研究论文~sbs改性沥青加路用聚酯纤维的意义东南交通学院

1聚 酯 纤 维 对 SBS 改 性 沥 青 混 合 料 的 贡 献一、 概述本 实 验 目 的 为 了 评 定 美 国 路 用 聚 酯 纤 维 对 SBS 改 性 沥 青 的 作 用 ， 评 价 在 水 泥 混 凝 土 面 层 上 加铺 纤 维 加 强 的 沥 青 混 凝 土 以 提 高 铺 装 强 度 和 耐 久 性 的 意 义 。1试验内容(1) 马歇尔试验 (2) 车辙试验 (3) 线收缩系数试验 (4) 残留稳定度试验 (5) 冻融劈裂试验 (6) 劈裂试验(-10,15) (7) 小梁弯曲荷载变形曲线试验(-10,15) (8) 劈裂疲劳试验(15)。2沥青：壳牌（Shell）公司生产的 Caribit SBS 改性沥青。集料：句容产玄武岩。2.1 沥青性能试验结果注 :粘 度 试 验 采 用 Brookfield 试 验 仪 进 行 ,转 子 采 用 S29,转 速 2.5 转 /分 钟 。2.2 集 料 :A. 本 试 验 研 究 采 用 的 集 料 为 句 容 产 玄 武 岩 ,具 体 物 理 力 学 指 标 列 于 下 表 :技术指标 试验结果 技术要求针入度 （25，100g,5s） (0.1mm) 64 55软化点 （环球法） （） 55.9 55闪点 （COC） （） 315 230脆点 （Fraass） () -20 -13溶解度 （三氯乙烯） （%） 99.90 99相对密度 （25） （g/cm ） 1.0298 实测记录密度（15） （g/cm ） 1.0339 实测记录热老化后质量损失 （%） 0.02 0.5热老化后针入度比 （%） 85.2 70热老化后延度（10） （cm） 85 50存储稳定性（180，72h） () 2 上下部沥青软化点差5动力粘度（135） （Pas） 0.9 1.22B. 各 种 矿 料 的 视 比 重 (g/cm):C. 矿料的级配:本试验研究中采用的级配为 AC-16I ,具体数值几下表:3. 纤 维 的 物 化 性 能 指 标 :纤 维 选 用 美 国 产 路 用 聚 酯 纤 维 （ 以 下 简 称 纤 维 ） ， 长 度 :1/4 英 寸 （ 约 6mm） 直 径 :0.008 英 寸(约 0.02mm) 熔 点 :4 95 (256 ) 燃 点 :1000 (540 )抗 拉 强 度 :517MPa26MPa 断 裂 延 伸 率 :40% 比 重 :1.360.04颜 色 :自 然 色 (白 色 ) 卷 曲 性 :无该 纤 维 是 热 拌 混 合 料 专 用 的 路 用 产 品 ， 在 250 温 度 下 绝 对 不 会 失 去 强 度 。4. 工 艺 及 试 样 的 制 备 :由 于 本 试 验 研 究 采 用 的 沥 青 为 Shell Caribit SBS 改 性 沥 青 ,因 此 ,矿 料 混 合 料 在 温 度 为 180 情 况下 至 少 2 小 时 ,倒 入 搅 拌 锅 内 ,并 将 准 确 称 重 的 纤 维 加 入 搅 拌 锅 内 ,干 拌 30s-60s,以 保 证 纤 维 均 匀 的 分 布于 矿 料 之 中 ,再 加 入 沥 青 湿 拌 30s-60s,并 保 证 沥 青 混 合 料 均 匀 一 致 ,不 得 有 结 团 现 象 。试 验 依 据 公 路 工 程 沥 青 及 沥 青 混 合 料 试 验 规 程 （ JTJ052-2000） 进 行 。 依 据 研 究 的 内 容 ， 成 型如 下 试 件 ： 马 歇 尔 试 件 （ 双 面 各 击 75 次 ） 和 车 辙 试 件 。 分 别 进 行 马 歇 尔 试 验 、 劈 裂 试 验 、 车 辙 试 验 、小 梁 弯 曲 试 验 、 冻 融 劈 裂 试 验 （ 双 面 各 击 50 次 ） 、 残 留 稳 定 度 试 验 、 线 收 缩 试 验 、 劈 裂 疲 劳 试 验 （ 由于 小 梁 弯 曲 试 验 破 坏 荷 载 较 小 ， 难 以 进 行 弯 曲 疲 劳 试 验 ， 所 以 做 劈 裂 疲 劳 试 验 ） 等 。 