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聚酯纤维复合改性沥青混合料路用性能研究,中国沥青网,sinoasphalt.com
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聚酯纤维复合改性沥青混合料路用性能研究
2019年01月10日    阅读量:1172    新闻来源:中国沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘  要:


   为了研究聚酯纤维与硅藻土、抗车辙剂复配下沥青混合料的路用性能,分析了聚酯纤维掺量变化对沥青混合料路用性能的影响,从而确定出聚酯纤维的最佳掺量,且优化了硅藻土的掺量。通过与基质沥青、 SBS 改性沥青混合料路用性能的对比得出:聚酯纤维与硅藻土、抗车辙剂复配,其各项路用性能相较于基质沥青混合料均有大幅度提高;相比于 SBS 改性沥青混合料,其高温稳定性、水稳定性以及抗疲劳性改善效果明显,但两者的低温抗裂性能差异性不同。


引言


   常用的聚合物类改性剂主要有 SBS、SBR、PE、EVA等,它们被广泛应用于公路建设当中,大量工程实践证明其对沥青起到明显的改善作用中国沥青网sinoasphalt.com。然而,大多数聚合物类改性沥青都需要添加改性设备才能将改性剂与机制沥青充分地融合。部分聚合物类改性剂只能对沥青混合料某一方面的性能进行改善,应用较为成熟的SBS,虽然能够较为全面地提高沥青路面的路用性能,但也存在价格较高、拌和复杂等问题。因此,迫切需要研究多种改性剂,通过复合掺配以显著提 升沥青混合料的各项性能。

   抗车辙剂在沥青混合料中能产生良好的嵌挤、胶结作用,被广泛应用于道路工程领域#主要用以改善沥青混凝土的高温性能;硅藻土具有表面粗糙、硬度较大、耐酸性、耐磨、抗滑、微孔隙结构独特及成分活性等特点,作为改性剂能显著改善沥青混合料的水稳定性,对沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性作用不大。掺加硅藻土或者抗车辙剂,对沥青混合料路用性能改善较为单一。

   作为一种高强、耐久、质轻的外掺增强材料,纤维能显著改善沥青混合料的力学性能,提高沥青路面的使用性能,延长路面结构的疲劳寿命。聚酯纤维是纤维的一种,是由有机二元酸和二元醇缩聚制作而成的聚合物,在沥青介质中有着良好的吸附性与分散性#并且具有强度高、延伸性好和回弹性好的特点。叶群山等采用黏度试验、动态剪切试验和动态蠕变试 验,研究了聚酯纤 维对沥青胶浆流变特性的影响,结果表明纤维发挥增强作用的同时,还能增加沥青胶浆的弹性;徐秀维研究了聚 酯纤维对沥青的改性机理和改性效 果,发现聚酯纤维与沥青相存在着物理和化学反应,但主要以物理共混容为主;管清明研究了聚酯纤维用量和最佳沥青用量的关系,并对聚酯纤维改善沥青混合料的高温、低温以及抗疲劳性能作了对比试验,结果表明聚酯纤维的加入能够显著改善沥青混合料的低温性能和 抗疲劳性能;高丹盈等通过应力控制模式下的劈裂 疲劳试验分析了不同掺量(纤维体积与沥青混合料体积之比)和长径比的 聚酯纤维沥青混凝土劲度模量的衰 减特征,发现纤维含量特征参数能综合反映纤维掺量和长径比对沥青混凝土疲劳性能的综合影响,聚酯纤维对混合料的疲劳性能改善非常明显。

    聚酯纤维虽然能改善沥青的高、低温性能,但是与SBS改性沥青混合料效果相差还是较大,且目前大多数研究都只是针对聚酯纤维单一改性沥青,将其与其他改性剂复配的研究相对较少。因此,本文将聚酯纤维、硅藻土与抗车辙剂进行复合掺配,研究不同掺量聚酯纤维对沥青混合料高低温、水稳定性以及抗疲劳性能的影响,并与基质沥青和 SBS沥青混合料进行性能对比。


