聚酯纤维沥青混合料路用性能研究

林钦国， 李斯拓， 徐宏武， 陈 伟

(1.中交第四航务工程局有限公司， 广州 510000； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

随着经济的快速发展，交通量迅猛增加，使得沥青路面在设计使用年限内就会出现车辙、坑槽、裂缝等质量问题[1-2]，影响路面使用性能。近些年，我国在提升沥青路面质量、减少早期路面损害等方面做了大量研究。聚酯纤维是聚合物中的一种有机纤维，自1997年引进聚酯纤维加筋沥青路面技术以来，已广泛用于我国多数桥面铺装和路面工程中，实践证明聚酯纤维能有效增强沥青混合料的路用性能[3-6]。

进入21世纪，Bueno等[7]开始对纤维掺量和长度进行研究，提出掺量和长度对冷拌沥青混合料性能有增强作用。Montestruque等[8]在研究旧沥青路面修复过程中发现高模量聚酯格栅能有效延长新覆盖层的使用寿命。Kalia等[9]研究表明聚酯纤维能有效提高沥青混合料的拉伸强度和马歇尔稳定性。与国外相比，国内沥青路面应用起步相对较晚，陈华鑫等[10]系统分析了纤维增强沥青胶浆性能机理，表明聚合物纤维均优于其他纤维。马翔等[11]将聚酯纤维与改性沥青混合制成沥青混合料，其力学性能、高低温性能都显著提升。廖常川等[12]以聚酯纤维组成的混合物和SBS改性沥青为研究对象，表明温度越高，聚酯纤维对沥青混合料高温稳定度越明显。杜丹超等[13]利用聚酯纤维长度和掺量研究纤维沥青胶浆性能，结果表明聚酯纤维能有效增强沥青胶浆高温抗车辙性和低温延性。随着科研人员对聚酯纤维乃至其他纤维沥青混合料研究的不断深入，取得了显著的成果，本文通过分析聚酯纤维的长度和掺量2个因素来探究纤维沥青混合料物理性能试验及其对路用性能的影响。

1 原材料技术指标

1.1 沥青

考虑到低等级路面的经济性和实用性，本研究所需沥青材料采用路安特70#基质沥青，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[14]中相关试验方法进行沥青性能技术指标试验，结果如表1所示。

表1 沥青性能技术指标试验结果

1.2 聚酯纤维

聚酯纤维是一种稳定性好、吸湿性低、强度较高、弯曲弹性高、延伸率高的高聚合物纤维。其物理指标如表2所示。

表2 聚酯纤维物理技术指标

2 聚酯纤维沥青混合料物理性能试验

2.1 纤维掺量影响

本文选用6 mm聚酯纤维作为混合料研究对象，分析不同掺量下聚酯纤维对沥青混合料物理性能试验各项指标的影响，结果如图1所示。

(a) 最佳沥青用量

(b) 毛体积相对密度

由图1(a)可知，随着纤维掺量的增加，沥青混合料最佳沥青用量也随之增加，其原因可能是因充当填料的纤维自身吸附能力强，比表面积大，从而吸附了更多沥青。从图1(b)可见，聚酯纤维掺量增加，沥青混合料毛体积相对密度呈减小趋势，聚酯纤维与矿料相比，相对密度较小，通过马歇尔击实仪成型的马歇尔试件在体积一定的情况下，降低了纤维沥青混合料密度，掺加纤维后的沥青混合料密度会随着纤维掺量增加而降低。

2.2 纤维长度影响

采用不同的纤维长度进行物理性能试验，结果如图2所示。

(a) 毛体积相对密度

(b) 空隙率

由图2(a)可知，沥青混合料毛体积密度在不同纤维掺量下随纤维长度的递增呈减小趋势。在纤维掺量为0.2%时，沥青混合料的毛体积密度要大于掺量为0.3%和0.4%的。纤维掺量越多，沥青混合料毛体积密度越小，纤维长度对沥青混合料毛体积密度影响不大。由图2(b)可知，沥青混合料空隙率在不同纤维掺量下随纤维长度递增而增大，但增大幅度不大，从整体上分析，沥青混合料空隙率仍然只与纤维掺量关系明显，并随纤维掺量增加而增大。

