表征沥青材料的粘弹性质。其中复数剪切模量G·是材料重复剪切变形时总阻力的度量，包含弹性(可恢复)部分和粘性(不可恢复)部分，相位角δ是可恢复和不可恢复变形的相对指标。若G·增大，sinδ减小，车辙因子C·／sinδ将增大，有利于增强沥青材料的抗永久变形能力。
图2 动态剪切流变仪
为研究不同纤维沥青胶浆的性能，在进行纤维沥青胶浆试验中，参照沥青混合料中纤维与沥青的最佳用量比例进行掺配，同时又考虑到在相同的沥青与纤维比例情况下不同纤维的性能比较，采用纤维与沥青的比例为1：16。配置好纤维沥青后，进行动态剪切试验，其结果见表1。
表1 纤维沥青胶浆DSR结果
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沥青种类 测试 车辙因子 相位角
original 温度 (C·／sinδ)／kPa δ(／o) |
|
64 3．132 71．32
国创PG76—22 70 1．745 70．21
76 1．027 69．39
82 0．611 68．24
64 3．734 78．89
国创PG76—22 70 2．147 80．79
+聚酯F 76 1．256 81．56
82 0．747 82．09
64 3．451 75．89
国创PG76—22 70 1．964 77．58
+木质素 76 1．16 79．39
82 0．706 80．87 |
图3 车辙因子与温度关系示意曲线
车辙因子G·／sinδ反映的是沥青材料的抗永久变形性能，即G·／sinδ越大，高温流动变形越小，抗高温性能越强。因此，通过测试不同纤维沥青胶浆在相同温度下车辙因子C·／sinδ的大小，以判断各纤维沥青胶浆的高温性能。从表1的结果可看到：聚酯的C·／sinδ值最大，木质素的次之，原样沥青的最小，其车辙因子与温度的关系曲线如图3所示。为便于更直观清晰地分析和比较不同纤维沥青胶浆的高温性能，有必要对图3的关系曲线进行回归，经回归后的曲线具有良好的线性关系，如图4所示。在SHRP沥青分级的PG标准中，用DSR评价旋转薄膜烘箱老化前后的高温i陛能是根据G·／sinδ≥1．0kPa(原样沥青)和2．2kPa(经旋转薄膜烘箱老化后)的临界温度将沥青分成不同的等级。临界温度越高，表明此沥青胶浆抵抗高温流动变形的能力越强。从图4中可以看出，掺聚酯的临界温度最高，掺木质素的次之，而原样沥青的临界温度最低。
图4 车辙因子与温度关系的回归示意曲线
对于聚酯纤维而言，由于其端部有明显突起的“触角”，有利于纤维在沥青中形成很强的桥接和加筋作用，同时沥青在纤维表面产生物理浸润、吸附、扩散甚至键合作用，从而使沥青呈单分子状排列在纤维表面，形成结合牢固的结构沥青薄膜，另外纤维在沥青基体内呈三向随机分布，所形成的纤维骨架结构网以及“结构沥青”网，增大了结构沥青比例，减薄了自由沥青膜，使沥青胶浆粘结性增大，故该纤维沥青胶浆的抗剪强度增大较多。而木质素纤维虽然比表面积大，吸附沥青多，但较细较短，且纤维长短不易，其加筋能力减弱，故其抗剪能力较聚酯纤维要差，但比原样沥青好。
纤维沥青胶浆的高温性能与纤维沥青混合料应具有一致性，但纤维的作用效果如何，同许多因素有关，有必要进行混合料的试验研究。
3 纤维沥青混合料的高温稳定性
3．1 混合料级配
Superpave对级配的设计要求较为严格，其混合料体积设计是依据控制点和禁区来实现的。该研究根据设计空隙率4％并借助于旋转压实仪来确定最终的合成级配以及最佳沥青含量(未掺纤维的为4．8％，掺纤维的为4．9％)。Superpavel2．5的合成级配及其曲线分别如表2和图5所示。
表2 Superpavel2．5合成级配
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孔径／mm 19 13．2 9．5 4．75 2．36 1．18 0．6 0．3 0．15 0．075 |
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合成级配 100 94．8 75．4 49．9 32 24．5 16．6 10．6 7．3 5．8 |
图5 Superpavel2．5级配曲线
3．2 纤维对高温性能的影响
车辙是高等级公路沥青路面主要的病害之一，是在车辆渠化交通作用下车辆轮迹带上形成的凹陷，车辙的产生会使道路的服务能力显著降低。沥青路面的高温稳定度就是指沥青混凝土的抗车辙能力，故采用车辙试验的动稳定度来评价沥青改性前后的抗车辙能力。动稳定度表示沥青混合料试件在温度为60 C、轮压0．7MPa的情况下，每变形1 mm的车轮作用次数，其值越大说明该混合料的抗车辙能力越强。
