聚酯纖維對(duì)高黏改性瀝青影響的研究

劉臥龍　周雪勤

摘要 針對(duì)目前城市道路建設(shè)出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，國(guó)家提出建設(shè)具有我國(guó)特色的海綿城市，而其中關(guān)鍵點(diǎn)就是透水路面的研究與推廣使用。文章通過(guò)在SBS改性瀝青中添加聚酯纖維，研究聚酯纖維的摻入對(duì)SBS復(fù)合改性瀝青性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：控制SBS摻量為4%時(shí)，摻加聚酯纖維可有效提高復(fù)合改性瀝青的抗裂性能、抗疲勞性能和黏結(jié)性能。當(dāng)聚酯纖維摻量為2.0%時(shí)，對(duì)抗裂性能和黏結(jié)性能提高最佳;聚酯纖維摻量為2.5%時(shí)，對(duì)抗疲勞性能提高最佳。

關(guān)鍵詞 聚酯纖維;高黏改性瀝青;多孔瀝青路面

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0067-03

引言

多孔瀝青路面雨天路表無(wú)積水，可實(shí)現(xiàn)輪胎與路表無(wú)水膜產(chǎn)生，保障路面雨天的抗滑能力，縮短剎車距離，提高行車安全性和舒適性。但其較大的孔隙導(dǎo)致混合料出現(xiàn)黏結(jié)強(qiáng)度和耐久性下降等問(wèn)題。采用高黏度的改性瀝青在一定程度上可提高多孔瀝青混合料內(nèi)部的黏結(jié)力，保證路面具有較好的透水功能和路用性能。目前應(yīng)用較廣泛的高黏改性劑為SBS改性劑，由其制備的復(fù)合改性瀝青可極大地改善多孔瀝青混合料的耐久性及抗疲勞等性能[1，2]。為進(jìn)一步改善高黏改性瀝青的抗裂性能和抗疲勞性能，該文通過(guò)將聚酯纖維與SBS復(fù)合改性探究對(duì)高黏改性瀝青的抗裂性、抗疲勞性能和與集料的黏結(jié)性能的效果，從而為多孔瀝青路面在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，城市地表逐漸被不透水的鋼筋混凝土類建筑和路面鋪裝所覆蓋。同時(shí)，目前的城市建設(shè)中，有關(guān)城市道路、人行道、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)及公園道路的鋪裝時(shí)，都會(huì)著重要求路面的強(qiáng)度和耐久性等基本性能和審美觀感的藝術(shù)體現(xiàn)，因此水泥混凝土類和瀝青混合料類材料成為目前應(yīng)用最廣、路用性能最佳的鋪裝材料。此類路面便于施工，成本低廉，強(qiáng)度及耐久性好，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮會(huì)對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的不可逆影響，嚴(yán)重制約城市的建設(shè)和發(fā)展，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在不透氣的鋪裝結(jié)構(gòu)會(huì)減少雨水的下滲，大部分雨水只能借助城市的排水系統(tǒng)排出，導(dǎo)致城市的地下水不能良性地循環(huán)補(bǔ)充。同時(shí)致密的城市路表還會(huì)在暴雨天因排水不暢導(dǎo)致路面積水，車輛行駛時(shí)更易形成水漂、水霧，降低輪胎與路面的附著力，導(dǎo)致車輛打滑，增大剎車距離，造成交通安全隱患，危急行車安全;在暴雨天時(shí)，城市地表徑流量會(huì)急劇增高，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)峰值，增加城市排水系統(tǒng)的疏水壓力，甚至出現(xiàn)城市內(nèi)澇[3，4]。同時(shí)，由于路表的致密結(jié)構(gòu)，車輛在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲污染，干擾道路周邊居民的正常生活。

國(guó)外對(duì)多孔瀝青路面的研究相對(duì)較早，美國(guó)和西歐國(guó)家早在二十世紀(jì)六七十年代就著手探究透水路面的基本原理、材料組成和結(jié)構(gòu)組合，在此基礎(chǔ)上對(duì)透水路面進(jìn)行推廣應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展在各方面研究體系已經(jīng)逐漸趨于完善。目前的研究均是以多孔瀝青路面為基礎(chǔ)展開(kāi)的，并且對(duì)多孔瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式展開(kāi)系統(tǒng)性研究[5，6]。

