复合纤维SMA沥青胶浆性能试验研究

毕跃忠,桑伟宁

(1.安徽省歙县交通运输综合行政执法大队,安徽 歙县 245200;2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

SMA沥青混凝土是较好的路面材料,自从SMA材料引入国内后,开始了大范围地应用[1]。沥青路面在我国占据绝大部分,沥青混合料的性能对于沥青路面的性能至关重要。我国引入SMA沥青材料后,对SMA沥青的研究也在不断深入。沥青是一种粘弹性材料,属于非牛顿物体,沥青在高温和低温情况下会表现出不同的特征,对沥青材料的高低温性能需要严格把控,以期延长沥青路面的使用年限和防止使用过程中发生的车辙和裂缝等病害。因而需要提升沥青混合料的性能指标,研究将纤维加入SMA沥青混凝土中,能够均匀分散,与SMA相互结合形成网状结构,可以有效增强SMA各方面的性能[2]。目前,国内的研究主要聚焦于聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维单掺于SMA沥青混凝土中,对各纤维的掺量和长度展开研究[3],王辉[4]等研究了纤维沥青胶浆的路用性能指标。将木质素纤维作为改性剂加入沥青胶浆中,通过BBR试验和DSR试验,分别探究了木质素纤维对沥青胶浆高低温性能的影响,研究验证,木质素纤维加入沥青胶浆中,可以提高高温性能,但沥青胶浆的低温性能有所降低。马冬云[5]研究了不同纤维对沥青胶浆性能的影响差异。实验选取了三种纤维,分别是木质素纤维、玄武岩纤维和聚酯纤维,研究显示,对于沥青胶浆的高温和低温性能,三种类别的纤维均有增强作用,其中效果最好的是聚酯纤维,最差的是木质素纤维。

纤维单掺对于沥青混合料的高温和低温性能具有不同程度的增强作用,但对于纤维混掺的研究较少,课题以聚酯纤维和玄武岩纤维混掺为方向[6],对比聚酯纤维和玄武岩纤维分别单掺,研究聚酯纤维和玄武岩纤维混掺的最佳掺量以及混掺对于SMA沥青的增强效果[7],课题以沥青胶浆为研究载体,模仿土的直剪实验,对沥青胶浆的抗剪性能进行研究,以DSR实验和BBR实验为载体分别研究纤维沥青胶浆的高温性能和低温性能[8]。

1 原材料

1.1 沥青

实验采用SBS改性沥青和高弹复合改性沥青,高弹改性剂是多种高分子材料合成的棕黄色圆颗粒,高弹改性沥青是在SBS改性沥青中加入高弹改性剂制备而成,本实验采用高速剪切法制备,两种沥青的性能如表1所示。

表1 沥青性能指标

1.2 矿粉

在研究沥青胶浆实验中发现,将复掺纤维沥青胶浆制作完成后,做剪切实验效果不明显,在沥青胶浆中加入矿粉以提高其高温性能和低温性能,让实验数据更加清晰,矿粉选用的是石灰岩粉末,其性能指标如表2所示。

表2 矿粉性能指标

1.3 纤维

试验采用聚酯纤维和玄武岩纤维两种纤维,将其分别单掺于沥青混合料中,以及混掺,将试验结果进行对比,聚酯纤维和玄武岩纤维的各项性能指标如表3所示。

表3 纤维技术指标

表4 直剪实验方案

2 实验结果分析

2.1 纤维沥青胶浆直剪实验

沥青胶浆为颗粒性材料,与土粒类似,土的抗剪强度是用摩尔-库伦理论[9]表征的,沥青胶浆也可采用。摩尔-库伦理论公式(式1)的两个参数分别是黏聚力c,内摩擦角φ。

τf=σtanφ+c

(1)

研究不同纤维沥青胶浆的抗剪强度,对于纤维的作用机理进行分析。本实验采用内径70 mm的环刀制备试件。将热沥青灌入环刀后,等待试件冷却,再用热刮刀将多余的沥青刮除,然后将试件放入35 ℃的恒温水箱中进行保温,保温时间5 h。实验采用应变控制式直剪仪,采用四种垂直压力,分别为50、100、150、200 kPa。由于沥青胶浆相较于土体材料,强度偏低,不能采用和土的直剪实验相同的剪切速率,应当采用更低的速率,本实验采用6 mm/min的剪切速率。在实验中发现剪切应力-位移曲线中无明显峰值,而在4 mm的位移时,剪应力相对稳定,因而沥青胶浆的抗剪强度可用4 mm位移时的应力值。

根据直剪实验方案进行直剪实验,将四种压力下的应力与位移实验结果取平均值绘制于表5。

表5 不同填料沥青胶浆抗剪强度平均值

从表5可以看出,纤维沥青胶浆的抗剪强度平均值明显高于不掺纤维沥青胶浆抗剪强度平均值,沥青胶浆的抗剪强度会随着纤维的加入而显著增加,相较于聚酯纤维单掺,复掺方案显著提高胶浆的抗剪强度,在50、100、150、200 kPa的垂直压力下,50%聚酯+玄武岩纤维复掺沥青胶浆比聚酯纤维单掺抗剪强度分别提升了42.4%、54.7%、46.5%、24.7%,试验证明,复掺聚酯纤维和玄武岩纤维时,聚酯纤维含量30%和70%,提高效果均不明显,复掺纤维沥青胶浆时,聚酯纤维和玄武岩纤维按照1∶1掺合时,直剪实验的抗剪强度值最高。单掺纤维沥青胶浆时,玄武岩纤维表现明显高于聚酯纤维单掺和不掺纤维。