3 聚酯纤维沥青混合料路用性能分析

3.1 聚酯纤维沥青混合料高温稳定性

3.1.1 试验方法

本研究中车辙试验根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[14]中的操作步骤进行，用不同掺量、不同长度的纤维分别在各自的最佳沥青用量条件下对沥青混合料进行车辙试验。动稳定度Ds采用式(1)计算：

Ds=N×(t2-t1)/(d2-d1)×C1×C2

(1)

式中：N为橡胶轮滚动速度，取42次/min；d1、d2分别为45 min和60 min时车辙变形量，mm；C1为试验及修正系数，本试验取1.0；C2为试件系数，本试验取1.0。

3.1.2 试验结果分析

1) 纤维掺量对高温稳定性影响分析

动稳定度和永久变形量试验结果如图3所示。

(a) 动稳定度

(b) 永久变形量

从图3可知，在相同试验条件下，不同纤维长度的纤维沥青混合料动稳定度随着纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势，且在纤维掺量递增的过程中，永久变形量出现了与动稳定度峰值对应的最低值，此时其对应于车辙板最终的车辙深度，因此该试验较直接地反映了纤维沥青混合料的抗高温车辙性能，充分说明沥青混合料中添加聚酯纤维对沥青混合料高温抗车辙性能有一定的提高作用。

2) 纤维长度对高温稳定性影响分析

根据车辙试验结果绘制出纤维长度与动稳定度和永久变形量之间的关系曲线，如图4所示。

由图4可知，在一定的纤维掺量下，动稳定度随着纤维长度的增加呈先增大后减小的趋势，而永久变形量随着纤维长度的增加呈先减小后增大的趋势，表明在一定的纤维掺量下，沥青混合料高温车辙性能会受到纤维长度的影响。

(b) 永久变形量

3.2 聚酯纤维沥青混合料低温抗裂性

3.2.1 试验方法

小梁弯曲试验根据JTG E20—2011《沥青与沥青混合料试验规程》[14]中规定的方法和步骤进行。1) 通过轮碾成型标准尺寸车辙板，养护至少12 h后切割成长250 mm±2 mm、宽30 mm±2 mm、高35 mm±2 mm的棱柱体小梁；2) 将试件放入-10 ℃恒温水槽中不少于45 min；3) 取出试件置于万能材料试验机两支点上，跨径为200 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min；4) 测得挠度、最大荷载与试件荷载作用点处的尺寸。根据公式(2)计算抗弯拉强度、最大弯拉应变和劲度模量：

(a) 动稳定度

(2)

式中：RB为破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为破坏时的最大弯拉应变，με；SB为破坏时的弯曲劲度模量，MPa；PB为破坏时的最大荷载，kN/mm3;b为试件跨中宽度，mm；h为试件跨中高度，mm；d为试件跨中挠度，mm;L为试件跨径，mm。

3.2.2 试验结果分析

1) 纤维掺量对低温抗裂性影响分析

根据小梁低温弯曲试验绘制出聚酯纤维掺量与抗弯拉强度、抗弯拉应变关系曲线，如图5所示。

由图5(a)可知，随着纤维掺量的增加，抗弯拉强度随之增大。纤维掺量为0.2%时，抗弯拉强度随着纤维长度的增加而呈增大趋势；随着纤维掺量继续增加，纤维长度仅为6 mm混合料抗弯拉强度保持增大趋势，而纤维长度为9 mm和12 mm先出现峰值后逐渐减小。其原因可能是因纤维掺入过量导致纤维分散性降低，使之不能与沥青基体更好地结合形成较厚的沥青薄膜，反而减弱了纤维对其抗弯拉强度提升效果。从图5(b)可知，在不同纤维长度下，随着纤维掺量的增加，沥青混合料最大抗弯拉应变逐渐增大，增大的幅度随着纤维长度增加而增加。

