纖維增強瀝青混凝土高溫性能研究
2006-08-07 00:00
交通運輸是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國公路交通向著高速、重載、大流量和渠化明顯等方面發(fā)展，并且受全球氣候變暖的影響，夏季持續(xù)高溫的天氣屢見不鮮，這些因素導致高溫車轍是目前最常見的路面早期損壞現(xiàn)象之一。纖維的使用可以提高瀝青混合料的高溫性能，是工程中常常采取的措施之一。
從纖維的微觀特性出發(fā)，借助美國SHRP評價瀝青及瀝青混合料的方法，采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)評價纖維瀝青膠漿的流變特性，并結合車轍因子G·／sinδ表明瀝青膠漿抵抗流動變形的能力；同時運用Superpave體積設計法和旋轉壓實儀來確定級配，結合車轍動穩(wěn)定度評價瀝青混合料抵抗高溫車轍的能力；分析了纖維的加強和改善作用機理。
1 原材料
試驗所選用的原材料：瀝青為國創(chuàng)PG76—22改性瀝青，纖維有聚酯纖維和木質素纖維，礦質集料為湖北京山玄武巖和石灰?guī)r礦粉。礦料級配選用Su—perpavel2．5，通過控制點和禁區(qū)來實現(xiàn)。
2 纖維微觀形貌及纖維瀝青膠漿性能
2．1 纖維微觀形貌
聚酯纖維是大分子鏈中各鏈節(jié)通過脂基相連的成纖高聚物纖維，一般為乳白色并帶有絲光，表面光滑，橫截面近于圓形；木質素纖維屬植物纖維，是天然木材在加工成紙漿和纖維漿時，通過一系列的物化處理，最終將一部分纖維素剩余后，經(jīng)洗滌、過濾、噴霧、干燥等工藝過程而得到的一種淺綠色或灰色的形如棉絮的有機纖維。該研究采用掃描電鏡拍攝兩種纖維的顯微照片，便于分析和比較不同纖維的作用特點，如圖1所示。由圖1可見，聚酯纖維粗細比較均勻，端部有明顯的突起，似“觸角”狀，有利于相互搭接；木質素纖維質地疏松，分支明顯，且相互纏繞，表面粗糙不平，粗細不均。
聚脂纖維（500x） 木質素纖維（500x）
圖l 纖維掃描電鏡纖維圖
2．2 纖維瀝青膠漿性能
通過測試車轍因子G·／sinδ來評價纖維瀝青的高溫性能。試驗采用美國SHRP設備動態(tài)剪切流變儀(DynamicShearRheometer，簡稱DSR，見圖2)分別對原樣瀝青和兩種纖維瀝青進行動態(tài)剪切試驗，得出復數(shù)模量G·和相位角方，進而得到車轍因子C·／sinδ，由此來評價纖維瀝青膠漿的高溫性能。在動態(tài)剪切試驗中，瀝青材料的復數(shù)模量(G·)和相位角(δ)表征瀝青材料的粘彈性質。其中復數(shù)剪切模量G·是材料重復剪切變形時總阻力的度量，包含彈性(可恢復)部分和粘性(不可恢復)部分，相位角δ是可恢復和不可恢復變形的相對指標。若G·增大，sinδ減小，車轍因子C·／sinδ將增大，有利于增強瀝青材料的抗永久變形能力。
圖2 動態(tài)剪切流變儀
為研究不同纖維瀝青膠漿的性能，在進行纖維瀝青膠漿試驗中，參照瀝青混合料中纖維與瀝青的最佳用量比例進行摻配，同時又考慮到在相同的瀝青與纖維比例情況下不同纖維的性能比較，采用纖維與瀝青的比例為1：16。配置好纖維瀝青后，進行動態(tài)剪切試驗，其結果見表1。
表1 纖維瀝青膠漿DSR結果
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瀝青種類 測試 車轍因子 相位角
original 溫度 (C·／sinδ)／kPa δ(／o) |
|
64 3．132 71．32
國創(chuàng)PG76—22 70 1．745 70．21
76 1．027 69．39
82 0．611 68．24
64 3．734 78．89
國創(chuàng)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
