CN103803829B

CN103803829B - 一种沥青混凝土用复合纤维

Info

Publication number: CN103803829B
Application number: CN201310751361.5A
Authority: CN
Inventors: 郝培文; 刘红瑛; 张铭铭; 张海伟; 孟紫璇; 谢嗣颖
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103803829A

Abstract

本发明提供了一种沥青混凝土用复合纤维，由以下重量份的原料混合而成：木质素纤维37%～43%，聚酯纤维18%～22%，玄武岩纤维39%～42%。本发明的复合纤维在沥青混凝土中的掺量在2.9‰～3.1‰，应用于沥青混凝土中可显著提高混合料各项路用性能，相比单纤维沥青混合料各项路用性能更均衡且性价比更高，相比SBS沥青混合料施工工艺更简单且有更高的性价比。

Description

一种沥青混凝土用复合纤维

技术领域

本发明属于沥青路面建设领域，涉及一种沥青混凝土用复合纤维。

背景技术

沥青路面作为一种无接缝的柔性路面，具有平整、驾驶舒适性高、减震降噪、少尘、耐磨、美观、施工时间短、养护维修方便、可分期改造和再生利用等优点。然而随着道路快速发展的同时，我国汽车保有量也在日益增多，交通量和轴载的不断增加使得沥青混凝土路面在通车使用后不久出现车辙、开裂、水稳定性等早期损害。为了有效缓解沥青路面早期破坏，道路工作者采用了新型路用材料和路面设计方法：一方面是通过改善沥青性能品质来提高沥青混合料的粘聚力，增强抵抗永久变形能力并减少感温性，如SBS、SBR、PE等改性沥青；另一方面通过改善矿质混合料的级配来提高混合料的高温抗变形能力，形成了不同的沥青混合料技术，如SMA、LSAM、SAC等。近年来，在沥青结合料中加入纤维材料也成为提高沥青路面性能的新手段，受到了普遍的关注。

沥青路面中使用纤维的种类繁多，每种纤维有不同的优缺点，不同纤维对沥青混凝土性能增强的效果有所不同。目前，在沥青路面中使用纤维时通常是将一种或两种纤维掺入混合料中，但存在路用性能改善作用单一或费用较高等缺点。因此，综合多种纤维的不同特性对纤维进行复合，使其具有多种纤维的优点和更高的性价比是目前纤维类型发展的趋势。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明目的在于，提供一种沥青混凝土用复合纤维，该复合纤维能够综合改善沥青混凝土各项路用性能，克服单纤维沥青混凝土路用性能改善作用单一的缺点。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种沥青混凝土用复合纤维，该复合纤维由以下质量百分比的纤维复配而成：木质素纤维：37%～43%，聚酯纤维：18%～22%，玄武岩纤维：39%～42%，上述纤维的质量百分比之和为100%。

进一步的，该复合纤维由以下质量百分比的纤维复配而成：木质素纤维：40%，聚酯纤维：20%，玄武岩纤维：40%。

本发明具有以下优点：

1）相比基质沥青混合料，加入本发明复合纤维后混合料各项路用性能均有大幅提高。

2）相比单纤维沥青混合料，加入本发明复合纤维后各项路用性能更加均衡，能起到综合改性的作用，具有更高的性价比。

3）SBS改性沥青混合料与加入本发明复合纤维后混合料的路用性能比较接近，但复合纤维的性价比更高。

4）生产复合纤维混合料过程中，因为采用干法工艺将纤维掺加到混合料中，所以对复合纤维可长期储存，能够避免聚合物改性沥青的储存稳定性问题。

5）在实体工程混合料生产中，相比聚合物改性沥青混合料的生产，复合纤维添加工艺简单，设备要求少，生产成本低。

具体实施方式

本发明的主要思路为：根据沥青混凝土路面的实际需求，选取对沥青混凝土路用性能有不同改善效果的木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维三种外掺改性材料进行复配，把单一材料对沥青混凝土路用性能的改善效果延续到复合材料中，得到能综合改善沥青混凝土的路用性能的复合纤维。