(a) 抗弯拉强度

(b) 抗弯拉应变

2) 纤维长度对低温抗裂性影响分析

根据小梁低温弯曲试验绘制出聚酯纤维长度与抗弯拉强度、抗弯拉应变关系曲线，如图6所示。

(a) 最大抗弯拉强度

(b) 最大抗弯拉应变

由图6(a)可知，添加纤维后，沥青混合料最大抗弯拉强度得到明显提升，纤维长度不同其强度提升效果各异，充分说明在合适的纤维掺量下，纤维长度对沥青混合料抗弯拉强度提升有一定的影响。从图6(b)可见，添加纤维后，沥青混合料最大抗弯拉强度得到明显提升，纤维长度的不同使得强度提升效果出现差异，充分说明在适宜的纤维掺量下，其长度对沥青混合料抗弯拉强度的提升有一定的影响。

3.3 聚酯纤维沥青混合料水稳定性

3.3.1 试验方法

1) 通常浸水马歇尔试验沥青与矿料间的粘结性是通过测得沥青混合料残留稳定度来评价的。浸水马歇尔试验采用JTG E20—2011《沥青与沥青混合料试验规程》[14]中规定的方法和步骤进行，将每种纤维参数的沥青混合料分2组，一组先测得在60 ℃恒温水槽保温30 min后的稳定度和流值，另一组保温48 h后再测其稳定度和流值，最后计算每种沥青混合料的浸水残留稳定度。计算公式如下：

MS0=MS2/MS1×100%

(3)

式中：MS0为试件残留稳定度，%；MS1为试件浸水30 min后稳定度,kN；MS2为试件浸水48 h后稳定度，kN。

2) 用冻融劈裂试验测得沥青混合料冻融劈裂强度比，以此来评价水稳定性。冻融劈裂试验采用JTG E20—2011《沥青与沥青混合料试验规程》[14]中规定的方法和步骤进行。劈裂强度比计算公式如下：

TSR=RT2/RT1×100%

(4)

RTi=0.006 287×Fi/h

(5)

式中：TSR为劈裂强度比；RT1为冻融前试件劈裂强度，MPa；RT2为冻融后试件劈裂强度，MPa；F为试件破坏荷载，kN；h为试件高度，m。

3.3.2 试验结果分析

根据上述方法对不同纤维掺量和长度的纤维沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验所得浸水和未浸水稳定度、残留稳定度、冻融和未冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比，结果如图7、图8所示。

由图7、图8可知，掺加聚酯纤维后沥青混合料马歇尔残留稳定度和劈裂强度比都明显增加。由于聚酯纤维的掺加，使得最佳沥青含量增加，聚酯纤维与沥青亲和性较强，沥青吸附纤维填充沥青混合料中剩余空隙，增强了沥青与矿料间的粘结强度，水分子渗入沥青与矿料界面数量较少，界面受水损害影响较小，提升了水稳定性。

(a) 纤维掺量与残留稳定度

(b) 纤维长度与残留稳定度

(a) 纤维掺量与劈裂温度比

(b) 纤维长度与劈裂温度比

4 结束语

选用掺量为0.2%、0.3%、0.4%和长度为6 mm、9 mm、12 mm的聚酯纤维分别对沥青混合料的路用性能进行了车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，主要认识如下：

1) 试验结果表明，聚酯纤维能有效提升沥青混合料高温抗车辙性、低温抗裂性和水稳定性。

2) 纤维长度和掺量对马歇尔指标和路用性能影响具有等效性，即掺量少、长度长和掺量多、长度短的纤维提升路用性能效果相近。

3) 长纤维在低温性能方面比短纤维提升效果更加明显。

4) 本文从宏观和微观的角度对纤维增强机理进行了物理上的分析，在微观力学模型和沥青与纤维化学反应上，纤维的增强机理还须进一步研究。