1 原材料与级配


1.1  集料


   试验采用的集料中10~15mm 碎石、5~10mm 碎石为玄武岩,3~5mm 碎石为石灰岩,细集料为石屑,矿粉由石灰岩磨制而成,其技术指标均符合规范要求。


1.2  沥青


   试验采用韩国双龙 A-70#沥青和壳牌SBS I-C改性沥青。其相关技术指标见表1、2。

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1.3  改性剂


   本文采用的硅藻土呈黄色,粉末状,密度为2.23克/立方厘米,选用深圳海川公司生产的抗车辙剂,纤维采用垦特莱牌聚酯纤维。


1.4  级配

   

   试验以 AC-13 为目标级配,如表 3 所示。

表 3   AC-13级配


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2  复合改性剂方案确


2.1 试验方案


   已有研究表明硅藻土和抗车辙剂复配,硅藻土的掺量为 12%(占沥青质量)、抗车辙剂的掺量为5%(占沥青质量)时,其对高温性能和水稳定性改善较为明显。故本试验初拟定硅藻土掺量为 12%(占沥青质量),抗车辙剂掺量为5%(占沥青质量),通过逐步改变聚酯 纤维的掺量(分 别 为 3%、5%、7%),得到复合改性沥青混合料3、4、5,并与基质沥青、SBS沥青混合料对比,验证其路用性能。


2.2 沥青混合料配合比设计


   按照现行沥青混合料配合比设计规范要求的方法进行配合比设计,确定不同沥青混合料最佳油石比,结果见表 4。

表 4  马歇尔试验结果

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2.3 技术性能研究


2.3.1 高温稳定性


   采用 60°C车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性,试验结果如图 1 所示。由图 1 可知,聚酯纤维的加入对沥青混合料的高温性能有一定程度的改善。为进一步明确混合料之间差异性的大小,对7组试验数据进行方差LSD多重比较分析,结果见表 5。

表 5 不通掺配方案沥青混合料动稳定度LSD多重比较结果

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图 1 沥青混合料车辙试验结果


   由LSD多重分析结果可知:改性沥青混合料 1 与基质沥青混合料相比,其差异性系数为0.317,大于0.05,说明硅藻土对沥青混合料高温性能改善不明显;改性沥青混合料 2 与改性沥青混合料 1 、基质沥青混合料相比,其差异性系数均小于0.05,说明抗车辙剂对沥青混合料的高温性能有较大改善;复合改性沥青混合料 3 ,复合改性沥青混合料 4,复合改性沥青混合料 5 这 3 组沥青混合料与改性沥青混合料 2 及基质沥青混合料相比,差异性系数均小于0.05,差异性明显,可知聚酯纤维对沥青混合料的高温性能有显著改善作用。

   复合改性沥青混合料 3 ,复合改性沥青混合料 4 ,复合改性沥青混合料 5 之间的差异性系数均小于0.05,且相互之间的差异性系数随聚酯纤维含量,的增多而增大。说明 3 种复合改性沥青混合料的高温性能随聚酯纤维掺量的增加改善效果逐渐减弱,所以聚酯纤维掺量对沥青混合料高温性能产生了较显著的影响作用。


2.3.2 低温抗裂性


   采用沥青混合料小梁低温弯曲试验评价各组混合料低温抗裂性能,试验结果如图 2 所示。从图 2 可知,添加硅藻土或抗车辙剂,沥青混合料试件的破坏应变变化不大,说明二者对沥青混合料低温抗裂性改善效果不明显。随着聚酯纤维的加入,沥青混合料试件的破坏应变逐渐增大,说明其对沥青混合料的低温抗裂性产生了较大改善。同样,对试验结果数据进行LSD多重对比分析,结果如表6所示。


表 6  不同掺配方案沥青混合料弯曲破坏应变LSD多重比较结果

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图 2  沥青混合料低温试验结果

   由 LSD分析结果可知:改性沥青混合料 1 、改性沥青混合料2与基质沥青混合料相比差异性系数分为0.781、0.475,远大于0.05,差异性不显著,可知硅藻土和抗车辙剂对沥青混合料低温抗裂性的改善效果很不明显;复合改性沥青混合料 3 、复合改性沥青混合料  4 、复合改性沥青混合料 5 与改性沥青混合料1、改性沥青混合料2及基质两两相比,差异性系数均远远小于0.05,差异性显著,可知聚酯纤维对沥青混合料低温抗裂性产生了非常显著的影响;复合改性沥青混合料 3 ,与改性沥青混合料 2 复合改性沥青混合料 4 与改性沥青混合料 2 、复合改性沥青混合料 5 与改性沥青混合料 2 相比,差异性系数呈减小趋势,改善效果逐渐增强,说明聚酯纤维的掺量变化对沥青混合料的低温性能有较大的影响。