多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)方面主要表現(xiàn)在滿足目標(biāo)空隙率和實(shí)現(xiàn)石-石嵌擠的混合料特征，這二者是實(shí)現(xiàn)多孔瀝青混合料良好功能性和結(jié)構(gòu)性的根本要求。采用干緊堆法進(jìn)行多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，后期對(duì)干緊堆法進(jìn)行改進(jìn)，采用濕緊堆法開(kāi)展多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)研究人員結(jié)合貝雷法在密級(jí)配瀝青混合料的應(yīng)用研究，采用“預(yù)留空隙率”的級(jí)配設(shè)計(jì)思路，將貝雷法推廣到多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上引入粗骨料填充法進(jìn)行多孔瀝青混合料的級(jí)配組成設(shè)計(jì)。多孔瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)粗、細(xì)集料在混合料中發(fā)揮的作用不同而分別設(shè)計(jì)，基于離散元理論和試驗(yàn)探究相結(jié)合，并以4.75 mm篩孔通過(guò)率作為粗集料級(jí)配的控制要點(diǎn)來(lái)展開(kāi)多孔瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)理論。還有一些國(guó)內(nèi)研究人員采用體積法對(duì)2.36 mm和4.75 mm兩種篩孔集料質(zhì)量通過(guò)百分率對(duì)多孔瀝青混合料空隙率的影響進(jìn)行分析，并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，2.36 mm和4.75 mm兩種篩孔集料質(zhì)量通過(guò)百分率的最佳參考范圍。

瀝青膠結(jié)料的材料性能是多孔瀝青路面設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)階段普遍采用高黏改性瀝青作為多孔瀝青路面的膠結(jié)料來(lái)提高瀝青混合料的強(qiáng)度和耐久性。研究發(fā)現(xiàn)摻量為4%的聚酯纖維與TPS復(fù)合改性的高黏瀝青具備較好的增黏、吸附穩(wěn)定以及加筋作用，可以改善瀝青混合料的抗裂性能。采用國(guó)內(nèi)研發(fā)的高黏改性劑SINO TPS對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，研究發(fā)現(xiàn)可提高瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和耐久性。借助自主研發(fā)的高黏改性劑ESBS可改善瀝青混合料的抗飛散、高溫抗車轍和低溫抗裂能力。采用SBS、黏結(jié)性樹(shù)脂、增塑劑和穩(wěn)定劑復(fù)合制備高黏改性瀝青，原料在最佳摻量下制備的瀝青材料具有較好的黏結(jié)性和耐久性。將摻量為4%的SBS和20%的膠粉作為改性劑制備高黏復(fù)合改性橡膠瀝青，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具備的良好的路用性能和滲水性能[7]。

2 改性瀝青的制備

相比普通瀝青而言，高黏改性瀝青的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在60 ℃的動(dòng)力黏度大于20 000 Pa·s，軟化點(diǎn)都在80 ℃以上且黏韌性和韌性都較高。高黏改性瀝青可以解決普通瀝青用于透水瀝青路面的強(qiáng)度和耐久性不足問(wèn)題，以及服役中出現(xiàn)壓密導(dǎo)致空隙率減小和混合料松散等問(wèn)題[8]?！锻杆疄r青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 190—2012）中對(duì)高黏改性瀝青提出詳細(xì)的技術(shù)要求，詳見(jiàn)表1。

熱塑性彈性體類SBS改性劑制備的改性瀝青可以提高多孔瀝青混合料的強(qiáng)度和耐久性等路用性能。聚酯纖維具有韌性好、不易斷裂，耐高溫等特點(diǎn)，可提高混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能。該文以SK-90#重交通道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青，將聚酯纖維和SBS改性劑按照適當(dāng)摻入量進(jìn)行復(fù)合制備高黏改性瀝青。在控制溫度為170～180 ℃條件下采用攪拌、剪切、溶脹3個(gè)階段將聚酯纖維和SBS改性劑加入基質(zhì)瀝青中進(jìn)行有效復(fù)合來(lái)制備研究所需的高黏改性瀝青[9]。2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260