对上述级配不同沥青胶浆的沥青混合料进行车辙试验，其试验结果如表3所示，车辙变形曲线与动稳定度比较示意分别见图6，图7。
表3 纤维沥青混合料(Superpavel2．5)车辙试验结果
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时间／min |
位移/mm | ||
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不掺纤维 |
木质素 |
聚酯 | |
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5 0．993 0．911 0．852
10 1．288 1．175 0．956
15 1．475 1．227 0．981
20 1．630 1．327 1．057
25 1．727 1．394 1．098
30 1．808 1．436 1．145
35 1．910 1．502 1．184
40 1．975 1．517 1．205
45 2．034 1．581 1．226
50 2．081 1．625 1．253
55 2．096 1．642 1．282
60 2．128 1．657 1．297 | |||
从试验结果分析看：(1)纤维的加入使混合料的动稳定度均有所提高，聚酯纤维的最大，其次是木质素纤维，未掺纤维的最小；(2)纤维加入后混合料的变形速率均要比未加纤维的低，而聚酯纤维的又要比木质素的要低；(3)从图6的车辙变形曲线可看出，各混合料在碾压初期车辙变形发展过程相差不大，均是一个压密的过程，但随着碾压次数的增加，其变形增长趋势发生了较明显的变化，未加纤维的车辙深度呈直线增长，掺纤维的增长缓慢，略呈上凸型发展过程，而聚酯的则增长得更加缓慢。另外，在试验过程中可以观察到未加纤维的混合料试件，在经过一定的碾压次数后，轮两侧出现较大的隆起，而加入纤维后，则不明显。这表明纤维可以有效改善沥青混合料的高温稳定性，这与前面纤维沥青性能试验中的动态剪切DSR试验得到的车辙因子的分析结论一致。
图6 车辙变形曲线(时间；位移) 图7 车辙动稳定度对比示意图
根据以上分析，由于纤维的吸附作用，使沥青的粘稠度和粘聚力增大，同时由于纵横交错的加筋和桥接作用，使路面传递的荷载能及时地分散于矿质骨料和沥青胶浆中，并降低了沥青的流动性能，限制了集料的侧向位移或流动，使纤维沥青混凝土的稳定度得到了很大地提高。同时，聚酯纤维端部的“触角”状突起，更利于纤维间的搭接和桥接与加筋作用的发挥，而木质素纤维的这种作用不明显，但仍好于未掺纤维的。
4 结 论
综上分析可知，纤维加入到沥青混合料中可以较明显地改善其高温性能，对沥青及沥青混合料高温性能的改善主要从以下4个方面起作用的：
(1)纤维的稳定、增粘作用 混合料高温变形能力差，同沥青粘结强度下降迅速有很大关系。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青胶浆粘滞性增强，降低了沥青的温度敏感性，沥青膜处于比较稳定的状态，从而使沥青混合料的高温稳定性提高。同时，在夏天高温季节，沥青受热膨胀时，纤维可明显阻止沥青的流动，其内部的空隙还将成为一种缓冲的余地，不致成为自由沥青而泛油，也有利于沥青混合料的高温稳定性。
(2)纤维的桥接、加筋作用 在沥青混合料中掺加纤维，纤维在混合料中以一种三维分散相存在且相互搭接，形成桥接纤维网络，产生了界面粘结强度，可以起到加筋作用，使混合料具有较高的强度与劲度。
(3)纤维的荷载传递与分散作用 由于纤维在沥青中相互搭接，均匀分布的纤维通过“桥接”和“加筋”作用可使路面上传递的荷载转移，及时地分散到矿质骨架和沥青胶砂中，使得荷载分布扩散更加均匀，避免了荷载的过分集中，从而提高了混合料的整体强度。
(4)纤维的网络约束作用 由于这种相互搭接形成纤维沥青砂浆网络，有效增强了对矿质骨架的约束与阻碍作用，阻止或减小了矿料间的相对滑移，增强了骨架的稳定性，延缓了塑性变形的速率，从而减缓车辙的扩展速度。
本文摘自：中国混凝土网http:// www.chinahnt.com
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