2.4 复合改性剂优化研究


   由以上分析可知,若单纯考虑沥青混合料的水稳定性,复合改性沥青混合料 4 是优选方案;若只考虑高温稳定性或者低温抗裂性,复合改性沥青混合料 5 是优选方案;但考虑到复合改性沥青混合料 5 中聚酯纤维掺量过高会提高造价,且复合改性沥青混合料 5  比复合改性沥青混合料 4 对沥青混合料的低温性能提高幅度低。因此综合考虑,复合改性沥青混合料 4 是较优的改性方案。


3 复合改性剂优化研究

  

 为了优化复合改性剂#得到性能及经济效益最佳的掺配方案,需要将硅藻土掺量进一步优化。考虑到聚酯纤维也起到一定的改性作用,且硅藻土对沥青混合料的高温和低温性能改善不明显,因此可适当减少硅藻土的掺加量。本试验硅藻土的掺量依次为8%、10%、12%(占沥青质量),抗车辙剂为5%(占沥青质量),聚酯纤维的掺量为 5%(占沥青质量),得到 3 种复合改性剂最佳油石比采用复合改性沥青混合料 4 的最佳油石比4.8%。对沥青混合料进行冻融劈裂试验,研究复合改性剂对沥青混合料水稳定性的影响,从而得出复合改性剂中硅藻土的最佳掺量。


3.1 水温定性研究试验结果分析


   为测定复合改性剂中硅藻土含量减少对沥青混

合料水稳定性的影响,采用冻融劈裂试验,分别验证种配比方案(A、B、C)下沥青混合料的水稳定性,并分析对比不同复合改性剂对其水稳定性的影响,试验结果如表7所示。

表 7  复合改性沥青混合料冻融劈裂试验结果

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由上述试验数据可知#沥青混合料的冻融劈裂强度比随着硅藻土掺量的减少而降低#水稳定性与硅藻土掺量呈一定的线性相关性&对两者进行线性相关性分析#结果如表8所示。

表  8  硅藻土掺量与沥青混合料TSR相关性分析

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   由线性相关性分析结果可知,硅藻土掺量与TSR呈正线性相关性,相关系数为0.992,两者相关显著性系数为0.041,小于0.05线性关系显著。当硅藻土掺量由 12%减少到10%时,沥青混合料TSR降低了 2.1%,而当 硅藻土含量再次减少到8%时,沥青混合料 TSR减少了3.5%,水稳定性下降较明显。综合考虑沥青混合料的水稳定性及经济效益可知,复合改性方案 B 为最佳掺配方案。


3.2 复合改性剂其他路用性能验证


   根据上述研究可知,硅藻土与抗车辙剂和聚酯纤维掺配时,采用 B方案能使沥青混合料达到良好的水稳定性;验证其路用性能,试验结果如表9所示。

表 9   复合改性方案 B 沥青混合料路用性能试验结果

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   相较于基质沥青混合料和 SBS 改性沥青混合料,复合改性方案 B 是否产生了较为明显的改善效果,就两者的高温稳定性及低温抗裂性进行独立样本 t 检验。相关试验结果如表10、11所示。

   由表10可知,复合改性沥青 B 与基质改性沥青 、SBS 改性沥青的方差齐性检验显著性概率  Sig 分别为0.409、0.193 ,均大于0.05 ,可以认为方差相等。复合改性沥青 B 与基质沥青、SBS 改性沥青的双尾显著性概率Sig,分别为0.000/0.003,远,小于0.05,故动稳定度表现出显著的差异。结合图 3 中的动稳定度的平均值可知,相较于基质沥青混合料,复合改性方案 B 对混合料高温稳定性起到了非常明显的改善作用,相较于 SBS 改性沥青混合料,高温稳定性也有较大的提升。

