聚酯纖維在瀝青混凝土中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2014-02-25 共1頁
經(jīng)研究在瀝青混凝土中加入聚合物纖維可以改善瀝青路面的性質(zhì)，對路面起到加筋和橋接作用，提高了路面的柔韌性，高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力和改善了抗疲勞性能以及水穩(wěn)定性能。
近幾年來，國內(nèi)道路建設(shè)人員應(yīng)用國外的聚合物纖維，如德國的纖維產(chǎn)品DolanitAS@（德蘭尼特，聚丙烯腈纖維）和美國開發(fā)研制的Bonifiber@（博尼維，聚酯纖維），在進行瀝青路面結(jié)構(gòu)研究、改性瀝青力學(xué)性能研究的同時，對能夠有效地解決常規(guī)瀝青混凝土缺陷的纖維加強瀝青混凝土進行了有效的嘗試¨ ，取得了成效，但進口纖維的價格一直居高不下，在一定程度上限制了纖維的推廣使用。
上海石化滌綸事業(yè)部自1998年起，開發(fā)研制用于道路瀝青路面的聚酯纖維，于2002年形成20kt／a的生產(chǎn)能力，并與國內(nèi)的有關(guān)高等院校、交通科學(xué)研究單位合作進行了纖維瀝青混凝土的工程應(yīng)用研究。目前該纖維產(chǎn)品（金路絲）已經(jīng)用于高速公路和橋梁路面的鋪設(shè)，產(chǎn)品質(zhì)量完全用于高速公路和橋梁路面的鋪設(shè)，產(chǎn)品質(zhì)量完全達到進口質(zhì)量指標(biāo)，且生產(chǎn)成本低，質(zhì)量的穩(wěn)定性好。
1、路用纖維性能的要求
作為路用纖維要求其開始軟化、熔融、裂解的溫度越高越好，以適應(yīng)瀝青混凝土拌制工藝和攤鋪工藝的使用需求；路用纖維應(yīng)該具有較高的拉伸強度，并且在濕態(tài)下也不幅度降低，適宜的斷裂伸長率，并且可回復(fù)伸長率越越好，盡可能高的初始模量。纖維的這些物理機械性能直接影響纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能，如：抗裂性能、抗拉性能、水穩(wěn)定性能等；此外，路用纖維還要求在日光和氣作用下具有很好的穩(wěn)定性 .4J.
1.1 對高溫作用的穩(wěn)定性
瀝青混凝土要求在170～180％的高溫下進行拌和，在150％條件下鋪設(shè)和碾壓，因此要求加入瀝青混凝土的纖維必須耐高溫。纖維對高溫作用的穩(wěn)定性可以用纖維的物理機械性能的變化以及高聚物的化學(xué)變化來評價。
聚丙烯的熔點僅176oC，不能滿足瀝青拌和工藝，因此，在目前的道路施工作業(yè)條件下尚不能用于瀝青路面。其它各種合成纖維的熔點基本在200℃以上，理論上具備使用的可能性。盡管聚丙烯腈的熔點在超過200％后不明顯，但是在200％溫度下纖維開始變成棕色，說明聚合體已經(jīng)發(fā)生了熱分解。聚乙烯醇的熱分解也是在溫度達200oC時發(fā)生，這些纖維在應(yīng)用中會受到一定影響。因此從纖維的熱性能可以初步判斷對高溫作用的穩(wěn)定性。在50oC條件下對各種纖維加熱，觀察纖維強度變化，結(jié)果表明：聚酯纖維受熱1000h，強度損失僅50％；聚己內(nèi)酰胺纖維加熱5h就變黃，強度顯著下降，收縮率增加；聚丙烯腈纖維加熱150h，強度也損失了50％以上。說明聚酯纖維的耐熱性最好。
1.2 力學(xué)性能
1.2.1 初始模量
初始模量取決于纖維的超分子結(jié)構(gòu)以及分子間作用力，聚合物剛性越強，纖維越不容易發(fā)生形變；分子間的作用力越，纖維的取向度或結(jié)晶度越高，則初始模量越。聚酯分子鏈具有高度的立構(gòu)規(guī)整性，同時分子鏈中的苯環(huán)與對位酯基是剛性基團，因此聚酯纖維有較高的初始模量。
1.2.2 斷裂強度與斷裂伸長率
