纖維微表處路用性能的影響因素

孫增智，薛 博，陳華鑫

(長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

微表處技術(shù)因具有良好的耐磨耗性能、抗滑性能、修復(fù)車轍功能和封層效果，被大量應(yīng)用到高速公路養(yǎng)護(hù)工程中[1-5]。然而，近些年的工程應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)，微表處易出現(xiàn)抗裂性、抗變形性能不足等問題[6-7]。特別是在中國西部高寒地區(qū)，氣候條件惡劣，冬天氣溫低，微表處路面易出現(xiàn)裂縫和碎裂等病害，這就要求微表處具有優(yōu)良的抗裂性、水穩(wěn)性和抗變形等路用性能。

纖維微表處具有優(yōu)良的抗裂性能，國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量研究，但其中關(guān)于聚丙烯纖維[8-11]微表處的研究較多，而對玄武巖纖維[12]的研究較少，且微表處采用的改性乳化瀝青也多是SBR改性乳化瀝青。故本文選用3種改性乳化瀝青和4種纖維制備微表處混合料，采用濕輪磨耗試驗評價混合料的耐磨耗性能和抗水損性能，采用輪轍變形試驗評價混合料的高溫抗變形性能，采用低溫彎曲試驗評價混合料的低溫抗裂性能，以期為高寒地區(qū)纖維微表處的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 礦料

選用石灰石破碎石料(粒徑分別為5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm)，經(jīng)檢測各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；礦料級配類型采用MS-3型，由5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm石料和礦粉根據(jù)固定比例(18∶29.5∶50.5∶2)配制成混合料，級配組成見表1，可知礦料的合成級配接近MS-3型級配中值，試驗中所有纖維微表處均采用該級配。

表1 礦料級配組成

1.2 改性乳化瀝青

選用4%SBR改性乳化瀝青、4%SBS改性乳化瀝青及SBR/SBS復(fù)合改性乳化瀝青(SBR、SBS摻量均為2%)，其中基質(zhì)瀝青為SK90#，乳化劑為陽離子慢裂快凝型瀝青乳化劑，改性乳化瀝青性能指標(biāo)如表2所示。

1.3 纖維

選用玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維及聚酯纖維，其性能指標(biāo)如表3所示。

1.4 填料

填料選用石灰石礦粉和P·O 42.5硅酸鹽水泥，其中水泥摻量為2%。

2 纖維微表處混合料的制備及性能檢測

2.1 微表處混合料的制備

先向0～3 mm礦料中加入規(guī)定量的礦粉、水泥、纖維，攪拌均勻，再與剩下兩檔礦料混合均勻待用；接著依次加入水與改性乳化瀝青，繼續(xù)攪拌至水和乳化瀝青分散均勻，混合料達(dá)到良好的流動狀態(tài)。微表處混合料最佳油石比為7.2%，外加水量為7%，水泥劑量為2%。

根據(jù)確定級配及最佳油石比，以3種乳化瀝青、4種纖維等原材料制備微表處試件，其中每種纖維摻量為分別0.1%、0.2%和0.3%，之后進(jìn)行濕輪磨耗、輪轍變形、低溫彎曲試驗，對纖維微表處混合料的耐磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍變形性能、低溫抗裂性能進(jìn)行研究。

表3 纖維的性能指標(biāo)

微表處混合料的濕輪磨耗試驗、輪轍變形試驗均參考《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》執(zhí)行。低溫小梁彎曲試驗方法如下：制備瀝青混合料車轍板，拌制微表處混合料并攤鋪到車轍板上，成型雙層復(fù)合試件，其中微表處結(jié)構(gòu)層厚度為10～13 mm；將成型的雙層復(fù)合試件置于60 ℃烘箱中保溫2 d后取出，冷卻至室溫待用；根據(jù)規(guī)范要求，將試件切割成250 mm×30 mm×35 mm的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)小梁，其中微表處結(jié)構(gòu)層表面先進(jìn)行磨平，然后切割瀝青混合料使試件達(dá)到規(guī)定高度；試驗前將試件放在-10 ℃恒溫環(huán)境箱中保溫2 h以上，然后置于MTS試驗機(jī)上，其中微表處結(jié)構(gòu)層位于底部，以50 mm·min-1的速率進(jìn)行低溫彎曲試驗，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變。