劈 裂 试 件 采 用 马 歇尔 试 件 （ 101.6mm,h=63.5mm） ,弯 曲 试 件 采 用 车 辙 试 件 切 割 成 30mm35mm250mm 的 试 件 。技 术 指 标 试 验 结 果洛杉矶磨耗（500 转） （%） 11.5压碎值 （%） 9.8吸水率 （%） 0.8粘结力 （等级） 4 级抗压强度 （MPa） 151玄 武 岩 石 灰 岩1#小碎2#（瓜子片）3#（朱砂）4#石屑 矿粉2.964 2.973 2.958 2.880 2.743通过下列筛孔（方孔筛，mm）质量百分率（ %）级配类型 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075AC-16I 100 93100 7686 6173 4454 3141 2030 1632 1117 712 483纤 维 掺 量 为 每 吨 混 合 料 掺 入 2kg,即 0.2%。二 、 马 歇 尔 试 验 结 果 ：1 试 验 简 介 ：根 据 玄 武 岩 集 料 1#、 2#、 3#、 4#及 矿 粉 的 筛 分 结 果 经 计 算 可 以 得 到 符 合 AC-16I 级 配 范 围 要 求 的各 种 矿 料 的 百 分 比 如 下 ： 1#为 28%、 2#为 24%、 3#为 22%、 4#为 20%， 矿 粉 为 6%， 合 成 级 配 满 足 规 定 的要 求 。 按 照 五 种 不 同 油 石 比 分 别 成 型 加 纤 维 和 不 加 纤 维 的 马 歇 尔 试 件 ， 在 测 试 其 物 理 指 标 后 ， 进 行 马 歇尔 稳 定 度 及 流 值 试 验 （ 60 ， 30 40min） 。 试 验 机 为 英 国 公 司 生 产 的 全 自 动 马 歇 尔 试 验 装 置 ， 自 动 进行 数 据 采 集 并 显 示 同 时 还 可 以 通 过 X-Y 记 录 仪 绘 出 稳 定 度 流 值 曲 线 。2. 马歇尔试验结果（1）SBS AC-16I 马歇尔试验结果：油石比（%）稳定度（KN）流值（0.1mm）空隙率（%）饱和度（%）密度（g/cm 3）4.0 13.1 25 6.79 58.4 2.5524.5 13.5 31 5.37 66.7 2.5715.0 13.2 35 4.15 74.2 2.5845.5 12.9 40 3.10 80.9 2.5926.0 12.5 45 2.53 84.9 2.587规范要求 7.5 2050 35 7085 综 合 各 项 ,项 确 定 其 最 佳 油 石 比 为 5.1%。（ 2） SBS 掺 纤 维 AC-16I 马 歇 尔 试 验 结 果 :油石比（%）稳定度（KN）流值(0.1mm)空隙率(%)饱和度(%)密度（ g/cm3）4.5 13.4 27 6.81 60.9 2.5325.0 13.9 34 5.34 68.9 2.5525.5 13.6 38 3.74 77.9 2.5756.0 13.4 43 3.20 81.5 2.5696.5 12.9 49 2.62 85.3 2.587规范要求 7.5 2050 35 7085 综 合 各 项 指 标 确 定 其 最 佳 油 石 比 为 5.4%.3. 马 歇 尔 试 验 结 果 各 项 指 标 与 油 石 比 关 系 曲 线 图 ：AC16I 型 沥 青 混 凝 土 马 歇 尔 试 验 附 图 14AC-16I 型 掺 加 纤 维 沥 青 混 凝 土 马 歇 尔 试 验 附 图 24 试 验 结 果 分 析 ：（ 1） 掺 加 美 国 路 用 聚 酯 纤 维 后 马 歇 尔 稳 定 度 有 所 增 加 ， 但 不 明 显 。 原 因 是 SBS 沥 青 对 沥 青 混 凝 土的 稳 定 度 就 会 有 所 提 高 。5（ 2） 掺 加 与 不 掺 加 纤 维 原 理 上 对 油 石 比 不 会 有 太 大 影 响 。 