由于分子結(jié)構(gòu)決定了聚酯纖維具有較高的斷裂強度，同時又具備適中的斷裂延伸率，滿足了摻人瀝青混凝土的纖維必須具有較高的拉伸強度又具有一定的韌性、能夠承受早晚溫差的熱脹冷縮以及外力沖擊的要求。并且聚酯纖維的吸濕率低，其干、濕態(tài)條件下的斷裂強度幾乎相等，而其它纖維在濕態(tài)條件下則有不同程度的降低。由表2可見，聚己內(nèi)酰胺纖維的濕態(tài)強度是干態(tài)的85％～90％，聚丙烯腈纖維的濕態(tài)強度是千態(tài)的80％～90％。在低溫條件下，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的強度均有所增，在一100cc時，聚酯纖維的強度可以增50％并且不發(fā)脆。
1.2.3 抗疲勞性
材料被多次重復(fù)施加應(yīng)力如：伸長、壓縮、彎曲、切變后，力學(xué)性能發(fā)生衰減或破壞即材料會發(fā)生疲勞。聚酯纖維和聚己內(nèi)酰胺纖維承受應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)而不斷裂的次數(shù)最高，因此耐疲勞強度明顯好于其他纖維。另外，纖維的彈性恢復(fù)也能表征疲勞強度，彈性回復(fù)率高則表示抗疲勞強度也高。
1.3 在日光和氣作用下的穩(wěn)定性
作為瀝青路面的攤鋪材料需要長期曝露在日光及氣中，因此抗紫外以及對氣作用的穩(wěn)定性影響著材料的使用壽命。聚丙烯腈纖維具有優(yōu)良的耐光和耐氣候性。聚酯纖維和聚乙烯醇纖維在日光下長期曝曬，強度幾乎不降低，也是很好的耐光和耐氣候材料。
2、上海石化公司路用聚酯纖維的特性
由于生產(chǎn)超短纖維的技術(shù)比較特殊，世界上真正掌握纖維超短生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)并不多。上海石化公司通過采用比較特殊的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)出用于瀝青混凝土中的聚酯纖維（金路絲），其采取了造紙業(yè)用不完全相同的技術(shù)方法，突出了纖維的應(yīng)用特性要求和熱穩(wěn)定性等特殊的質(zhì)量要求。
2.1 金路絲的力學(xué)性能
金路絲的外觀為束狀單纖維，色澤為白色，無卷曲，單纖維的橫截面呈圓形，纖維的表面光滑，兩端有觸角，有利于與瀝青集料混合。金路絲具有良好的耐酸性，耐弱堿性也較好，但不耐強堿。對漂白劑一類氧化劑也具有良好的穩(wěn)定性。不受微生物（蛀蟲、霉菌等）的作用。具有很好的耐光性和對氣的穩(wěn)定性。
作為瀝青混凝土加強材料，聚酯超短纖維必須單根獨立狀態(tài)均勻地存在于瀝青混凝土中，以致達到賦予混合料內(nèi)聚力之目的。如果呈束狀存在于瀝青混合料中不僅達不到加強作用，反而會成為薄弱環(huán)節(jié)。金路絲是束狀單根纖維，由于纖維的表面經(jīng)過特殊的親油性處理，在介質(zhì)中具有良好的分散性，因此在摻人瀝青混凝土后能夠迅速地均勻分散，同時與瀝青又有很好的親和性。
金路絲的拉伸強度為500～1200MPa；由于聚酯纖維的吸濕性比較低，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下僅0.4％，濕態(tài)強度和干態(tài)強度基本相同，耐沖擊強度很高；在低溫條件下強度會有所增，即使在一 100cc條件下，強度約增50％，纖維也不會發(fā)脆。聚酯纖維的初始模量較高，因此在承受外力負(fù)荷時不易發(fā)生變形。金路絲韌性非常好，不容易拉斷，可以承受很外力負(fù)荷及拉伸應(yīng)變。其彈性好，在承受碾壓、彎曲和剪切變形時均有很好的彈性回復(fù)，當(dāng)承受瞬間外力后纖維伸長3％時，幾乎可以完全回復(fù)。
2.2 金路絲瀝青混凝土路用性能影響
