聚酯纤维性能对沥青混合料性能的影响 刘丽君 焦红娟 史小兴 （北京中纺纤建科技有限公司 北京 100025） 摘 要：本文通过聚酯纤维沥青混合料马歇尔试验、高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性等试验，系统的研究了三种不同强度的纤维对沥青混凝土路用性能影响，并分析了纤维的作用机理，为聚酯纤维在沥青混合料中的应用提供参考。
1概述
公路交通的现代化和网络化已成为一个国家和地区谋求发展的基础和发达程度的标志。但是，随着路面行车密度和车载荷的增加，裂缝成了路面病害的主要类型之一，其大大降低了路面的服务水平和使用寿命。沥青路面用聚酯纤维作为一种改善沥青路面性能和延长路面寿命的新材料，由于其良好的吸油作用及对路面起到明显的加筋和桥接作用，极大地提高了路面的柔韧性，提高了沥青路面的高温抗车辙能力、低温抗裂性以及抗水害等性能，从而使路面的使用寿命大大延长。目前采用纤维沥青混凝土来提高路面的抗裂能力越来越受到重视。在应用过程中掺加聚酯纤维的沥青混合料不需改变原有的施工工艺，操作简单方便，具有很好的发展和应用前景。实践证明，使用纤维增强的混凝土路面不仅早期强度高，易于快速修复，更重要的是其使用寿命大幅度延长。 目前关于聚酯纤维对沥青混合料各项性能的改善研究颇多，然而纤维本身的强度对沥青混合料的性能影响却很少涉及。本文通过研究不同强度的聚酯纤维对沥青混合料的作用效果，系统的分析了纤维的作用机理。
2原材料 本试验所用沥青为太平洋AH-90，粗集料采用破碎花岗岩碎石，细集料采用天然砂，矿粉为磨细的石灰石。 本试验用纤维为凯泰（CTA）聚酯纤维，选用高强和中强两种聚酯纤维类型做对比试验，经检验测定各项技术指标均符合《沥青路面用聚合物纤维》（JT/T534-2004）所规定的要求。如表1。 表1 聚酯纤维性能指标检测结果
试验项目 高强 中强 规范要求 直径,μm 23.4 20.67 10~25 长度,mm 6 6 6±1.5 抗拉强度,MPa 1053 569 ≥500 断裂伸长率,% 19.1 41.3 ≥15 耐热性,210℃,2h 体积无变化 体积无变化 体积无变化
3马歇尔试验及其结果 3.1沥青混合料配合比的确定 本试验采用AC-16I设计级配。 表2 AC-16I设计级配通过百分率表 粒径（mm） 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 级配上限 100 100 92 80 62 48 36 26 18 14 8 级配下限 100 90 76 60 34 20 13 9 7 5 4 级配中值 100 95.0 84 70 48 34 24.5 17.5 12.5 9.5 6 设计级配 99.5 95.1 87.6 69.7 50.6 34.9 26.8 21.1 13.8 10.9 7.8
AC-16K矿料级配设计图
020406080100
0.0000.1500.6002.3609.50016.00
0
筛孔尺寸（mm）
通过率（%）下限上限中值合成级配
图1 AC-16I级配图 3.2马歇尔试验 纤维沥青混合料试件成型方法采用马歇尔击实法，双面击实75次，纤维用量为0.3%。采用马歇尔法确定最佳沥青用量4.5%，测试仪器为自动马歇尔仪。 按规程规定，对纤维沥青混合料可取180 ℃，故在试验中沥青拌和温度按160℃，矿料的预热温度为180℃。 根据已确定的矿料级配和最佳沥青用量，按马歇尔法确定的视密度，用轮碾法成型300mm×300mm×60mm和300mm×300mm×50mm的板，成型时对加有纤维的混合料装模后立即碾压，温度在150℃ ~160℃，一般碾压次数为往返12次，碾压至混合料与试模平齐，且保证密实度达到马歇尔标准击实密度的100士1%，其中300mm×300mm ×50mm试件用于车辙试验，300mm ×300mm ×60mm的试件用于切割棱柱体试件以备弯曲与蠕变等试验。 3.3马歇尔试验结果 表3 马歇尔试验结果