圖1 微表處1 h濕輪磨耗試驗結(jié)果

2.2 抗磨耗性能

圖1為纖維微表處的1 h濕輪磨耗試驗結(jié)果。從圖1(a)中可以看出，摻入0.1%纖維后，相比于不添加纖維的微表處，纖維微表處的磨耗值減小，抗磨耗性能提高；隨著纖維摻量的增加，磨耗值也相應(yīng)增大；但《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》建議1 h的濕輪磨耗值不大于540 g·m-2，圖1(a)中摻加0.3%纖維的磨耗值已不符合規(guī)定。圖1(b)、(c)中，摻加纖維后磨耗值的變化與圖1(a)基本相同，不同的是：圖1(b)中纖維摻量為0.2%時，聚酯纖維和玻璃纖維的磨耗值已經(jīng)超過技術(shù)指南中的規(guī)定值；圖1(c)中纖維摻量在0.3%時，除聚丙烯纖維的磨耗值剛達(dá)到限定值外，其余均已超過規(guī)定值。

纖維微表處的濕輪磨耗值隨著纖維用量的增加呈先減小后增大的變化趨勢。這是因為，在微表處中加入纖維后增加了混合料的總比表面積，纖維用量較小時，能吸附多余自由瀝青，集料間黏聚力增加，耐磨耗性能增加；但隨著纖維用量繼續(xù)增加，一方面纖維分散性能下降，另一方面過量的纖維需要更多自由瀝青包裹，導(dǎo)致集料間的黏結(jié)力下降，磨耗值增加。

對比圖1(a)、(b)、(c)可以發(fā)現(xiàn)，2%SBS+2%SBR復(fù)合改性乳化瀝青的濕輪磨耗值最小，抗磨耗性能最優(yōu)，4%SBS改性乳化瀝青次之，4%SBR改性乳化瀝青較差。相比于單一改性劑，SBS/SBR復(fù)合改性乳化瀝青提高了瀝青與礦料間的黏附性。另外，聚丙烯纖維和玄武巖纖維對提高微表處抗磨耗性能效果最好，聚酯纖維提高效果次之，玻璃纖維表現(xiàn)最差。

2.3 抗水損性能

圖2為纖維微表處6 d的濕輪磨耗試驗結(jié)果。從圖2(a)中可以看出，纖維摻量在0.1%時，微表處的6 d濕輪磨耗值小于不添加纖維的微表處；纖維摻量增加到0.2%時，除玄武巖纖維外，其他纖維微表處的磨耗值已超過不添加纖維的微表處；摻加0.3%纖維時，微表處的濕輪磨耗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不加纖維的微表處。規(guī)范規(guī)定6 d的濕輪磨耗值不大于800 g·m-2，圖2(a)中摻加0.3%聚酯纖維和玻璃纖維的磨耗值不符合規(guī)定值；圖2(b)、(c)中6 d濕輪磨耗值隨纖維摻量的變化與圖2(a)一致，但圖2(b)中摻加0.3%纖維的6 d濕輪磨耗值均超過規(guī)定限值。增加纖維摻量，抗水損性能變化的原因與耐磨耗性能相同。

圖2 微表處6 d濕輪磨耗試驗結(jié)果

對比圖2中相同種類和相同摻量纖維的微表處磨耗值可以發(fā)現(xiàn)，2%SBS+2%SBR復(fù)合改性乳化瀝青的6 d濕輪磨耗值最小，抗水損性能最好，4%SBS改性乳化瀝青次之，4%SBR改性乳化瀝青較差。4種纖維提高水損性能的作用從大到小排序為：玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維、玻璃纖維。

2.4 抗輪轍變形性能

圖3為纖維微表處的輪轍寬度變形試驗結(jié)果，從圖3可以看出以下幾點。

圖3 微表處的輪轍寬度變形試驗結(jié)果

(1)摻加纖維后，微表處寬度變化率減?。浑S著纖維摻量增大，寬度變化率呈先減小后增大趨勢，在纖維摻量為0.2%時，寬度變化率最小，即纖維微表處的抗輪轍變形性能存在最佳纖維摻量。這是由于，隨著纖維用量增大，自由瀝青被纖維吸附完全，集料表面的瀝青膜厚度達(dá)到最佳，使混合料抗車轍變形性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，當(dāng)纖維用量繼續(xù)增大，將造成瀝青用量不能完全包裹集料，集料表面瀝青膜厚度不足，導(dǎo)致混合料抗車轍變形性能降低。