木质素纤维是一种灰色的有机纤维，该纤维具有很强的物理吸附作用，能够很好地吸持沥青，可提高沥青混凝土耐久性；具有较好的温度和化学稳定性，不为一般溶剂所溶解，耐酸碱，抗腐蚀，对人体和环境无害，成本较低，一般在3000元/吨；聚酯纤维是大分子链中各链节通过脂基相连的合成高聚物，一般为白色并带有丝光，表面光滑，呈圆柱体。该纤维具有良好的化学稳定性、耐腐蚀、耐生物性能、强度高、模量高，可显著提高沥青混合料的力学性能，在增强沥青混凝土抗低温性能方面效果显著；成本在纤维类中属于中等水平一般为10000元/吨；玄武岩纤维采用矿石冶炼制成，属于矿物纤维。具有良好的耐高温能力，有较大的比表面积，表面光滑，质地坚硬，断面整齐，柔韧性比较差。玄武岩纤维可用于增强沥青混凝土抗高温车辙能力，兼顾改善低温性能。成本在纤维类中属于中等水平一般为12000元/吨。

在确定组成材料的配比时，先根据复合纤维沥青胶浆的DSR试验和BBR试验确定最佳掺配比例，然后对组成材料的配比进行调整。考虑到各种纤维改善作用的协调发挥，掺配比例不宜相差太大，每种纤维的掺配比例确定为1份、2份、3份，即构成3因素3水平试验。采用70#基质沥青，在纤维用量为1%的条件下，分别对复合纤维沥青胶浆进行控制温度级别为60℃的动态剪切试验和控温-18℃的BBR试验。

美国SHRP规范中指出，车辙因子G^*/sinδ增大，其增强沥青材料的抗永久变形能力越强，低温劲度模量S越大，表示沥青材料呈现脆性，路面容易开裂破坏。根据这一特点，结合DSR、BBR实验结果，得出复合纤维的性能排序。

表1复合纤维沥青车辙因子排序表

表2复合纤维沥青劲度模量排序表

车辙因子越大，沥青的高温性能越好，在表1中按照车辙因子由大到小对复合纤维进行排序。在前9组试验号中，当A、B、C三种纤维的掺配比例为3:1:3时，车辙因子最大，因此对3:1:3的掺配方案积分为1；当纤维的掺配比例为3:3:2时，车辙因子为2330.09kPa，仅次于3:1:3，因此对3:3:2的掺配方案积分为2；当纤维掺配比例为1:1:1时，车辙因子为1650.17kPa，在9组方案中最小，因此对1:1:1的掺配方案积分为9。如此对剩下的6组掺配方案进行排序积分。积分越小，表示该掺配比例下沥青的高温性能越好。

劲度模量越小，沥青的低温性能越好，在表2中按照劲度模量由小到大对复合纤维进行排序。在前9组试验号中，当A、B、C三种纤维的掺配比例为2:1:2时，劲度模量最小，因此对2:1:2的掺配方案积分为1；当纤维的掺配比例为1:3:3时，劲度模量为203MPa，仅次于2:1:2，因此对1:3:3的掺配方案积分为2，如此进行排序积分。当纤维掺配比例为3:2:1时，劲度模量为281MPa，在9组方案中最大，因此对3:2:1的掺配方案积分为9。积分越小，表示该掺配比例下沥青的低温性能越好。

表3复合纤维流变试验汇总

综合表1和表2的排序积分，把车辙因子和劲度模量的排序积分相加，得排序积分和，按照排序积分和由小到大进行总排序。如表3所示，当纤维掺量为2:1:2和3:3:2时，排序积分和为5，排序积分和为9组中最小，因此纤维掺量为2:1:2和3:3:2时，总排序为1。当纤维的掺配比例为2:3:1时，排序积分和为7，仅次于掺配比例2:1:2和3:3:2，因此可对2:3:1的掺配方案积分为3。用同样的方法对剩余6组掺配方案进行排序。总排序越小，表示该掺配比例下的纤维性能越好。从上述汇总表可知，当纤维掺配比例为2:1:2和3:3:2时，纤维沥青的综合流变性能表现最好。综合复合纤维的性能与成本，当复合纤维中纤维掺配比例为2:1:2时，纤维的改善效果和经济性最佳。

下面通过实施例，说明在优选范围内，复合纤维对混合料的改性效果。

实施例1：

该实施例中复合纤维的原料质量比组成为：40%，聚酯纤维：20%，玄武岩纤维：40%。掺入沥青混合料的比例为3‰。

实施例2：

该实施例中复合纤维的原料质量比组成为：37%，聚酯纤维：21%，玄武岩纤维：42%。掺入沥青混合料的比例为2.9‰。

实施例3：

该实施例中复合纤维的原料质量比组成为：43%，聚酯纤维：18%，玄武岩纤维：39%。掺入沥青混合料的比例为3.1‰。

实施例4：

该实施例中复合纤维的原料质量比组成为：木质素纤维：39%，聚酯纤维：22%，玄武岩纤维：39%。掺入沥青混合料的比例为3.1‰。

下面对以上实例给出的复合纤维与无纤维和单纤维进行比较。

1.原材料准备

1）纤维

参考《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）及《沥青路面用木质素纤维国家标准》（JT-T533-2004）等，对本发明所用三种纤维进行了性能试验，试验结果如表4。

