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.docx
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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
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CaribitSBS改性沥青。
集料：
句容产玄武岩。
2.1沥青性能试验结果
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/cm³）
1.0298
实测记录
密度（15℃）（g/cm³）
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℃）（Pa•s）
0.9
＜1.2
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
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
B.各种矿料的视比重（g/cm³）:
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
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:
级配
类型
通过下列筛孔（方孔筛，mm）质量百分率（%）
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
AC-16I
100
93～100
76～86
61～73
44～54
31～41
20～30
16～32
11～17
7～12
4～8
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:
＞495℉（256℃）燃点:
1000℉（540℃）
抗拉强度:
517MPa±26MPa断裂延伸率:
40%
比重:
1.36±0.04
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ShellCaribitSBS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30mm×35mm×250mm的试件。
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）SBSAC-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）
4.0
13.1
25
6.79
58.4
2.552
4.5
13.5
31
5.37
66.7
2.571
5.0
13.2
35
4.15
74.2
2.584
5.5
12.9
40
3.10
80.9
2.592
6.0
12.5
45
2.53
84.9
2.587
规范要求
＞7.5
20～50
3～5
70～85
—
Δ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
2.532
5.0
13.9
34
5.34
68.9
2.552
5.5
13.6
38
3.74
77.9
2.575
6.0
13.4
43
3.20
81.5
2.569
6.5
12.9
49
2.62
85.3
2.587
规范要求
＞7.5
20～50
3～5
70～85
—
Δ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1
AC-16I'型掺加纤维沥青混凝土马歇尔试验附图2
4．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。
（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/cm3）
SBS+纤维
AC-16I'
5.1
4428
2.582
5.4
4515
2.570
5.7
3529
2.565
沥青混合料类型
油石比（%）
动稳定度（次/mm）
密度（g/cm3）
SBS
AC-16I'
4.8
3251
2.579
5.1
3879
2.584
5.4
3548
2.588
（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：
（1）SBS+纤维AC-16I'车辙深度与时间（RutDepth～Time）关系图：
（2）SBSAC-16I'车辙深度与时间（RutDepth～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%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（ф101.6mm,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：
沥青混合料种类
温度15℃
温度-10℃
劈裂强度
（MPa）
破坏劲度模量
（MPa）
劈裂强度
（MPa）
破坏劲度模量
（MPa）
SBSAC16I'
2.065
620
3.554
6725
SBS+纤维AC-16I'
2.293
795
4.278
8641
3.劈裂试验荷载—变形曲线：
4.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SBSAC-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：
混合料种类
温度（×10-5）
5℃～0℃
0℃～5℃
-5℃～-10℃
-10℃～-15℃
SBS+纤维AC-16I'
2.4526
2.1905
1.9823
1.2720
在整个降温区间的平均值
1.9746
SBSAC-16I'
2.5678
2.2546
1.9964
1.5623
在整个降温区间的平均值
2.0953
3.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SBSAC-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'
95.3
SBSAC-16I'
90.6
3.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
88.7
SBSAC-16I'
1.564
1.165
74.5
3.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：
（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：
式中：
RB—沥青混合料的抗弯拉强度（MPa）；
εB—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：
混合料类型
试验温度
15℃
-10℃
RB
（MPa）
SB
（MPa）
RB
（MPa）
SB
（MPa）
SBS+纤维AC-16I'
5．071
518
11．974
4947
SBSAC-16I'
3．876
236
9．451
4474
3．荷载—变形曲线
（1）、SBSAC-16I'沥青混合料15℃时弯曲试验荷载—变形曲线：
（2）、SBSAC-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：
（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。
（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
应力比次数
SBS+纤维
SBS
AC-16I'
0.15
91664
74582
0.20
44852
31280
0.25
27267
17932
0.30
16720
9954
0.40
7402
4928
3.疲劳试验曲线：
4.试验结果分析：
从实验结果可以看出，在相同应力比下，加入纤维后，沥青混合料的疲劳寿命增加，而且效果显著。
原因是：
均匀分布于沥青混合料中的纤维会使其劲度模量增加（在劈裂试验中已经得到证实），因此疲劳寿命得以提高，对沥青路面的耐久性有较大的改善。
十、结论
1．加入纤维后，由于纤维均匀分布于沥青混合料中，对沥青混合料的高温稳定性能有所改善，而且效果显著。
2．加入纤维后的沥青混合料对低温抗裂性有较大的提高，而且可变形能力增大，即有一定的柔韧性，对减少沥青混合料的裂缝起到了一定的效果。
3．加入纤维后其抗水损害能力有所提高。
4．由于纤维在沥青混合料中数量巨大（每吨混合料有超过24亿根纤维），且均匀分布在其中，可以使得沥青混合料的劲度模量增加，所以沥青混合料的疲劳耐久性改善，可以延长沥青道面的使用寿命。
5．由于加入纤维后在击实和碾压的过程中会有一定的弹性，从而影响到沥青混合料的密实度，因此在施工过程中应适当增加碾压的遍数，以确保沥青混合料的压实度及空隙率满足设计要求。
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