为弥补单一外掺剂改性沥青混合料的不足，以聚酯纤维和热塑性树脂为主要原料，制备一种新型复合改性材料纤维增强聚合物(FRMP)。通过车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验和弯曲疲劳试验研究不同掺量FRMP对沥青混合料路用性能的影响，并与聚酯纤维和SBS对比。结果表明：加入外掺剂提升了沥青混合料的路用性能，相比聚酯纤维改性和SBS改性，通过FRMP复合改性的效果更明显，并且随着FRMP掺量增加，沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能不断增强，低温性能和水稳定性先升高后降低、于0.3%掺量时达到峰值。
关键词
道路材料 | 沥青混合料 | 路用性能 | 室内试验 | 纤维增强聚合物
沥青路面是应用比较广泛的高级路面。随着车辆数量不断增长，交通荷载密度增加，在极端天气影响下沥青路面易出现各种病害，后期维修和养护会消耗大量人力和财力，并造成建设资本的浪费[1-2]。为提高沥青路面质量，减少养护成本，常在路面铺筑前在沥青混合料中加入木质素纤维、聚酯纤维、橡胶和聚氨酯等外掺剂，使沥青路面的路用性能得以提升[3-5]。但是目前的研究大多是针对单一改性剂。由于一种改性剂很难同时兼顾沥青混合料的各项性能，具有一定的局限性，因此对复合改性材料的研究开始受到越来越多的关注[6-9]。
朱春凤等[10]在沥青混合料中加入硅藻土和玄武岩纤维，对复合改性沥青混合料的路用性能进行了评价，结果表明复合改性对路用性能的提升显著。常睿等[11]通过聚酯纤维和反应性三元共聚物(RET)复合改性沥青混合料，得出相比单掺聚酯纤维、RET、SBS和SBR改性剂，复合改性沥青混合料的性能提升更明显。Fu等[12]首次以高分子聚合物和木质素纤维为原料制备了复合增强剂，通过试验表明复合增强剂可同时提升沥青混合料的各项路用性能。Ziari[13]将聚烯烃-芳纶纤维作为外掺剂用于改性沥青混合料，结果表明通过复合改性不仅提升了混合料的高低温性能，还使其抗疲劳性能增强。Ho等[14]制备了聚烯烃和芳纶纤维的合成纤维混合物，并将复合改性材料应用于实际工程，结果表明相比于聚合物改性路段，纤维增强聚合物改性沥青路面的现场性能更好，具有一定的工程意义。
以上研究表明，复合改性材料弥补了单一改性剂的不足，综合了多种改性剂的优点，可以同时提升沥青混合料的多项性能。本文提出一种新的纤维聚合物复合改性材料，以热塑性树脂和聚酯纤维为主要原料，通过特殊工艺制备纤维增强聚合物(FRMP)，对FRMP复合改性沥青混合料的各项路用性能进行评价，并与聚酯纤维和SBS对比。
试验材料和方法
原材料
沥青和集料
试验所用沥青为埃索AH-70基质沥青，其性能指标见表1。粗集料为凝灰岩碎石，细集料为凝灰岩石屑，矿粉为磨细石灰岩，相关技术指标见表2~表4。
外掺剂
试验所用SBS改性剂为YH-802星型SBS。聚酯纤维由江苏省某化工建材公司提供。FRMP由宁波某公司提供，是聚合物树脂与聚酯纤维在一定温度下混合挤压成型得到的纤维增强聚合物。FRMP的相关技术指标见表5。
改性沥青及其混合料制备
SBS改性沥青：将基质沥青加热至170℃，在500rad/min的拌速下慢慢加入SBS改性剂，搅拌0.5h使其充分溶胀；然后将温度升至180℃，在5000rad/min拌速下搅拌1h；待搅拌完成后养护1h，得到SBS改性沥青。
改性沥青混合料：本次试验选用AC-13Ｃ型细粒式矿料级配，其矿料合成级配如表6所示。通过干拌法制备沥青混合料。首先按比例称取一定质量集料、沥青和改性剂，在拌和之前将集料在160℃条件下加热12h。沥青在拌和时保持温度在160℃左右。拌和过程分4次搅拌，依次加入集料、外掺剂、沥青和矿粉，每次拌和1.5min，最后得到均匀的沥青混合料。
试验方案
方案根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGＥ20-2011)[15]，对FRMP、聚酯纤维和SBS改性沥青混合料进行车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验和弯曲疲劳试验。其中FRMP添加量分别为0.2%、0.3%和0.4%，聚酯纤维添加量为0.3%，SBS添加量占沥青总质量的5%。
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试验结果及分析
高温稳定性
沥青作为黏弹性流变材料，对高温环境较敏感，沥青路面在高温和荷载共同作用下易发生车辙变形，严重影响路面的正常使用。车辙试验能在室内较好地模拟路面在重复荷载作用下的实际变形情况。试验仪器为STCZ-1型车辙试验机，在沥青混合料中分别加入聚酯纤维、SBS和FRMP外掺剂，通过车辙试验对改性沥青混合料的高温性能进行评价。试验结果如图2所示。