在瀝青混凝土中加入纖維，由于纖維的吸附作用和微觀加筋作用使瀝青之間的粘滯力增加，延緩了瀝青從礦料表面剝離的速度，因此抵抗水侵蝕的能力增加。瀝青混合料對水的穩(wěn)定性是通過最佳油石比條件下浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度值和凍融劈裂試驗的劈裂強度比來評價。結(jié)果表明，添加了金路絲的瀝青混凝土殘留穩(wěn)定性增加了2.8％，劈裂強度增加了16.45％。對瀝青混凝土進行最佳油石比下的車轍試驗，測得的動穩(wěn)定度能夠很好的反映瀝青路面的耐高溫性能。動穩(wěn)定度試驗是溫度在60~C、輪壓在0.7MPa的條件下進行的，表4反映了瀝青混凝土變形lmm所需要的車輪作用次數(shù)，次數(shù)越多則材料的抗車轍能力越強，顯然，添加纖維的瀝青混凝土車輪作用次數(shù)增加了39.9％。
由于拉伸強度、初始模量、斷裂伸長率均高，檢驗瀝青？昆合料的低溫抗裂性能采用一IO℃條件下小梁彎曲試驗。在彎曲試驗中，材料可以承受的破壞應(yīng)力越說明低溫抗裂性能越好，從表4可見，添加纖維后的瀝青混凝土低溫抗裂能力增強了186.2％。
瀝青路面的抗疲勞性能是采用20~C條件下小梁試件重復(fù)彎曲直至破壞的疲勞壽命。循環(huán)疲勞次數(shù)越高，說明瀝青混凝土的抗疲勞性能越好。從表4可知，加入纖維的瀝青混凝土的抗疲工農(nóng)聯(lián)盟性能增加了61.5％。
綜上所述，添加金路絲對瀝青混凝土路面使用質(zhì)量和耐久質(zhì)量的確起到了明顯的作用。
3、結(jié)論
聚酯纖維是較適宜的纖維瀝青混凝土增強材料，纖維瀝青混凝土提高了瀝青路面的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能、抗疲勞性能及水穩(wěn)定性能。聚酯纖維金路絲具有很好的路用性能，添加0.3％金路絲與不加纖維的瀝青混凝土比較，水穩(wěn)定性的殘留穩(wěn)定性和劈裂強度比、高溫穩(wěn)定性的動穩(wěn)定度及低溫抗裂性能的破壞應(yīng)變等都得到了明顯的提高。聚酯纖維今后在瀝青混凝土中的應(yīng)用前景廣闊。
近幾年來，國內(nèi)道路建設(shè)人員應(yīng)用國外的聚合物纖維，如德國的纖維產(chǎn)品DolanitAS@（德蘭尼特，聚丙烯腈纖維）和美國開發(fā)研制的Bonifiber@（博尼維，聚酯纖維），在進行瀝青路面結(jié)構(gòu)研究、改性瀝青力學(xué)性能研究的同時，對能夠有效地解決常規(guī)瀝青混凝土缺陷的纖維加強瀝青混凝土進行了有效的嘗試¨ ，取得了成效，但進口纖維的價格一直居高不下，在一定程度上限制了纖維的推廣使用。
上海石化滌綸事業(yè)部自1998年起，開發(fā)研制用于道路瀝青路面的聚酯纖維，于2002年形成20kt／a的生產(chǎn)能力，并與國內(nèi)的有關(guān)高等院校、交通科學(xué)研究單位合作進行了纖維瀝青混凝土的工程應(yīng)用研究。目前該纖維產(chǎn)品（金路絲）已經(jīng)用于高速公路和橋梁路面的鋪設(shè)，產(chǎn)品質(zhì)量完全用于高速公路和橋梁路面的鋪設(shè)，產(chǎn)品質(zhì)量完全達到進口質(zhì)量指標(biāo)，且生產(chǎn)成本低，質(zhì)量的穩(wěn)定性好。
1、路用纖維性能的要求
作為路用纖維要求其開始軟化、熔融、裂解的溫度越高越好，以適應(yīng)瀝青混凝土拌制工藝和攤鋪工藝的使用需求；路用纖維應(yīng)該具有較高的拉伸強度，并且在濕態(tài)下也不幅度降低，適宜的斷裂伸長率，并且可回復(fù)伸長率越越好，盡可能高的初始模量。纖維的這些物理機械性能直接影響纖維瀝青混凝土的力學(xué)性能，如：抗裂性能、抗拉性能、水穩(wěn)定性能等；此外，路用纖維還要求在日光和氣作用下具有很好的穩(wěn)定性 .4J.
