聚酯纤维在沥青混合料中的应用
近年来，纤维应用于沥青混合料中，其良好的加筋作用明显改善沥青混合料的物理力学性能和增强沥青混合料的整体强度的特点，逐渐被路面材料研究者认同，并且成为研究的重要方向。沥青路面中使用的纤维大体分为硬纤维和软纤维
[1]。其中硬纤维（如钢纤维）使得沥青混合料具有高强度、耐高温和高弯曲弹性、高取向性的特点，但是它与沥青混合料之间粘附性能较差，导致纤维的握裹力变差，影响沥青混合料路用性能。而应用较为广泛的软纤维（如聚酯纤维、聚丙烯晴纤维等）具有质量轻、耐高温、耐久性以及抗腐蚀性能较强，研究表明掺加聚酯纤维的沥青混合料路面结构整体强度明显增强，路面抗弯拉强度以及抗剪强度有所提升
[2]，从而大大降低了路面裂缝的数量。因此，本文针对聚酯纤维对改善沥青混合料的路用性能进行讨论。
1原材料
1.1基质沥青
本文中基质沥青采用道路石油沥青70号，各项技术性能指标见表1所示，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ F40-2004）中对沥青的技术要求。
表1 沥青技术性能指标试验结果
|
性能指标 |
技术指标 |
试验值 |
|
针入度（25℃，100g，5s）（0.1mm） |
60-80 |
65 |
|
软化点（℃） |
≥44 |
47.5 |
|
延度（5cm/min,15℃）（cm） |
≥100 |
＞150 |
|
溶解度（三氯乙烯）（%） |
≥99.0 |
99.5 |
|
动力粘度（60℃）（Pa.s） |
≥180 |
194 |
|
老化后（163℃，85min） |
针入度比（%） |
61 |
64 |
|
质量损失（%） |
±0.8 |
0.4 |
|
延度（10℃）（cm） |
≥6 |
54 |
1.2矿料
粗集料、细集料以及矿粉均采用石灰岩，表面洁净、干燥、无杂质、无风化，同时其性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对集料以及矿粉质量的要求。如下表2、表3、和表4所示：
表2 粗集料技术性能指标试验结果
|
性能指标 |
技术指标 |
试验值 |
|
压碎值（%） |
≤26 |
11.8 |
|
洛杉矶磨耗损失（%） |
≤28 |
16.4 |
|
表观相对密度 |
≤2.6 |
2.77 |
|
吸水率（%） |
≥2.0 |
0.7 |
|
坚固性（%） |
≤12 |
6 |
|
针片状颗粒含量（%） |
≤15 |
7.6 |
|
水洗法＜0.075mm颗粒含量（%） |
≤1 |
0.5 |
|
磨光值PSV |
≥42 |
57 |
|
与沥青粘附性 |
5级 |
5级 |
表3 细集料技术性能指标试验结果
|
性能指标 |
技术指标 |
试验值 |
|
表观相对密度 |
≥2.5 |
2.73 |
|
坚固性（＞0.3mm）（%） |
≤12 |
6.3 |
|
含泥量（%） |
≤3 |
1.4 |
|
砂当量（%） |
≥60 |
75 |
表4 矿粉技术性能指标试验结果
|
性能指标 |
技术指标 |
试验值 |
|
表观密度（g/cm3） |
≥2.5 |
2.69 |
|
含水量 |
≤1 |
0.4 |
|
外观 |
无团粒结块 |
无团粒结块 |
|
亲水系数 |
＜1 |
0.8 |
|
塑性指数 |
＜4 |
2.7 |
1.3聚酯纤维
本试验中掺加的聚酯纤维具有良好的吸油性和粘附性，耐高温性能以及抗拉强度也较高，其技术性能参数如下表5所示：
表5 聚酯纤维技术指标
|
材质 |
聚酯 |
熔点 |
＜255-256℃ |
|
长度 |
6-8mm |
燃点 |
554-559℃ |
|
比重 |
1.37 |
弹性模量 |
＞11800Mpa |
|
颜色 |
白色 |
抗拉强度 |
500Mpa |
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2级配选择
2.1矿料级配
通过原材料筛分结果，对混合料级配组成进行计算，从而确定各种矿料用量的比例，并根据《公路沥青路面施工技术规范》中对矿料级配的上、下限范围的控制要求。为了保证试验结果的准确度，对所有矿料进行水洗并烘干后采用。如下表6，图1所示矿料级配组成。