由 于 加 入 纤 维 后 在 击 实 过 程 中 会 有 反 弹 现象 （ 从 试 件 的 密 度 可 以 看 出 不 加 纤 维 的 密 度 比 加 纤 维 的 密 度 要 大 ） ， 为 满 足 相 同 的 空 隙 率 要 求 ，因 此 加 纤 维 的 沥 青 混 合 料 的 油 石 比 略 大 于 不 加 纤 维 的 沥 青 混 合 料 的 油 石 比 。 故 在 施 工 过 程 中 应增 加 碾 压 的 遍 数 。（ 3） 加 入 纤 维 后 沥 青 混 合 料 的 高 温 稳 定 性 有 所 提 高 。三 、 车 辙 试 验1. 试 验 简 介 ：本 试 验 采 用 国 产 车 辙 试 验 机 ， 数 据 自 动 采 集 ， 并 由 X-Y 记 录 仪 画 出 变 形 时 间 曲 线 。测 试 前 将 已 成 型 好 的 试 件 放 入 烘 箱 中 保 温 5h， 再 移 至 试 验 机 上 ， 始 终 保 持 60 的 恒 温 。 有 关 试验 条 件 及 试 验 参 数 如 下 ：（ 1） 试 验 荷 重 ： 700N， 轮 胎 对 车 辙 板 的 压 力 为 0.7MPa；（ 2） 试 验 温 度 ： 60 ， 并 保 持 试 件 表 里 如 一 ；（ 3） 碾 压 轮 行 走 速 度 ： 42 次 /min；（ 4） 动 稳 定 度 计 算 方 法 ：式 中 :DS动 稳 定 度 (次 /mm);d60试 验 时 间 为 60min 时 试 件 上 的 车 辙 深 度 (mm);d45试 验 时 间 为 45min 时 试 件 上 的 车 辙 深 度 (mm);C1试 验 机 类 型 修 正 系 数 (取 1.0);C2试 件 系 数 (取 1.0)2. 试 验 结 果 ：（ 1） SBS 改 性 沥 青 +纤 维 AC-16I 车 辙 试 验 结 果 ：沥青混合料类型 油石比（ %） 动稳定度（次/mm） 密度（g/cm 3）5.1 4428 2.5825.4 4515 2.570SBS+纤维AC-16I5.7 3529 2.565（ 2） SBS 改 性 沥 青 AC-16I 车 辙 试 验 结 果 ：3. 车 辙 试 验 过 程 中 车 辙 变 形 量 随 碾 压 时 间 增 长 图 ：沥青混合料类型 油石比（ %） 动稳定度（次 /mm） 密度（g/cm 3）4.8 3251 2.5795.1 3879 2.584SBSAC-16I5.4 3548 2.588214560CdDS6（ 1） SBS+纤 维 AC-16I 车 辙 深 度 与 时 间 （ Rut Depth Time） 关 系 图 ：（ 2） SBS AC-16I车 辙 深 度 与 时 间 （ Rut Depth Time） 关 系 图 ：4.试 验 结 果 分 析 ：从 车 辙 试 验 结 果 可 以 看 出 ， 当 油 石 比 均 为 5.1%时 SBS+纤 维 AC-16I车 辙 试 验 结 果 平 均 值 为4428 次 /min,而 未 加 纤 维 的 结 果 为 3879 次 /min 即 加 入 纤 维 后 车 辙 试 验 的 结 果 证 明 可 以 提 高 14%7左 右 的 抗 车 辙 能 力 。 最 佳 石 油 比 5.4%时 SBS+纤 维 平 均 值 为 4515 次 /min， 试 件 表 面 在 0.7MPa 压力 往 复 作 用 下 只 有 比 较 浅 的 轮 印 ， 未 加 纤 维 最 佳 油 石 比 为 3879 次 /min， 加 纤 维 后 抗 车 辙 能 力 提 高16.4%， 说 明 掺 加 纤 维 后 对 沥 青 混 合 料 的 高 温 稳 定 性 具 有 良 好 的 改 善 作 用 。四 、 劈 裂 试 验 ：1. 试 验 简 介 ：（ 1） 、 试 验 采 用 马 歇 尔 试 件 （ 101.6mm,h=63.5mm） ,试 验 试 验 为 温 度 15 ； 速 度 50mm/min； -10 ； 速 度 1mm/min。 