(2)改性乳化瀝青不同，微表處輪轍寬度變形率也不同，4%SBS改性乳化瀝青制備的微表處變形最小，2%SBS+2%SBR改性乳化瀝青次之，4%SBR改性乳化瀝青變形最大，所制備微表處混合料輪轍變形均低于規(guī)范值。這是由于，SBS改性瀝青高溫性能較好，因此抵抗輪轍變形能力較好；而SBR改性瀝青高溫性能不足，表現(xiàn)較差；SBS/SBR復(fù)合改性瀝青高溫性能介于兩者之間。

(3)4種纖維提高抗輪轍變形性能的作用從大到小排序為：玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚酯纖維。其原因是玻璃纖維的吸油率較小，相同摻量情況下使微表處混合料中存在過多的自由瀝青，使瀝青與集料黏聚力降低，抗輪轍變形性能下降；聚酯纖維由于其分散性差，不易分散在混合料中，在集料間不能起到有效的約束作用。

2.5 低溫抗裂性能

圖4、5為纖維微表處低溫彎曲試驗結(jié)果，從圖中可以看出以下幾點。

圖4 微表處最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果

圖5 微表處抗彎強(qiáng)度試驗結(jié)果

(1)摻加纖維后微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度得到提高，且隨纖維摻量的增加而增大，微表處低溫抗裂性能得到改善。這是由于，纖維在混合料中形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對混合料內(nèi)部缺陷或裂紋的擴(kuò)展起到約束作用，從而使混合料抗變形能力增強(qiáng)，提高了韌性，改善混合料的低溫性能。

(2)對于相同纖維種類和摻量的微表處，4%SBR改性乳化瀝青的最大彎拉應(yīng)變最大，2%SBS+2%SBR改性乳化瀝青次之，4%SBS改性乳化瀝青最?。欢?%SBS改性乳化瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度最大，4%SBR最小，2%SBS+2%SBR居中。混合料的抗彎拉強(qiáng)度反映其承受拉力的能力，抗彎拉強(qiáng)度越大越不容易斷裂；最大彎拉應(yīng)變反映混合料在承受最大拉應(yīng)力時的抗變形能力，最大彎拉應(yīng)變越大越不容易斷裂。SBS/SBR改性乳化瀝青綜合了SBR改性乳化瀝青高彎拉應(yīng)變和SBS改性乳化瀝青高彎拉強(qiáng)度的優(yōu)勢。

(3)纖維種類不同，微表處的最大彎拉應(yīng)變和彎拉強(qiáng)度也不同。4種纖維提高微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度的效果由大到小排序為：聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、玻璃纖維。聚酯纖維分散性差，未能在混合料中起到有效加筋增韌作用，而玻璃纖維吸油率小，與瀝青相容性差，影響混合料低溫抗裂性能。

4 結(jié) 語

(1)摻入纖維可提高微表處的抗磨耗性能和抗水損性能，纖維摻量控制在0.1%效果最佳。玄武巖纖維和聚丙烯纖維提高抗磨耗性能和抗水損性能效果最好，聚酯纖維和玻璃纖維效果較差。2%SBS+2%SBR復(fù)合改性乳化瀝青的微表處抗磨耗性能和抗水損性能最好。

(2)摻入纖維能夠提高微表處抗輪轍變形性能，摻量在0.2%時性能最好。纖維改善微表處抗輪轍變形的效果由好到差排序為：玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚酯纖維。4%SBS改性乳化瀝青制備的微表處變形最小，其次是2%SBS+2%SBR改性乳化瀝青，4%SBR改性乳化瀝青最差。

(3)摻加纖維增加了微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度，改善其低溫抗裂性能，摻量越大性能越好。纖維增加微表處混合料的最大彎拉應(yīng)變、彎拉強(qiáng)度效果由好到差排序為：聚丙烯纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維、玻璃纖維。2%SBS+2%SBR改性乳化瀝青制備的微表處具備了SBR改性乳化瀝青的高彎拉應(yīng)變和SBS改性乳化瀝青的高彎拉強(qiáng)度性能。

(4)綜合各項指標(biāo)的試驗結(jié)果，采用2%SBS+2%SBR改性乳化瀝青，控制聚丙烯纖維或玄武巖纖維摻量在0.2%，可以得到綜合路用性能良好的纖維微表處混合料。