為探究聚酯纖維摻量對(duì)SBS改性瀝青性能的影響，將SBS改性劑控制為基質(zhì)瀝青的4%，聚酯纖維的摻量控制為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)研究。

3 改性瀝青的性能測(cè)試

3.1 抗疲勞性能

SHRP中提出疲勞因子G*sin δ可作為探究瀝青抗疲勞性能的指標(biāo)，其數(shù)值越大，說(shuō)明瀝青中黏性成分含量越高，瀝青路面越易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。探究25 ℃下不同聚酯纖維摻量對(duì)SBS改性劑復(fù)合改性瀝青抗疲勞性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

25 ℃疲勞因子

由圖1可知，相比未摻加聚酯纖維的SBS復(fù)合改性瀝青，摻加聚酯纖維的復(fù)合高黏改性瀝青的抗疲勞性能均得到提高。隨著聚酯纖維摻量的增加，疲勞因子G*sin δ均呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)聚酯纖維摻量為2.5%時(shí)左右時(shí)達(dá)到最小值，表明此時(shí)復(fù)合高黏改性瀝青的抗疲勞性能達(dá)到最佳效果。

3.2 抗開(kāi)裂性能

采用抗拉強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)探究不同聚酯纖維摻量對(duì)SBS改性劑復(fù)合改性瀝青抗開(kāi)裂能的影響。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，相比未摻加聚酯纖維的SBS改性瀝青，摻加聚酯纖維的高黏改性瀝青抗拉強(qiáng)度得到明顯提高，且隨著聚酯纖維摻量的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)聚酯纖維摻量為2%時(shí)達(dá)到最大值，主要是加入的聚酯纖維分布在改性瀝青中形成細(xì)小的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能提高瀝青的黏聚性，并增加多孔瀝青路面的整體性和剛度。當(dāng)聚酯纖維的摻量超過(guò)2%之后，由于聚酯纖維產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，形成薄弱部分，從而降低其抗拉強(qiáng)度。

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 黏結(jié)性能

借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉拔試驗(yàn)進(jìn)一步研究瀝青被聚酯纖維和SBS改性劑復(fù)合改性之后與集料的黏結(jié)性能效果，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，相比未摻加聚酯纖維的SBS改性瀝青，摻加聚酯纖維的高黏改性瀝青與集料的黏結(jié)性能均得到明顯提高，且隨著聚酯纖維摻量的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)聚酯纖維摻量為2%時(shí)達(dá)到最大值，主要是由于加入的聚酯纖維在改性瀝青中形成均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，極大地提高瀝青的黏聚性及與集料的黏結(jié)力，拉拔黏結(jié)力的提升，間接反映出能夠提高多孔瀝青路面的抗松散性能，并增加路面結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和耐久性。當(dāng)聚酯纖維的摻量超過(guò)2%之后，此時(shí)多余的聚酯纖維發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在瀝青內(nèi)部形成薄弱結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青與集料的黏結(jié)性能下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）控制SBS改性劑摻量4%，隨著聚酯纖維摻量增加，制備的高黏改性瀝青疲勞因子G*sin δ均減小，呈先減小后增大的趨勢(shì)，在摻量為2.0%時(shí)達(dá)到最小值，抗疲勞性能最大。

（2）控制SBS改性劑摻量4%，隨著聚酯纖維摻量增加，制備的高黏改性瀝青抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量為2.0%時(shí)抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率均達(dá)到最大值，抗裂性能最佳。

（3）控制SBS改性劑摻量4%，隨著聚酯纖維摻量增加，制備的高黏改性瀝青與集料的黏結(jié)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量為2.0%時(shí)的黏結(jié)力均達(dá)到最大值，瀝青與集料的黏結(jié)性能最好。

（4）聚酯纖維和SBS改性劑制備的高黏改性瀝青具有較好的抗疲勞性能、抗裂性能和與集料的黏結(jié)性能，可為多孔瀝青路面在海綿城市的進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供技術(shù)支撐。

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收稿日期：2022-03-09

作者簡(jiǎn)介：劉臥龍（1990—），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：海綿城市透水瀝青路面材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260