由图2可知，加入添加剂后混合料的动稳定度均有提升，但是不同添加剂的提升效果不同。加入聚酯纤维使动稳定度提升约74.9%，加入SBS使动稳定度提升约104.8%，加入0.2%、0.3%和0.4%的FRMP使动稳定度分别提升约124.6%、224.0%和297.5%。可见FRMP在3种掺量下的动稳定度均大于聚酯纤维和SBS，并且随着FRMP掺量增加，动稳定度越来越大。沥青胶浆的黏性和稳定性是影响混合料高温性能的主要因素。在混合料拌和过程中，FRMP中聚合物组分在高温条件下变成黏性流体，与同样是流态的沥青融合在一起，恢复常温后二者硬化成整体，不仅提高了沥青刚度，还提高了沥青与矿质颗粒间的作用力，使沥青混合料抗变形能力增强。同时聚酯纤维在搅拌过程中不会融化，可以吸附周围的自由沥青，使结构沥青成分增多，降低了沥青对温度的敏感性。
水稳定性
在潮湿多雨地区，经常发生因下雨积水引起的剥落、坑洞等问题，水稳定性是评价沥青路面路用性能的一个关键指标。沥青混合料的水稳定性主要受矿料的性质、沥青与矿料间作用力、孔隙率和沥青膜厚度影响。图3为不同外掺剂下的浸水残留稳定度(MS0)，加入添加剂后沥青混合料的MS0均有提升。相比未改性沥青混合料，加入聚酯纤维后MS0提升约5.0%；加入SBS后MS0提升约6.1%；随着FRMP掺量增加，MS0先增后减，在0.3%时达到峰值92.2%，相比未掺纤维沥青混合料提升约10.8%。
图4为不同外掺剂下的冻融劈裂强度比(TSR)。TSR的试验结果与MS0基本一致，相比普通沥青混合料，聚酯纤维改性和SBS改性沥青混合料的TSR分别提高约7.9%和8.8%；在FRMP掺量为0.3%时TSR达到峰值，提高约13.6%。FRMP中的聚合物组分在受热搅拌时变为黏性流体，与沥青一起将集料充分包裹，恢复常温后可有效填充大孔隙，并减少连通孔隙的数量，使水体在沥青混合料中的流动性降低、渗透效应减弱；聚合物也增强了沥青与矿料之间的黏结力，在受到水损侵蚀时抵抗剥落的能力得以提升。此外，聚酯纤维表面可吸附部分沥青，使沥青膜厚度增加，与矿料之间的黏性增强，在受到水损侵蚀时的稳定性同样得以提升。
低温抗裂性
冬季寒冷地区沥青路面经常出现开裂现象。由于温度骤降使沥青路面发生收缩，在环境的约束作用下产生温缩应力，短时间内应力松弛来不及做出反应，当温缩应力超过材料极限强度后便发生开裂，并会发展成更大的裂缝。为了评价不同外掺剂对沥青混合料低温抗裂性能的影响，通过MTS万能材料试验机进行小梁弯曲试验。试验结果如图5所示。
由图5可知，FRMP改性沥青混合料的破坏弯拉应变随FRMP掺量增加呈先升后降的变化规律，加入0.3%FRMP时的改善效果最好，破坏弯拉应变达到2947.8με，相比未改性混合料提高约59.2%；单掺聚酯纤维和SBS改性沥青混合料的破坏弯拉应变分别提升约20.1%和31.6%，通过复合改性对低温性能的提升效果明显高于单一改性剂。在混合料拌和过程中加入FRMP外掺剂，聚合物树脂受热融为流体与沥青结合在一起，聚合物构成的微结晶区有较大的劲度，增强了沥青的强度和韧性。同时，聚酯纤维力学强度稳定，在混合料中通过相互搭接形成三维网状结构，在混合料内部可以分散和传递应力，防止出现应力集中，并且通过桥接作用阻滞裂缝的扩展。
抗疲劳性
一些高等级公路由于超载、重载现象频发，再加上恶劣环境影响，易出现因耐久性不足而发生的疲劳破坏，导致多数沥青道路的使用时间难以达到预期年限。本文通过弯曲疲劳试验评估改性沥青混合料的抗疲劳性，采用应力控制模式施加10Hｚ偏正弦波，在应力水平分别为最大应力的0.2、0.3、0.4和0.5倍下测试沥青混合料的疲劳寿命。试验结果见表7。通过式(1)疲劳寿命与应变水平双对数回归疲劳方程曲线对数据进行回归处理。经过回归处理后得到的对数疲劳曲线如图6所示。
参数K和n分别为拟合曲线的截距和斜率，K值越大表明沥青混合料的抗疲劳性能越好，n值越大表明沥青混合料对应力的敏感性越高[16]。分析可知，相比未改性沥青混合料，加入外掺剂后沥青混合料的抗疲劳性能增强，对应力的敏感性降低。其中改善效果排序为：0.4%FRMP＞0.3%FRMP＞0.2%FRMP＞SBS改性剂＞0.3%聚酯纤维。FRMP对沥青混合料疲劳寿命的提升主要归因于聚合物增强了沥青和骨料之间的作用力，聚酯纤维在混合料中形成三维网状结构，约束了矿质颗粒的位移，并且纤维可承受较大拉应力，能有效防止疲劳开裂的产生。
结语
1、加入外掺剂可提升沥青混合料的路用性能，相比聚酯纤维改性和SBS改性沥青混合料，FRMP改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性和疲劳性能提升更明显。
2、随着FRMP掺量增加，混合料高温性能和抗疲劳性能不断提升，在FRMP掺量为0.4%时动稳定度和疲劳寿命达到最大值，动稳定度相比没有掺加剂沥青混合料提高约297.5%。
3、随着FRMP掺量增加，混合料的水稳定性和低温性能先提升后下降，在FRMP掺量为0.3%时改善效果最好，破坏弯拉应变相比没有掺加剂沥青混合料提高约59.2%，MS0和TSR分别提高约10.8%和13.6%。
全文完首发于《公路》2021年6月
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