纤维类型 沥青用量(%) 纤维用量(%) 密度(g/cm3) 稳定度(KN) 流值(mm) 0# 4.5 0 2.381 7.51 20.95 1# 4.5 0.3 2.375 8.44 25.63 2# 4.5 0.3 2.366 8.68 29.3 3# 4.5 0.3 2.371 8.75 40.97 注：本试验中0#为未掺纤维试样，1#为中强纤维试样，2#为高强与中强纤维各50%试样，3#为高强纤维试样。
马歇尔稳定度一定程度上可以反映沥青混合料的高温性能，从试验结果可以看出，加入纤维后，沥青混合料的稳定度明显提高，亦即掺加纤维对于沥青混合料的高温稳定性有明显改善。从试验结果可看出，纤维对沥青混合料稳定度的提高程度为3#>2#>1#，说明随着纤维强度的提高，对沥青混合料的改善效果更加明显。 流值同沥青用量关系密切，且侧面反映了试件的抗变形能力，试验结果表明纤维的加入可以有效的增强沥青混合料的抗变形能力。且随着纤维强度的提高，沥青混合料的流值增大，抗变形能力提高。 4 纤维沥青混合料的路用性能及结果 纤维沥青混合料马歇尔试验仅能反映其部分力学与温度特性，故还有必要进行高温稳定性，低温抗裂性及水稳定性等路用性能试验反映其抗变形能力和抗疲劳能力。 4.1高温稳定性 本试验以室内车辙试验测试的动稳定度和变形速率来表征沥青混合料的高温性能。其结果如图2、图3：
沥青混合料动稳定度
508759887900
02004006008001000
0#1#2#3#纤维类型
稳定度(次/mm)
图2 沥青混合料动稳定度 沥青混合料变形速率0.0830.0550.0480.04700.020.040.06
0.08
0.1
0#1#2#3#纤维类型
变形速率(mm/min)
图3 沥青混合料变形速率 由图2可以看出，纤维加入后，动稳定度得到了提高，这表明纤维加入可以有效的改善沥青混合料的高温稳定性。但不同纤维的改善效果不同，从图2可知，随着纤维强度的提高，纤维的作用效果越好。 由从图3可知，沥青混合料的变形速率同动稳定度的变化一致，纤维的加入明显降低了沥青混合料的变形速率，有效的阻碍了高温变形的增加，并且纤维强度越高变形速率越小。 4.2低温抗裂性 本试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000)中T0716—1993沥青混合料劈裂试验进行，试验温度采用0℃，加载速率为50mm/min,通过测定压力峰值和对应的变形，计算劈裂强度RT，以评价沥青混合料的低温抗裂性能。
RT=0.006287hPT/ ……（1） 沥青混合料劈裂强度3.563.5
3.62
3.71
3.33.43.53.63.7
3.8
0#1#2#3#纤维类型
劈裂强度(MPa)
图4 沥青混合料劈裂强度 通过劈裂强度RT比较，掺加聚酯纤维的2# 、3#试件的劈裂强度较0＃未掺加纤维的沥青混合料有所提高，并且高强纤维的提高程度较大，这是由于高强纤维对混合料的加筋和桥接作用更明显。而1＃试件的劈裂强度反倒降低；从破坏后的试件内部来看， 2＃、3＃试件中纤维均匀分布于混合料中，1#试块中部分纤维分布不均，发生团聚现象，团聚的纤维减少了与矿料吸附的面积，影响了纤维的加筋效果，并且人为地增加了混合料内部的缺陷，最终导致强度的降低。 因此在保证纤维均匀分散的条件下，纤维的加入，可以充分发挥桥接与加筋作用，对于裂缝的产生和发展有很好的阻碍作用，并且随着纤维强度的增加，对沥青混合料劈裂强度提高也越大。 4.3水稳定性
按规程规定，一组马歇尔试件在60℃热水中恒温30min~40min后测定其稳定度值MS2，另一组在60℃水中恒温48h后测定稳定度值MS1，用二者的比值来评价混合料的水稳定性，得到浸水残留稳定度，有下面公式：
0MS=21MSMS …… (2)
0MS—试件的残留稳定度，%；
1MS—试件浸水48h后的稳定度，KN；
2MS—试件浸水30min后的稳定度，KN。
0MS值越大，水稳定性越好。
表4 浸水残留稳定度试验结果
纤维类型 沥青用量(%) 纤维用量(%) 稳定度(KN) 浸水稳定度(KN) 残留稳定度（%） 0# 4.5 0.3 7.51 5.81 77 1# 4.5 0.3 8.44 6.98 83 2# 4.5 0.3 8.68 8.42 97 3# 4.5 0.3 8.75 7.41 85