1.1 對高溫作用的穩(wěn)定性
瀝青混凝土要求在170～180％的高溫下進行拌和，在150％條件下鋪設(shè)和碾壓，因此要求加入瀝青混凝土的纖維必須耐高溫。纖維對高溫作用的穩(wěn)定性可以用纖維的物理機械性能的變化以及高聚物的化學(xué)變化來評價。
聚丙烯的熔點僅176oC，不能滿足瀝青拌和工藝，因此，在目前的道路施工作業(yè)條件下尚不能用于瀝青路面。其它各種合成纖維的熔點基本在200℃以上，理論上具備使用的可能性。盡管聚丙烯腈的熔點在超過200％后不明顯，但是在200％溫度下纖維開始變成棕色，說明聚合體已經(jīng)發(fā)生了熱分解。聚乙烯醇的熱分解也是在溫度達200oC時發(fā)生，這些纖維在應(yīng)用中會受到一定影響。因此從纖維的熱性能可以初步判斷對高溫作用的穩(wěn)定性。在50oC條件下對各種纖維加熱，觀察纖維強度變化，結(jié)果表明：聚酯纖維受熱1000h，強度損失僅50％；聚己內(nèi)酰胺纖維加熱5h就變黃，強度顯著下降，收縮率增加；聚丙烯腈纖維加熱150h，強度也損失了50％以上。說明聚酯纖維的耐熱性最好。
1.2 力學(xué)性能
1.2.1 初始模量
初始模量取決于纖維的超分子結(jié)構(gòu)以及分子間作用力，聚合物剛性越強，纖維越不容易發(fā)生形變；分子間的作用力越，纖維的取向度或結(jié)晶度越高，則初始模量越。聚酯分子鏈具有高度的立構(gòu)規(guī)整性，同時分子鏈中的苯環(huán)與對位酯基是剛性基團，因此聚酯纖維有較高的初始模量。
1.2.2 斷裂強度與斷裂伸長率
由于分子結(jié)構(gòu)決定了聚酯纖維具有較高的斷裂強度，同時又具備適中的斷裂延伸率，滿足了摻人瀝青混凝土的纖維必須具有較高的拉伸強度又具有一定的韌性、能夠承受早晚溫差的熱脹冷縮以及外力沖擊的要求。并且聚酯纖維的吸濕率低，其干、濕態(tài)條件下的斷裂強度幾乎相等，而其它纖維在濕態(tài)條件下則有不同程度的降低。由表2可見，聚己內(nèi)酰胺纖維的濕態(tài)強度是干態(tài)的85％～90％，聚丙烯腈纖維的濕態(tài)強度是千態(tài)的80％～90％。在低溫條件下，聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的強度均有所增，在一100cc時，聚酯纖維的強度可以增50％并且不發(fā)脆。
1.2.3 抗疲勞性
材料被多次重復(fù)施加應(yīng)力如：伸長、壓縮、彎曲、切變后，力學(xué)性能發(fā)生衰減或破壞即材料會發(fā)生疲勞。聚酯纖維和聚己內(nèi)酰胺纖維承受應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)而不斷裂的次數(shù)最高，因此耐疲勞強度明顯好于其他纖維。另外，纖維的彈性恢復(fù)也能表征疲勞強度，彈性回復(fù)率高則表示抗疲勞強度也高。
1.3 在日光和氣作用下的穩(wěn)定性
作為瀝青路面的攤鋪材料需要長期曝露在日光及氣中，因此抗紫外以及對氣作用的穩(wěn)定性影響著材料的使用壽命。聚丙烯腈纖維具有優(yōu)良的耐光和耐氣候性。聚酯纖維和聚乙烯醇纖維在日光下長期曝曬，強度幾乎不降低，也是很好的耐光和耐氣候材料。
2、上海石化公司路用聚酯纖維的特性
由于生產(chǎn)超短纖維的技術(shù)比較特殊，世界上真正掌握纖維超短生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)并不多。上海石化公司通過采用比較特殊的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)出用于瀝青混凝土中的聚酯纖維（金路絲），其采取了造紙業(yè)用不完全相同的技術(shù)方法，突出了纖維的應(yīng)用特性要求和熱穩(wěn)定性等特殊的質(zhì)量要求。