表6 矿料级配组成
|
材料组成 |
筛孔尺寸（mm） |
|
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
|
通过百分率（%） |
|
合成级配 |
100 |
97.5 |
76.4 |
54 |
37.9 |
26.7 |
19.5 |
16.5 |
13.1 |
6.4 |
|
级配上限 |
100 |
100 |
85 |
68 |
50 |
38 |
28 |
22 |
20 |
8 |
|
级配下限 |
100 |
90 |
65 |
38 |
24 |
15 |
10 |
12 |
7 |
4 |
|
级配中值 |
100 |
95 |
76.5 |
53 |
37 |
26.5 |
19 |
17 |
13.5 |
6 |
图1 级配曲线图
2.2油石比确定
根据试验前期，对未掺加聚酯纤维的沥青混合料进行过技术评价，其最佳沥青用量为5.4%，但是由于纤维具有较强的吸附能力，导致沥青用量通常比普通沥青混合料中沥青多。因此，综合考虑对聚酯纤维掺量为0.25%的沥青混合料分别采用油石比5.4%、5.5%以及5.6%三种沥青用量进行马歇尔试验的测定，通过下表7的对比分析，选用5.5%作为掺加0.25%聚酯纤维的沥青混合料的油石比。
表7 沥青混合料体积指标
|
油石比 |
密度 |
空隙率 |
间隙率 |
饱和度 |
稳定度 |
流值 |
最佳油 |
|
(%) |
(g/cm3) |
(%) |
(%) |
(%) |
(KN) |
(0.1mm) |
石比（%） |
|
5.3 |
2.439 |
4.9 |
16.3 |
67.1 |
13.9 |
26.0 |
5.5 |
|
5.4 |
2.442 |
4.8 |
16.2 |
69.6 |
14.5 |
28.3 |
|
5.5 |
2.445 |
4.7 |
16.2 |
71.4 |
15.4 |
30.6 |
3路用性能
3.1高温
依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）中对沥青混合料在最佳沥青用量下进行高温车辙试验，并通过动稳定试验结果对比分析掺加与不掺加聚酯纤维沥青混合料的高温性能的差别。动稳定试验结果如下表8所示：
表8 沥青混合料车辙试验结果
|
纤维剂量 |
次数 |
变形(mm) |
DS |
DS平均值 |
|
（%） |
|
5 |
10 |
15 |
30 |
45 |
60 |
(次/mm) |
(次/mm) |
|
0 |
1 |
2.87 |
3.21 |
3.74 |
4.59 |
5.22 |
5.80 |
1230 |
1168 |
|
2 |
2.98 |
3.45 |
4.02 |
4.94 |
5.61 |
6.00 |
1105 |
|
3 |
3.01 |
3.32 |
3.98 |
4.78 |
5.58 |
5.92 |
1168 |
|
0.25 |
1 |
2.96 |
3.35 |
3.77 |
4.65 |
5.06 |
5.40 |
1912 |
1810 |
|
2 |
2.92 |
3.41 |
3.78 |
4.57 |
4.98 |
5.31 |
1850 |
|
3 |
3.00 |
3.42 |
3.71 |
4.65 |
5.14 |
5.51 |
1668 |
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从表8试验结果可以看出，加入聚酯纤维后，沥青混合料动稳定得到明显的提高，动稳定度从1168次/mm到1810次/mm。由此可以看出，纤维对抑制集料间的相对滑移起到一定作用，实际上聚酯纤维的加入增强了沥青的稳定作用，而且有利于聚酯纤维与细集料形成有效的网络结构。在高温下，这种网络结构有效的约束并限制了集料间的滑移，使得矿质骨架结构更加稳定，也有利于减小竖向变形的发生，从而使得沥青混合料的动稳定度增大。
许多研究表明