國創(chuàng)PG76—22 70 1．964 77．58
+木質素 76 1．16 79．39
82 0．706 80．87 |
圖3 車轍因子與溫度關系示意曲線
車轍因子G·／sinδ反映的是瀝青材料的抗永久變形性能，即G·／sinδ越大，高溫流動變形越小，抗高溫性能越強。因此，通過測試不同纖維瀝青膠漿在相同溫度下車轍因子C·／sinδ的大小，以判斷各纖維瀝青膠漿的高溫性能。從表1的結果可看到：聚酯的C·／sinδ值最大，木質素的次之，原樣瀝青的最小，其車轍因子與溫度的關系曲線如圖3所示。為便于更直觀清晰地分析和比較不同纖維瀝青膠漿的高溫性能，有必要對圖3的關系曲線進行回歸，經(jīng)回歸后的曲線具有良好的線性關系，如圖4所示。在SHRP瀝青分級的PG標準中，用DSR評價旋轉薄膜烘箱老化前后的高溫i陛能是根據(jù)G·／sinδ≥1．0kPa(原樣瀝青)和2．2kPa(經(jīng)旋轉薄膜烘箱老化后)的臨界溫度將瀝青分成不同的等級。臨界溫度越高，表明此瀝青膠漿抵抗高溫流動變形的能力越強。從圖4中可以看出，摻聚酯的臨界溫度最高，摻木質素的次之，而原樣瀝青的臨界溫度最低。
圖4 車轍因子與溫度關系的回歸示意曲線
對于聚酯纖維而言，由于其端部有明顯突起的“觸角”，有利于纖維在瀝青中形成很強的橋接和加筋作用，同時瀝青在纖維表面產(chǎn)生物理浸潤、吸附、擴散甚至鍵合作用，從而使瀝青呈單分子狀排列在纖維表面，形成結合牢固的結構瀝青薄膜，另外纖維在瀝青基體內(nèi)呈三向隨機分布，所形成的纖維骨架結構網(wǎng)以及“結構瀝青”網(wǎng)，增大了結構瀝青比例，減薄了自由瀝青膜，使瀝青膠漿粘結性增大，故該纖維瀝青膠漿的抗剪強度增大較多。而木質素纖維雖然比表面積大，吸附瀝青多，但較細較短，且纖維長短不易，其加筋能力減弱，故其抗剪能力較聚酯纖維要差，但比原樣瀝青好。
纖維瀝青膠漿的高溫性能與纖維瀝青混合料應具有一致性，但纖維的作用效果如何，同許多因素有關，有必要進行混合料的試驗研究。
3 纖維瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性
3．1 混合料級配
Superpave對級配的設計要求較為嚴格，其混合料體積設計是依據(jù)控制點和禁區(qū)來實現(xiàn)的。該研究根據(jù)設計空隙率4％并借助于旋轉壓實儀來確定最終的合成級配以及最佳瀝青含量(未摻纖維的為4．8％，摻纖維的為4．9％)。Superpavel2．5的合成級配及其曲線分別如表2和圖5所示。
表2 Superpavel2．5合成級配
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孔徑／mm 19 13．2 9．5 4．75 2．36 1．18 0．6 0．3 0．15 0．075 |
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合成級配 100 94．8 75．4 49．9 32 24．5 16．6 10．6 7．3 5．8 |
圖5 Superpavel2．5級配曲線
3．2 纖維對高溫性能的影響
車轍是高等級公路瀝青路面主要的病害之一，是在車輛渠化交通作用下車輛輪跡帶上形成的凹陷，車轍的產(chǎn)生會使道路的服務能力顯著降低。瀝青路面的高溫穩(wěn)定度就是指瀝青混凝土的抗車轍能力，故采用車轍試驗的動穩(wěn)定度來評價瀝青改性前后的抗車轍能力。動穩(wěn)定度表示瀝青混合料試件在溫度為60 C、輪壓0．7MPa的情況下，每變形1 mm的車輪作用次數(shù)，其值越大說明該混合料的抗車轍能力越強。
對上述級配不同瀝青膠漿的瀝青混合料進行車轍試驗，其試驗結果如表3所示，車轍變形曲線與動穩(wěn)定度比較示意分別見圖6，圖7。
表3 纖維瀝青混合料(Superpavel2．5)車轍試驗結果