根据沥青胶浆最大抗剪强度平均值绘制纤维沥青胶浆的4 mm处的剪应力-垂直压力曲线图(强度包络图),如图1～图5所示。

图1 聚酯纤维胶浆τf-σ关系曲线

图2 玄武岩纤维胶浆τf-σ关系曲线

图3 30%聚酯+玄武岩纤维胶浆τf-σ关系曲线

图4 50%聚酯+玄武岩纤维胶浆τf-σ关系曲线

图5 70%聚酯+玄武岩纤维胶浆τf-σ关系曲线

由剪应力-垂直压力曲线图可以计算出纤维沥青胶浆的内摩擦角和粘聚力,见表6。

表6 不同填料沥青胶浆内摩擦角和粘聚力汇总表

由表6可见,复掺纤维的胶浆内摩擦角较单掺显著提高,其中效果最好的是聚酯纤维和玄武岩纤维1∶1混掺,内摩擦角比单掺玄武岩纤维提高了2.18倍,其次是70%聚酯+玄武岩纤维混掺,比单掺玄武岩纤维提高了1.66倍,单掺聚酯纤维胶浆比单掺玄武岩纤维好,和30%聚酯纤维混掺纤维差别不大,说明聚酯纤维能与沥青胶浆较好融合,内部缝隙较少,复掺纤维沥青胶浆的粘聚力明显优于单掺玄武岩纤维,单掺聚酯纤维粘聚力表现较好,与混掺纤维相当,聚酯纤维和玄武岩纤维1∶1混掺的胶浆粘聚力略高于聚酯纤维单掺,沥青胶浆抗剪性能提升效果最好的是聚酯纤维和玄武岩纤维1∶1混掺。

2.2 动态流变剪切实验(DSR)

采用DSR试验测定沥青的动态剪切模量和相位角,沥青动态剪切模量测量值的范围为0.1～10 MPa,将纤维分别作为填料与高弹复合改性沥青形成沥青胶浆(粉胶比为1.50),比较两种纤维单掺和三种比列混掺沥青胶浆的抗高温性能。试件制作完成后,在规定的恒温水浴浸泡后,应立即试验。多个试验温度时,整个试验过程宜控制在4 h以内。DSR试验用抗车辙因子|G*|/sinδ表征沥青胶浆的抗高温性能,其值越大,表明沥青胶浆的抗高温性能越好。试验结果见表6。

由表7可见,纤维沥青胶浆高温性能与纤维种类和纤维掺量有关,50%聚酯+玄武岩纤维的相位角最大,其次是30%聚酯+玄武岩纤维,其剪切模量|G*|和相位角规律一致,不同纤维胶浆抗车辙因子差异明显。不同纤维沥青胶浆的抗车辙因子由大到小依次为50%聚酯+玄武岩、70%聚酯+玄武岩、30%聚酯+玄武岩、聚酯纤维、玄武岩纤维。50%聚酯+玄武岩纤维沥青胶浆的高温性能最好,其抗车辙因子是玄武岩纤维沥青胶浆的1.67倍,而当混掺纤维中,聚酯纤维掺量超过50%,达到70%后,相位角和抗车辙因子均有所下降,说明聚酯纤维的最佳掺量是50%,当掺量过大时,沥青胶浆内部已趋于饱和状态,增加纤维已经不能提高内部流动性,反而会降低沥青与纤维混合形成握裹结构。

表7 不同纤维沥青胶浆DSR试验结果

2.3 沥青弯曲蠕变劲度实验(BBR)

沥青弯曲蠕变劲度试验用于测定沥青胶浆弯曲蠕变劲度和m值,它们表征沥青胶浆的低温抗裂性能。弯曲蠕变劲度越大,m值越小,表明沥青胶浆的低温性能越差,弯曲蠕变劲度试验温度取-20 ℃。数据采集系统将记录在不同时间段的荷载和形变。试件模具内部尺寸为:长127±2.0 mm、厚6.35±0.05 mm、宽12.70±0.05 mm。将不同的纤维制作沥青胶浆(沥青为高弹复合改性沥青),测试不同纤维及复掺比例沥青胶浆的低温性能。试验结果见表8。

表8 不同纤维沥青胶浆BBR试验结果

由表8可知,50%聚酯+玄武岩纤维沥青胶浆的实测劲度最小,其次是30%聚酯+玄武岩混掺和玄武岩纤维,在BBR试验中,玄武岩纤维沥青胶浆实测劲度明显高于聚酯纤维,对应的五种纤维沥青胶浆m值由大到小依次为50%聚酯+玄武岩、30%聚酯+玄武岩、聚酯纤维、70%聚酯+玄武岩、玄武岩纤维,50%聚酯+玄武岩沥青胶浆的m值最小,其低温性能最好,单掺聚酯纤维胶浆m值与30%聚酯+玄武岩沥青胶浆m值差别不大,对于改善沥青胶浆低温性能作用效果一致,而单掺玄武岩纤维m值比单掺聚酯纤维m值降低15.9%,单玄武岩纤维沥青胶浆低温性能较单掺聚酯纤维差。

3 结 论

(1)在SBS改性沥青中加入高弹改性剂形成的高弹复合改性沥青延度、软化点、针入度指数均高于原SBS改性沥青,高弹复合改性沥青的性能优于SBS改性沥青。

(2)混掺纤维沥青胶浆的抗剪强度优于单掺纤维,性能最佳的是聚酯纤维和玄武岩纤维1∶1混掺,抗剪强度较玄武岩纤维单掺提高了2.18倍。

(3)动态流变剪切实验验证了混掺纤维胶浆的高温性能,与直剪实验的实验结果基本一致。

(4)沥青弯曲蠕变劲度实验中,聚酯纤维和玄武岩纤维1∶1混掺的低温抗裂性能最好,其次是30%聚酯+玄武岩纤维混掺。