聚合物纤维改性沥青混凝土的研究_吴少鹏

第25卷　第12期2003年12月

武　汉　理　工　大　学　学　报

JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

V o l. 25　N o. 12　Dec. 2003

聚合物纤维改性沥青混凝土的研究

吴少鹏, 薛永杰, 张登峰

(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室, 武汉430070)

摘　要:　路用纤维作为沥青混凝土的添加材料, 近年来在我国的高级沥青路面得到了广泛应用。通过添加聚合物纤维来对普通沥青混凝土进行改性, 研究了混合料掺纤维后的马歇尔稳定度、水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性及耐疲劳性能, 并与普通密集配沥青混凝土进行了路用性能的对比分析。依据分析的结果, 简述了纤维改善沥青混凝土的强度形成机理。

关键词:　纤维; 　沥青混合料; 　改性; 　路用性能中图分类号:　T U 528. 42

文献标识码:　A

文章编号:1671-4431(2003) 12-0047-03

伴随经济建设的高度发展, 现代交通对于公路沥青路面建设质量提出了越来越高的要求, 越来越多的新型材料的使用进入到了沥青路面材料技术领域。纤维作为一种特殊的添加材料, 已经普遍被应用在沥青路面工程中。早期通常使用的是木质素等纤维, 由于该类纤维较短, 材质较脆, 在混合料中难以发挥增韧的作用, 作为替代产品, 化学纤维的出现引起了广泛的关注。目前, 化学纤维主要包括聚脂纤维、聚丙烯腈纤维等。文中主要介绍德兰尼特AS 聚丙烯腈纤维。

[1]

1　原材料性能

1. 1　沥　青

试验选用的沥青为科氏重交AH-70号沥青, 其技术性能指标如表1所示。1. 2　纤　维

我国目前使用的聚合物纤维主要有2种, 分别是美国博尼维(Bonifiber) 和德国德兰尼特AS(Dolanit AS) 。德兰尼特AS (Dolanit AS) 是一种有机合成纤维——聚丙烯腈纤维, 具有强度高、不溶解、吸附性强、在溶剂中不膨胀等特点。它不仅是稳定添加剂, 更能改善沥青胶体的结构, 起到加强筋的作用, 已在工程中得到广泛的应用, 其技术指标如表2所示。1. 3　作用机理

在沥青混合料中纤维主要起吸附、稳定和加筋的作用。纤维直径一般小于20μm , 有相当大的比表面积, 纤维分散在沥青中, 其巨大的表面积成为浸润界面。在界面中, 沥青和纤维之间会产生物理和化学作用, 如吸附、扩散、化学键结合等, 在这种作用下, 沥青成单分子排列在纤维表面, 形成结合力牢固的沥青界面。界面层沥青比界面层以外的自由沥青粘结性强, 稳定性好。纵横交错的纤维所吸附的沥青, 增加了界面层沥青的比例, 减少了自由沥青, 从而提高沥青混合料的粘度和软化点, 使混合料的高温稳定性得到提高[2,3]。

收稿日期:2003-09-14.

基金项目:湖北省科技攻关计划(2003A A101C75).

作者简介:吴少鹏(1965-) , 教授, 博士生导师. E -mail :W usp 168@ho tmail . co m

表1　A H-70沥青性能指标

试验名称试验结果

25℃针入度/(0. 1mm )

5℃延度/cm 软化点/℃

167. 3

51. 5

密度/(g·cm

-3

)

651. 029

表2　德兰尼特A S 技术指标名　　称参　　数

纤　　度1. 9纤维直径/μ约14m 切取长度/mm6

-3

纤维密度/(g ·cm ) 1. 18

纤维数/g870000最大拉伸率/%8～12抗拉强度/MPa >910

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2　路用性能试验

试验所选用的纤维用量为0. 3%; 所选用的沥青混合料的级配为AC-16I 和AC-20I 型的级配中值。图1与图2给出的是上述2种级配的曲线图

。

图1　AC-16I 级配范围

图2　A C-20I 级配范围

2. 1　马歇尔试验

马歇尔试验的结果如表3所示。

表3　马歇尔试验结果

纤维含量/%AC -16I AC -20I

0. 300. 3

密度/(g ·cm -3)