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時間／min |
位移/mm | ||
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不摻纖維 |
木質素 |
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 | |||
從試驗結果分析看：(1)纖維的加入使混合料的動穩(wěn)定度均有所提高，聚酯纖維的最大，其次是木質素纖維，未摻纖維的最小；(2)纖維加入后混合料的變形速率均要比未加纖維的低，而聚酯纖維的又要比木質素的要低；(3)從圖6的車轍變形曲線可看出，各混合料在碾壓初期車轍變形發(fā)展過程相差不大，均是一個壓密的過程，但隨著碾壓次數(shù)的增加，其變形增長趨勢發(fā)生了較明顯的變化，未加纖維的車轍深度呈直線增長，摻纖維的增長緩慢，略呈上凸型發(fā)展過程，而聚酯的則增長得更加緩慢。另外，在試驗過程中可以觀察到未加纖維的混合料試件，在經(jīng)過一定的碾壓次數(shù)后，輪兩側出現(xiàn)較大的隆起，而加入纖維后，則不明顯。這表明纖維可以有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，這與前面纖維瀝青性能試驗中的動態(tài)剪切DSR試驗得到的車轍因子的分析結論一致。
圖6 車轍變形曲線(時間；位移) 圖7 車轍動穩(wěn)定度對比示意圖
根據(jù)以上分析，由于纖維的吸附作用，使瀝青的粘稠度和粘聚力增大，同時由于縱橫交錯的加筋和橋接作用，使路面?zhèn)鬟f的荷載能及時地分散于礦質骨料和瀝青膠漿中，并降低了瀝青的流動性能，限制了集料的側向位移或流動，使纖維瀝青混凝土的穩(wěn)定度得到了很大地提高。同時，聚酯纖維端部的“觸角”狀突起，更利于纖維間的搭接和橋接與加筋作用的發(fā)揮，而木質素纖維的這種作用不明顯，但仍好于未摻纖維的。
4 結 論
綜上分析可知，纖維加入到瀝青混合料中可以較明顯地改善其高溫性能，對瀝青及瀝青混合料高溫性能的改善主要從以下4個方面起作用的：
(1)纖維的穩(wěn)定、增粘作用 混合料高溫變形能力差，同瀝青粘結強度下降迅速有很大關系?？v橫交錯的纖維所吸附的瀝青，增大了結構瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿粘滯性增強，降低了瀝青的溫度敏感性，瀝青膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提高。同時，在夏天高溫季節(jié)，瀝青受熱膨脹時，纖維可明顯阻止瀝青的流動，其內(nèi)部的空隙還將成為一種緩沖的余地，不致成為自由瀝青而泛油，也有利于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。
(2)纖維的橋接、加筋作用 在瀝青混合料中摻加纖維，纖維在混合料中以一種三維分散相存在且相互搭接，形成橋接纖維網(wǎng)絡，產(chǎn)生了界面粘結強度，可以起到加筋作用，使混合料具有較高的強度與勁度。
(3)纖維的荷載傳遞與分散作用 由于纖維在瀝青中相互搭接，均勻分布的纖維通過“橋接”和“加筋”作用可使路面上傳遞的荷載轉移，及時地分散到礦質骨架和瀝青膠砂中，使得荷載分布擴散更加均勻，避免了荷載的過分集中，從而提高了混合料的整體強度。
(4)纖維的網(wǎng)絡約束作用 由于這種相互搭接形成纖維瀝青砂漿網(wǎng)絡，有效增強了對礦質骨架的約束與阻礙作用，阻止或減小了礦料間的相對滑移，增強了骨架的穩(wěn)定性，延緩了塑性變形的速率，從而減緩車轍的擴展速度。
本文摘自：中國混凝土網(wǎng)http:// www.chinahnt.com
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