试 验 加 载 条 的 宽 度 为 12.7mm,试 验 设 备 为 MTS 型 材 料 试 验 系 统 。（ 2） 、 计 算 公 式 ： RT=0.006287FT/h试 中 ： FT试 验 荷 载 最 大 值 （ N） ；h试 件 高 度 （ mm） 。2. 试 验 结 果 ：温度 15 温度-10沥青混合料种类 劈裂强度（MPa）破坏劲度模量（MPa）劈裂强度（MPa ）破坏劲度模量（MPa ）SBS AC16I 2.065 620 3.554 6725SBS+纤维 AC-16I 2.293 795 4.278 86413. 劈裂试验荷载变形曲线：84. 试 验 结 果 分 析 ：SBS+纤 维 AC-16I沥 青 混 凝 土 无 论 是 常 温 （ 15） 还 是 低 温 （ -10） 的 劈 裂 强 度 和 劈 裂 劲 度 模 量都 比 SBS AC-16I 沥 青 混 凝 土 有 较 大 提 高 。 所 以 加 入 纤 维 后 对 于 沥 青 混 凝 土 路 面 的 高 温 稳 定 性 和 低 温 抗裂 性 都 会 起 到 很 好 的 改 善 作 用 。五、 线收缩系数试验：1. 试 验 简 介 ：（ 1） 、 试 验 采 用 车 辙 试 验 板 经 切 割 成 长 200mm、 宽 20mm 的 梁 式 试 件 ， 温 度 区 间 为 10 15， 降温 区 为 10-15，降温速 度 为 5/ h。（ 2） 、 试 验 装 置 简 图 如 下 ：2. 试验结果：温 度（10 -5）混合料种类50 05 -5-10 -10-15SBS+纤维 AC-16I 2.4526 2.1905 1.9823 1.2720在整个降温区间的平均值 1.9746SBS AC-16I 2.5678 2.2546 1.9964 1.56239在整个降温区间的平均值 2.09533. 试验结果分析：从 试 验 结 果 可 以 看 出 ， SBS+纤 维 AC-16I ， 的 线 收 缩 系 数 比 SBS AC-16I 的 线 收 缩 系 数 略 小 ， 但相 差 不 大 。 说 明 SBS 改 性 沥 青 混 合 料 在 加 与 不 加 纤 维 的 情 况 下 对 沥 青 路 面 的 低 温 抗 裂 性 均 有 较 好 的 改善 。六 、 残 留 稳 定 度 试 验 ：1. 试 验 简 介 ：根 据 马 歇 尔 试 验 确 定 的 最 佳 油 石 比 成 型 马 歇 尔 试 件 （ 直 径 101.6mm,高 度 63.5mm） ,在 测 试 其 物理 指 标 后 放 入 60 的 水 浴 中 恒 温 48h,按 前 述 的 马 歇 尔 试 验 方 法 测 试 其 稳 定 度 和 流 值 。2. 试验结果：混 合 料 类 型 残 留 稳 定 度（% ）SBS+ 纤维 AC-16I 95.3SBS AC-16I 90.63. 试 验 结 果 分 析 ：加 与 不 加 纤 维 其 残 留 稳 定 度 均 大 于 规 范 75%以 上 的 要 求 。 加 入 纤 维 后 的 试 验 结 果 大 于 不 加 纤维 的 试 验 结 果 ， 说 明 加 入 纤 维 后 对 沥 青 混 合 料 的 高 温 稳 定 性 及 抗 水 侵 蚀 的 能 力 均 会 有 不 同 程 度 的 改 善 。七、 冻融劈裂试验1. 试 验 简 介 ：冻 融 劈 裂 试 验 试 件 为 马 歇 尔 试 件 （ 直 径 101.6mm,高 度 63.5mm） 。 试 验 的 条 件 为 :试 件 置 于 真 空 容器 中 在 730mm 740mmHg 真 空 下 抽 气 15min,泡 水 保 持 0.5h,然 后 放 入 低 温 箱 中 (-18)保 持 16h,取出 后 立 即 放 入 60恒 温 水 中 浸 泡 24h， 再 取 出 置 于 25水 中 浸 泡 不 少 于 2h， 然 后 进 行 劈 裂 试 验 （ 加 载速 率 50mm/min） 。