单掺及复掺纤维的高模量沥青混合料路用性能研究_魏志学.pdf

66魏志学 单掺及复掺纤维的高模量沥青混合料路用性能研究作者简介：魏志学，高级工程师，硕士，研究方向：沥青路面再生材料的路用性能、公路工程试验检测质量管理。单掺及复掺纤维的高模量沥青混合料路用性能研究魏志学（河南璟信工程监理有限公司，河南洛阳 471000）摘要：为评价单掺及复掺纤维对 BRA 改性高模量沥青混合料性能的增强作用，采用半圆针入度试验、直接拉伸试验研究了纤维对高模量沥青柔韧性和剪切性能的影响，基于车辙试验、贯入剪切试验、低温弯曲试验评价了纤维高模量沥青混合料的各项性能。结果表明：单掺及复掺纤维均能显著提高 BRA 高模量沥青的蠕变柔量和抗剪切强度；纤维的微观形貌差异导致其对高模量沥青及其混合料性能改善效果各有侧重，采用复掺纤维方案可实现不同纤维对 BRA改性沥青性能改善效果的叠加作用；复掺纤维对高模量沥青混合料的低温抗裂性能、长期高温稳定性等各项路用性能有较大提升并且效果更加均衡，有较好的技术优越性。关键词：高模量沥青混合料；复掺纤维；柔韧性；路用性能中图分类号：U 416；U 414Study on Road Performance of High Modulus Asphalt Mixture with Single and Composite FiberWEI Zhi-xue(Henan Jingxin Engineering Supervision Co.,Ltd.,Luoyang 471000,Henan,China)Abstract：In order to evaluate the strengthening eff ect of single and compound fi ber on the performance of BRA modifi ed high modulus asphalt mixture,the semicircle penetration test and direct tensile test were used to study the influence of fiber on the fl exibility and shear performance of high modulus asphalt mixture,and the performance of fi ber high modulus asphalt mixture was evaluated based on rutting test,penetration shear test and low-temperature bending test.The results show that the creep compliance and shear strength of BRA high modulus asphalt can be significantly improved by adding fiber alone or in combination.The diff erence of micro morphology of fi bers leads to a certain emphasis on the performance improvement of high modulus asphalt and its mixture.The composite fi ber can greatly improve the low temperature crack resistance,long-term high temperature stability and other road performance of high modulus asphalt mixture,and the eff ect is more balanced,with better technical advantages.Key words：high modulus asphalt mixture;composite fi ber;fl exibility;road performance按照法国规范 NF P98 140，高模量沥青混凝土的复数模量(15、10Hz)应当 14000MPa1-2，通过提高模量，可以降低路面受荷时沥青混凝土的拉应力和拉应变，增强抗车辙变形和耐久性能，并减小路面厚度。当前，主要有三种方式实现高模量3-5：掺配天然沥青（岩沥青、湖沥青等）、添加高模量剂及使用低标号硬质沥青胶结料。其中，添加高模量剂的费用较高，且影响沥青混合料的低温性能，而低标号硬质沥青胶结料则仅能改善高温性能，效果单一。因此，掺配布敦岩沥青（BRA）成为了优先选择，其不仅储量丰富，而且对水稳定性、高温抗车辙以及疲劳开裂等性能均有改善作用，同时在制备过程中适用于干法直投工艺，操作简单，便于现场应用。法国 EME2 高模量沥青混合料有丰度系数、车辙变形率、梯形梁疲劳试验弯曲试验破坏应变、Duriez 试验残留强度比以及梯形梁试件复数模量等 5 个控制参数，但对于低温抗裂性却未提出指标要求。而国内早期施工的高模量沥青路面主要由添加高模量剂或使用低标号硬质沥青胶结料制得，且多数照搬法国标准，虽能增强抗车辙与抗疲劳能力，但柔性较差、低温抗裂性能不足，特别是在温差大的冬季严寒地区，高模量沥青路面普遍存在开裂隐患，限制了其进一步使用6-10。因此，对于高模量沥青混合料，在保持优异的抗车辙与抗疲劳能力的基础上，如何有效提高其低温抗裂性能成为了业内研究重点。纤维的掺入可一定程度提高沥青混合料的路用性能，这与纤维自身的宏微观结构有关。实际应用中，不同类别与规格的纤维性能各异，对沥青混合料路用性能的改善也有不同的侧重点，故而合理的复掺纤维是提升沥青混合料性能改善效果或节约生产成本的有效方式11-13。为更好地改善高模量沥青混合料路面性能，便于其在北方寒冷地区路面工程中的推广应用，本文选取木质素、聚酯、玄武岩 3 种纤维，通过设计不同的单掺和复掺纤维方案，试验研究掺加纤维的高模量沥青混合料配比优化及其性能。