[3]，聚酯纤维掺量的变化也会导致沥青混合料动稳定度的一定变化。根据掺加不同剂量聚酯纤维的动稳定度变化规律发现，并不是可以无限大的增加聚酯纤维的掺量，当达到某一范围后，沥青混合料动稳定会随着掺量的增加反而降低。这主要是因为过大的纤维掺量，容易结团，严重影响了纤维的分散均匀性，起不到对沥青混合料的稳定以及加筋作用，才使得动稳定度有所降低。
3.2低温
依据《规程》
[4]相关规定，对掺加聚酯纤维和未掺加聚酯纤维的沥青混合料在最佳油石比下进行低温弯曲试验，并通过计算分析抗弯拉强度、最大拉应力以及弯曲模量，如下表9所示：
表9 沥青混合料低温弯曲试验结果
|
纤维掺量 |
最大荷载 |
挠度 |
弯拉强度 |
最大应变 |
弯曲劲度 |
|
（%） |
（KN） |
（mm） |
（MPa） |
（10-6） |
模量（MPa） |
|
0 |
1.153 |
0.461 |
9.412 |
2415 |
3897 |
|
0.25 |
1.368 |
0.645 |
11.167 |
3386 |
3298 |
从上表9可知，沥青混合料掺加聚酯纤维后，其低温抗弯拉强度以及破坏时的最大弯拉应变都有较为明显的提高，证明聚酯纤维对沥青混合料的低温抗裂性能有显著的改善。这种改善效果与聚酯纤维对混合料的加筋作用关系密切，同时增强了沥青混合料的柔韧性，表现在低温弯曲劲度模量的减小。因此纤维加筋增韧作用对沥青混合料的低温性能的改善是有效的。
3.3水稳定性
冻融劈裂试验是评价沥青混合料水稳定性能的常见方法，因此依据《规程》进行冻融劈裂试验，并计算分析抗拉强度以及残留强度比，如下表10所示试验结果：
表10 沥青混合料浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验结果
|
浸水马歇尔试验 |
|
纤维剂量（%） |
MS（KN） |
MS1（KN） |
MS0(%) |
|
0 |
11.68 |
9.53 |
81.6 |
|
0.25 |
14.38 |
13.14 |
91.4 |
|
冻融劈裂试验 |
|
纤维剂量（%） |
RT1（Mpa） |
RT2（Mpa） |
TSR(%) |
|
0 |
0.815 |
0.646 |
79.3 |
|
0.25 |
0.902 |
0.798 |
88.5 |
掺加聚酯纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比较未掺加纤维的沥青混合料明显要高，而且聚酯纤维沥青混合料的残留稳定度值也有明显增加，因此说明聚酯纤维的增加，伴随着适当的沥青用量增加，使得矿料表面沥青膜厚度的增大，有利于增强结构沥青与矿料间的界面作用，大大的提高了沥青混合料的水稳定性。但是并不是纤维掺量越大，沥青混合料水稳定性就提高的越大。相反，当超过一定掺量后，混合料水稳定性有所降低，这是因为过量的聚酯纤维由于分散性较差，使得沥青混合料的空隙率增大，增大了混合料受水侵蚀以及冻融损害的风险。
总之，本文根据规范规定，通过对比分析沥青混合料掺加聚酯纤维与未掺加纤维的高温、低温以及水稳定性综合分析，认为掺加适量的聚酯纤维对提高沥青混合料高温性能较为明显，也增强了混合料抵抗低温抗裂变形能力和沥青混合料抗水损害能力，有利于提高路面力学强度和沥青混合料的耐久性能。
参考文献
[1] Bradley J.Putman，Serji N. Amirkhanian.Utilization of waste fibers in stone matrix asphalt mixtures. Resources，Conservation and Recycling，2004，42(3):265-274
[2] 陈富强，樊统江，徐栋良，张阳.聚醋纤维加强沥青混凝土路面研究[J].公路
交通技术，2007(02)
[3] 王林攀 聚酯纤维沥青混合料性能及工程应用研究 合肥工业大学 2008 硕士论文
[4] 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ 052-2000）
[5] 于斌 纤维沥青胶浆流变特性及纤维沥青混合料路用性能研究 长安大学 2009 博士论文