   由表11中样本检验结果可知,2 组的方差齐性检验显著性概率Sig为 0.087、0.572,均大于,0.05,,故假设方差相等;基质沥青及复合改性沥青混合料  B 的双尾显著性概率 Sig为0.001,远小于,0.05,差,异性显著,而复合改性沥青 B 与SBS 沥青混合料的双尾显著性概率Sig为0.714,差异性不显著。由此可知,复合改性沥青 B 与基质沥青混合料相比,其破坏应变有明显改善,而复合改性沥青 B 相较于SBS 改性沥青混合料,其破坏应变差异不明显。因此,复合改性方案 B 对沥青混合料破坏应变的改善非常明显,可以显著提高其低温抗裂性能。

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3.3 抗疲劳性检验


   本文采用小梁疲劳试验评价沥青混合料抗疲劳性能。小梁疲劳试验采用三点加载的方式进行。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的轮碾法成型并切制成40mmx40mmx250mm 的试件。试验数据处理采用公式(1)进行回归


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式中:Nf为达到破坏时的重复荷载作用次数;

&0为初始的弯拉应力(Mpa);为试验确定的参数。

   K值用来评价沥青混合料的抗疲劳性能;K值越大,抗疲劳性能越好;而 n 值代表沥青混合料对应力水平的敏感性,其值越大,敏感性越强。选用最佳复配改性沥青 B 进行疲劳试验,并与基质沥青和 SBS 改性沥青进行对比,试结果如表 12 所示,对式

(1)左右取对数,得到

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按式(2)拟合疲劳曲线,如图 3 所示。

   由表 12 和图 3 可知,与基质沥青 SBS 改性沥青相比,复合改性沥青 B 的 n 值分别提高了6.3%、8.3%,说明其疲劳寿命对应力水平敏感性略微增强;而 K 值分别提高了517.9%、49.6%,说明该种,掺配方案的沥青混合料的疲劳寿命大幅度提高,改善效果显著。由此可知聚酯纤维与硅藻土、抗车辙剂复配可显著提高沥青混合料的抗疲劳性能。

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4  结 语


   通过对聚酯纤维复配硅藻土、抗车辙剂的沥青混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验以及疲劳试验,发现聚酯纤维等改性剂对沥青混合料的影响如下。

   (1)通过对比研究不同方案的性能差异,当聚酯纤维和抗车辙剂掺量均为 5% 硅藻土掺量为 10%,即聚酯维、抗车辙剂、硅藻土的比例为1:1:2制作改性剂时,其复配改性沥青混合料的高'低温性能均优于 SBS 改性沥青混合料,且水稳定性能更好,聚酯纤维的增柔增韧作用使混合料的抗疲劳性能也得到显著改善。

   (2)聚酯纤维复合改性沥青混合料与 SBS 改性沥青混合料的双尾显著性概率 Sig 为0.003,远小于0.05,故动稳定度存在显著性差异。因此,相较于 SBS 改性沥青混合料,聚酯纤维复合改性对沥青混合料的高温稳定性有较大的提升,改善效果随聚酯纤维掺量的增加而增强。

   (3)相较于 SBS 改性沥青混合料,聚酯纤维复合改性沥青混合料破坏应变差异不大。因此,聚酯纤维复合改性方案能显著提高沥青混合料的破坏应变,对混合料的低温性能改善与 SBS 改性沥青效果相当。

   (4)聚酯纤维与硅藻土、抗车辙剂复配对沥青混合料的水稳定性有较大改善,其中硅藻土对改善水稳定性起着非常重要的作用。硅藻土掺量与TSR 呈现正线性相关性,当硅藻土掺量由1 2% 减少到 10%时,沥青混合料TSR 降低了2.1%,而当硅藻土含量减少到 8% 时,沥青混合料 TSR 减少了3.5%,水稳定性下降较明显。

  (5)聚酯纤维与硅藻土、抗车辙剂复配可以对沥青混合料的的疲劳寿命起到明显改善作用,且其疲劳寿命对应力水平敏感性增强,混合料的长期性能显著提高,优于 SBS 改性沥青混合料。


参考文献:

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