1 原材料与试验方案1.1 原材料DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.016合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期67试验用 3 种纤维为木质素纤维(LF)、聚酯纤维(PF)、玄武岩纤维(BF)，性能指标见表 1。通过干法添加布墩岩沥青(BRA)实现沥青混凝土的高模量，BRA 岩沥青的基本指标见表 2。基质沥青选用盘锦某公司生产的重交A 级-70 号道路石油沥青，相关指标见表 3。将 BRA 岩沥青与基质沥青以 3：7 的质量配比制备获得高模量沥青，胶结料指标参数见表 4。粗细集料、矿粉均为石灰岩或其磨制品，各指标要求符合 JTG F40-2004 的规定。表 1 纤维材料指标Table 1 Fiber material index指标木质素纤维聚酯纤维玄武岩纤维外观灰色絮状白色细丝状金褐色规则集束状直径/m404518221416长度/mm354646密度/(gcm-3)1.2431.4592.352比表面积/(m2g-1)0.8010.1440.102抗拉强度/MPa25252835004000熔点/22927114501500断裂伸长率/%19.333.831.3烧失量/%6.61.70.6吸油率/倍6.333.240.86表 2 BRA 岩沥青指标Table 2 Indicators of BRA rock asphalt指标试验结果参考值天然沥青含量/%26.718灰分含量/%73.1软化点/12415 密度/(gcm-3)1.7521.70闪点/260230含水量/%0.54660 动力粘度/(Pas)23018010 延度/cm282015 延度/cm100100TFOT 后质量变化/%+0.4-0.80.8TFOT 后残留针入度比/%6861TFOT 后 10 残留延度/cm116表 4 高模量沥青性能指标Table 4 Performance indexes of high modulus asphalt指标试验结果参考值针入度(25,100g,5s)/0.1mm32.31550软化点(环球法)/66.76060 动力粘度/(Pas)28892000135 动力粘度/(Pas)1.759915 密度/(gcm-3)1.034实测TFOT 后质量变化/%+0.4-0.50.5TFOT 后残留针入度比/%66651.2 试验方案试验采用单掺及复掺纤维的方案。单掺方案指单独掺加木质素、聚酯、玄武岩 3 种单纤维，复掺方案为将木质素纤维（LF）、聚酯纤维（PF）、玄武岩纤维（BF）按一定的质量比进行交织化掺入，设计两种复掺方案，编号 CF-为 LF：PF：BF=1：2：2，编号 CF-为 LF：PF：BF=2：2：1。将纤维掺量控制为高模量沥青质量的 4%、6%、8%、10%，分别制备获得纤维改性高模量共混沥青。通过高模量沥青的半圆针入度试验、直接拉伸试验，分析纤维的增柔增韧效果，为纤维种类及配比优选提供参考；再基于贯入剪切试验、车辙试验和低温弯曲试验，研究纤维对高模量沥青混合料的路用性能影响。2 纤维对高模量沥青的增柔增韧作用2.1 半圆针入度试验高模量沥青的稠度较大，且在掺加岩沥青 BRA 后内部形成了空间网状结构，影响试针插入效果，导致针入度试验结果普遍较小且差异不大，甚至存在失真情况。参考文献 11-13 的思路，利用半圆针入度仪获取针入度试验过程中针入深度与时间的关系，求得沥青的蠕变柔量。试验温度设为 40，针入时间取 100s，保证针头、配重码及连杆件的总质量为（1000.05）g，以此可得半无限空间介质下沥青试样的蠕变柔量，试验结果见表 5。表 5 半圆针入度试验结果Table 5 Half circle penetration test results纤维掺量/%蠕变柔量/10-5Pa针入度/0.1mmLFPFBFCF-CF-LFPFBFCF-CF-047.0147.0147.0147.0147.0178.678.678.678.678.6455.5758.3767.4170.7665.0076.574.270.568.572.4659.0261.5773.2676.6570.0374.471.364.762.666.7857.7560.1871.6683.1272.8071.669.465.060.465.41054.8357.2270.0279.3369.5772.470.666.661.666.5蠕变柔量可表征沥青的粘弹性，两者为正相关，数值越大表明高温下的抗变形能力越强；而半圆针入度越大，则说明沥青稠度越小，高温稳定性越差。由表 5 可知，半圆针入度试验可有效评价纤维类别及掺量对高模量沥青柔韧性的影响。纤维掺量增大时，混合料的蠕变柔量先增大后减小，而半圆针入度则呈现为先大幅减小后稍有增大趋势；在单掺纤维条件下，蠕变柔量在纤维掺量 6%时存在峰值，对应的半圆针入度值也较小；在复掺纤维条件下，蠕变柔量在纤维掺量 8%时存在峰值。因此，基于蠕变柔量、半圆针入度的评价角度，纤维在改善高模量沥青柔韧性时存在最佳掺量问题。相比于不加纤维的高模量沥青，3 种单掺和 2 种复掺的纤维高模量共混沥青的峰值蠕变柔量分别提升了 25.5%、30.9%、55.8%、76.8%、54.8%，最佳纤维掺量下，共混沥青的半圆针入度分别降低了 8.9%、11.7%、17.3%、23.1%、16.7%，表明纤维可有效增强高模量沥青的高温抗变形能力。由分析可知，单掺纤维时，玄武岩纤维的高温抗变形性能改善效果更佳，而复掺纤维能发挥不同纤维对高模量沥青性能改善效果的叠加作用。2.2 直接拉伸试验按标准 JTG E20-2011 进行直接拉伸试验，拉伸速率0.5mm/min，试验温度 25，每组含 6 个平行试件，取平均值作为最终测定值。以拉伸强度和断裂伸长率作为评价指标