2. 4722. 435

2. 4312. 424

稳定度/kN9. 3511. 9211. 5012. 87

空隙率/%

3. 23. 73. 84. 2

V M A /%14. 115. 214. 515. 5

沥青用量/%

4. 604. 754. 704. 90

　　从表3的试验结果可以看出, 在2种混合料中, 随着纤维用量的增加, 稳定度、空隙率、矿料间隙率以及沥青用量等参数是增加的, 只有密度是随着纤维用量的增加而减小。但是当纤维用量过高时, 纤维在沥青混合料中的分散性将受到限制, 会产生结团成束现象, 使其与沥青吸附的总比表面积不增加或增加不大, 故混合料的最佳沥青用量会随着纤维的加入而出现一个峰值。同理, 由于纤维分散性的下降, 稳定度也会随着纤维用量的增加而出现一个峰值, 由此可见, 纤维的加入并非越多越好, 应视其分散性而定。2. 2　高温稳定性试验

由于马歇尔稳定度试验与路面长期使用性能相关性不强, 对于控制车辙更是相距甚远, 不能全面评价混合料在高温下受频繁车轮荷载作用的变形特性, 因此采用车辙试验来评价聚合物纤维改性沥青混凝土的高温稳定性。其试验结果如表4所示。由表4中的数据可以知道, 随着纤维改性剂的加入, 2种沥青混合料的动稳定度均有大幅度提升, 这表明纤维的加入增强了混合料抵抗高温形变的能力, 主要原因就

[4]

表4　车辙试验结果纤维含量/%A C -16I A C -20I

0. 300. 3

动稳定度/(次·m m -1)

[**************]2

是在沥青混合料中, 纤维能够吸附及稳定沥青, 特别是沥青中较轻的油分被沥青吸附后, 表现为沥青的软化点提高, 粘稠度和粘聚力增大, 使沥青胶浆劲度增加, 提高了沥青混合料的动稳定度。另外, 纤维吸收沥青会产生溶胀, 导致纤维在混合料中无定向分布且互相搭接, 起到“链桥”作用, 使混合料具有较高强度与劲度, 极大地改善了混合料的抗车辙性能。2. 3　水敏感性试验

纤维稳定剂对沥青混合料的水稳定性有改善作用。试验结果如表5所示。分析表5的数据可知, 在使用了纤维改性后, 无论是混合料的残留稳定度还是劈裂强度比指标, 均有改善, 表明混合料在使用了纤维后水稳定性能得到提升。这主要是因为纤维可以吸附部分沥青, 从而增大沥青用量, 提高沥青饱和度, 并且使粘附,

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能力, 使混合料抗水损害能力增强。

3　结　论

a. 加入纤维后, 由于纤维的吸附, 沥青混凝土的沥青最佳用量会有所增加, 而密度会有所降低。

b. 纤维加入后, 沥青用量增加, 同时由于纤维在沥青混凝土中的纵横交错分布和加筋作用, 使沥青混凝土的路用性能改善, 聚合物纤维对沥青混凝土性能改善幅度较大。

c . 对试验结果进行分析表明, 纤维适用于改性密级配

表5　水敏感性试验结果

纤维含量　/%残留稳定度/%劈裂强度比/%AC-16I

00. 300. 3

78. 282. 580. 185. 4

80. 383. 481. 384. 7

AC-20I

沥青混凝土, 因为在此类级配矿料中, 纤维更能起到“桥接”和“加筋”作用。

参考文献

[1]　林贤福, 陈志春. 沥青的纤维增强改性及其改性剂的研究[J].公路, 1999(1):53～55. [2]　吕伟民. 沥青混合料设计原理与方法[M ].上海:同济大学出版社, 2001. [3]　沃丁柱. 复合材料大全[M ].北京:化学工业出版社, 2000. [4]　张登良. 沥青与沥青混合料[M ].北京:人民交通出版社, 1993.

Research on the Polymer Fiber Modified Asphalt Mixture

W U Shao -peng , X UE Yong -jie , Z H AN G Deng -feng

(K ey Labora to ry fo r Silica te M ate rials Science and Engineering M inistry of Educa tio n, W U T , W uha n 430070, China )

Abstract :　Fiber w as widely used in hig h-r anking a sphalt pav ement in our countr y a s additio nal ma terials of asphalt

concre te in recent year s. By using polyester fibe r a s modified material in aspha lt concre te, this paper mainly r esea rched the M a rsha ll Sta bility, moisture sta bility , hig h temper ature stability , the r esistance of lo w tempera ture cracking and fatig ue, and compar ed with the pav em ent pe rfo rmance o f the co mmon asphalt concre te . Accor ding to th e r esult f rom ana ly sis , this paper simply intr oduced the str eng th mecha nism of the fiber modified aspha lt co ncr ete.

Key words :　fiber ; 　asphalt mix ture ; 　modify ; 　pav eme nt per for mance