表4三种纤维性能基本试验

2）沥青

沥青混合料中使用到的SBS改性沥青、克拉玛依50#石油沥青的各项指标检测结果见下表。

表5沥青三大指标实验结果

指标	SBS改性沥青	克拉玛依50#沥青
			针入度（25℃，100g，5s）	68	43.7
软化点	90.7	53.2
			延度（5cm/min）	44.9（5℃）	25.3（10℃）

3）集料和矿粉

选用的集料采用石灰岩碎石，矿粉为石灰岩磨制，级配类型为AC‐13。具体技术指标及级配组成见表6、表7、表8。各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）要求。

表6集料技术性质试验结果汇总表

粒径（mm）	表观相对密度r_a	压碎值（%）
			10-15	2.808	18
5-10	2.752	25
			3-5	2.723	-
0-3	2.715	-

表7矿粉技术性质试验结果汇总表

表8AC-13各档筛分及合成级配表

2.制备混合料

应用马歇尔试验方法确定最佳沥青用量，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE-20-2011)中规定的试验方法拌制混合料和成型试件。需要注意的是：纤维沥青混合料拌合时需要先加入纤维和集料一起拌和90s，然后再加入沥青拌和90s，最后加入矿粉再拌和90s，且混合料的拌和温度比一般沥青混合料高5～10℃。

3.路用性能比较

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20—2011）中的要求对各种混合料分别进行高温、低温和水稳定性能、疲劳性能试验。对比结果见表9。

表9沥青混合料路用性能试验结果

从表中可以看出四个实施例复合纤维相比，基质沥青混合料各项性能均有大幅提升，相比单纤维沥青混合料各项性能更均衡，与SBS沥青混合料各项性能基本接近。

4.性价比分析

1）计算路用性能优势

单项路用性能优势率用于定量描述改性沥青混合料的单项路用性能相比较于基质沥青混合料的单项路用性能所提升的程度，改性沥青混合料R的单项路用性能优势率i_R的计算方法为：

沥青混合料的单项路用性能测量值，所述参评混合料包括添加单纤维改性的沥青混合料和添加实施例1至5的复合纤维改性沥青混合料。

改性沥青混合料R的路用性能优势I_R的计算方法为：

I_{R} = \frac{{Σi}_{R}}{4},

式中：Σi_R为改性沥青混合料R的各个单项路用性能优势率的加和，不同改性沥青混合料的路用性能优势IR计算结果如表10所示。

表10混合料路用性能优势计算

2）计算额外成本

换算每吨纤维混凝土中基质沥青、纤维用量。按基质沥青5000元/t、SBS成品改性沥青6000元/t，木质素纤维3000元/t、聚酯纤维10000元/t、玄武岩纤维12000元/t分别计算每吨沥青混凝土所用沥青与纤维的费用。每吨混合料基质沥青的用量为0.0453t，将基质沥青费用226.5作为基准值，以每种混合料成本与基准值的差作为各自的额外成本。

表11改性沥青混合料的额外成本

3）性价比计算

以混合料路用性能优势与额外成本之比作为混合料性价比。计算结果见表12。

表12四种单纤维相对无纤维沥青混合料性价比

综上，本发明的复合纤维相比基质沥青混合料能够综合提高各项路用性能，相比单纤维沥青混合料，对路用性能改善更均衡且性价比更高，与SBS沥青混合料性能较接近且性价比高于SBS沥青混合料。

Claims

1.一种沥青混凝土用复合纤维，其特征在于，该复合纤维由以下质量百分比的纤维复配而成：木质素纤维：37%～43%，聚酯纤维：18%～22%，玄武岩纤维：39%～42%，上述纤维的质量百分比之和为100%。

2.如权利要求1所述的沥青混凝土用复合纤维，其特征在于，该复合纤维由以下质量百分比的纤维复配而成：木质素纤维：40%，聚酯纤维：20%，玄武岩纤维：40%。