2. 试 验 结 果 ：混 合 料 类 型 劈 裂 强 度 标 准 值（ MPa） 劈 裂 强 度 标 准 值（ MPa） 冻 融 劈 裂 强 度 强 度 TSR（ %）SBS+纤 维 AC-16I 1.983 1.758 88.7SBS AC-16I 1.564 1.165 74.53. 试 验 结 果 分 析 ：从 试 验 结 果 可 以 看 出 ， 加 入 纤 维 后 冻 融 劈 裂 试 验 强 度 比 （ TSR） 比 不 加 纤 维 的 冻 融 劈 裂 试 验 强 度比 （ TSR） 要 大 ， 说 明 加 入 纤 维 后 对 沥 青 面 层 的 抗 水 损 害 能 力 有 所 提 高 。八、 小梁弯曲试验：1. 试验简介：10（ 1） .试 件 采 用 车 辙 试 验 板 经 切 割 成 长 250mm、 宽 30mm、 宽 35mm 的 梁 式 试 件 。 试 验 的 温 度 为15， 加 载 速 率 50mm/min； 温 度 -10， 加 载 速 率 1mm/min。 试 验 在 MTS 材 料 试 验 系 统 上 。（2）.计 算 公 式 ： BRS式中：RB沥 青 混 合 料 的 抗 弯 拉 强 度 （ MPa） ； B沥 青 混 合 料 的 最 大 弯 拉 应 变 ；SB沥 青 混 合 料 的 弯 曲 破 坏 劲 度 模 量 （ MPa） ；b跨 中 断 面 试 件 的 宽 度 （ mm） ；h跨 中 断 面 试 件 的 高 度 （ mm） ；L试 件 的 跨 径 （ mm） ；FB试 件 破 坏 时 的 最 大 荷 载 （ N） ；d试 件 破 坏 时 跨 中 的 挠 度 （ mm） 。2试验结果：试 验 温 度15 -10混合料类型RB（MPa ）SB（MPa ）RB（MPa ）SB（MPa ）SBS+纤维 AC-16I 5071 518 11974 4947SBS AC-16I 3876 236 9451 44743荷 载 变 形 曲 线（ 1） 、 SBS AC-16I 沥 青 混 合 料 15 时 弯 曲 试 验 荷 载 变 形 曲 线 ：23bhLFB26dB11（ 2） 、 SBS AC-16I 沥 青 混 合 料 -10弯 曲 试 验 荷 载 变 形 曲 线 ：（ 3） 、 SBS+纤 维 AC-16I 沥 青 混 合 料 15时 弯 曲 试 验 荷 载 变 形 曲 线 ：12（ 4） 、 SBS+纤 维 AC-16I 沥 青 混 合 料 10时 弯 曲 试 验 荷 载 变 形 曲 线 ：4. 试 验 结 果 分 析 ：掺 加 纤 维 与 不 掺 加 纤 维 沥 青 混 合 料 的 弯 曲 试 验 结 果 有 一 定 的 提 高 ， 由 于 沥 青 采 用 的 是 SBS 改 性 沥青 较 之 普 通 沥 青 性 质 有 很 大 的 差 异 SBS 改 性 沥 青 本 身 就 会 对 沥 青 混 合 料 的 力 学 性 质 有 很 大 改 善 ， 但 加入 纤 维 后 对 沥 青 混 合 料 的 弯 曲 性 能 仍 有 较 大 提 高 。 究 其 原 因 ， 主 要 是 纤 维 均 匀 分 布 于 沥 青 混 合 料 的 内 部 ，起 到 加 筋 的 作 用 ， 提 高 了 沥 青 混 合 料 弯 曲 抗 拉 强 度 及 低 温 抗 袭 性 能 。九 、 劈 裂 疲 劳 试 验 ：1. 试 验 简 介 ：（ 1） 疲 劳 试 验 采 用 的 试 件 为 马 歇 尔 试 件 （ 直 径 101.6mm,高 度 63.5mm） ， 试 验 设 备 为 MTS 材 料试 验 系 统 ， 按 控 制 应 力 的 加 载 模 式 进 行 疲 劳 试 验 。（ 2） 试 验 温 度 15 。（ 3） 应 力 比 ;0.15、 0.2、 0.25、 03、 0.4。13（ 4） 加 荷 频 率 ： 10HZ。（ 5） 荷 载 、 位 移 波 形 见 下 图 ：劈裂疲劳试验载荷、位移波形2. 实验结果：混合料类型应力比 次