2.1 金路絲的力學(xué)性能
金路絲的外觀為束狀單纖維，色澤為白色，無卷曲，單纖維的橫截面呈圓形，纖維的表面光滑，兩端有觸角，有利于與瀝青集料混合。金路絲具有良好的耐酸性，耐弱堿性也較好，但不耐強堿。對漂白劑一類氧化劑也具有良好的穩(wěn)定性。不受微生物（蛀蟲、霉菌等）的作用。具有很好的耐光性和對氣的穩(wěn)定性。
作為瀝青混凝土加強材料，聚酯超短纖維必須單根獨立狀態(tài)均勻地存在于瀝青混凝土中，以致達到賦予混合料內(nèi)聚力之目的。如果呈束狀存在于瀝青混合料中不僅達不到加強作用，反而會成為薄弱環(huán)節(jié)。金路絲是束狀單根纖維，由于纖維的表面經(jīng)過特殊的親油性處理，在介質(zhì)中具有良好的分散性，因此在摻人瀝青混凝土后能夠迅速地均勻分散，同時與瀝青又有很好的親和性。
金路絲的拉伸強度為500～1200MPa；由于聚酯纖維的吸濕性比較低，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下僅0.4％，濕態(tài)強度和干態(tài)強度基本相同，耐沖擊強度很高；在低溫條件下強度會有所增，即使在一 100cc條件下，強度約增50％，纖維也不會發(fā)脆。聚酯纖維的初始模量較高，因此在承受外力負(fù)荷時不易發(fā)生變形。金路絲韌性非常好，不容易拉斷，可以承受很外力負(fù)荷及拉伸應(yīng)變。其彈性好，在承受碾壓、彎曲和剪切變形時均有很好的彈性回復(fù)，當(dāng)承受瞬間外力后纖維伸長3％時，幾乎可以完全回復(fù)。
2.2 金路絲瀝青混凝土路用性能影響
在瀝青混凝土中加入纖維，由于纖維的吸附作用和微觀加筋作用使瀝青之間的粘滯力增加，延緩了瀝青從礦料表面剝離的速度，因此抵抗水侵蝕的能力增加。瀝青混合料對水的穩(wěn)定性是通過最佳油石比條件下浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度值和凍融劈裂試驗的劈裂強度比來評價。結(jié)果表明，添加了金路絲的瀝青混凝土殘留穩(wěn)定性增加了2.8％，劈裂強度增加了16.45％。對瀝青混凝土進行最佳油石比下的車轍試驗，測得的動穩(wěn)定度能夠很好的反映瀝青路面的耐高溫性能。動穩(wěn)定度試驗是溫度在60~C、輪壓在0.7MPa的條件下進行的，表4反映了瀝青混凝土變形lmm所需要的車輪作用次數(shù)，次數(shù)越多則材料的抗車轍能力越強，顯然，添加纖維的瀝青混凝土車輪作用次數(shù)增加了39.9％。
由于拉伸強度、初始模量、斷裂伸長率均高，檢驗瀝青？昆合料的低溫抗裂性能采用一IO℃條件下小梁彎曲試驗。在彎曲試驗中，材料可以承受的破壞應(yīng)力越說明低溫抗裂性能越好，從表4可見，添加纖維后的瀝青混凝土低溫抗裂能力增強了186.2％。
瀝青路面的抗疲勞性能是采用20~C條件下小梁試件重復(fù)彎曲直至破壞的疲勞壽命。循環(huán)疲勞次數(shù)越高，說明瀝青混凝土的抗疲勞性能越好。從表4可知，加入纖維的瀝青混凝土的抗疲工農(nóng)聯(lián)盟性能增加了61.5％。
綜上所述，添加金路絲對瀝青混凝土路面使用質(zhì)量和耐久質(zhì)量的確起到了明顯的作用。
3、結(jié)論
聚酯纖維是較適宜的纖維瀝青混凝土增強材料，纖維瀝青混凝土提高了瀝青路面的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能、抗疲勞性能及水穩(wěn)定性能。聚酯纖維金路絲具有很好的路用性能，添加0.3％金路絲與不加纖維的瀝青混凝土比較，水穩(wěn)定性的殘留穩(wěn)定性和劈裂強度比、高溫穩(wěn)定性的動穩(wěn)定度及低溫抗裂性能的破壞應(yīng)變等都得到了明顯的提高。聚酯纖維今后在瀝青混凝土中的應(yīng)用前景廣闊。
