瀝青路面用聚酯纖維的發(fā)展

瀝青路面用聚酯纖維的發(fā)展

中國(guó)約90%的高速公路采用瀝青路。但是隨著交通量逐年增加,車(chē)載加重,普通的瀝青路面就會(huì)出現(xiàn)車(chē)轍、疲勞開(kāi)裂、溫度收縮裂縫等危害。延長(zhǎng)路面的使用壽命、提高路面的使用品質(zhì)和降低路面的維護(hù)成本,成為道路和研究部門(mén)努力要解決的問(wèn)題。對(duì)普通瀝青進(jìn)行物理化學(xué)改性如橡塑改性瀝青、纖維改性瀝青等,有效地提高了瀝青路面的服務(wù)年限。作者綜述了路面用聚酯纖維生產(chǎn)、改性瀝青的性能和使用情況。1瀝青用聚酯纖維近年來(lái)發(fā)現(xiàn),在瀝青混凝土中加入纖維材料能極大地改善瀝青混凝土整體物理力學(xué)性能。自20世紀(jì)70年代末以來(lái),歐美等一些國(guó)家對(duì)瀝青路面用聚酯纖維進(jìn)行了較為深入的研究。其中代表性工作如美國(guó)Kapejo公司的博尼維(BoniFiberR)路用聚酯纖維,這是一種適合于瀝青混凝土加強(qiáng)筋用的、且經(jīng)表面特殊處理聚酯纖維。20世紀(jì)90年代我國(guó)由西安博賽特公司引入該產(chǎn)品,已應(yīng)用在諸如南京第二長(zhǎng)江大橋、南京新秦淮河大橋、河北石黃高速公路等瀝青路、橋面工程。此外美國(guó)Fiber-AdA1聚酯纖維、GoodRoad聚酯纖維、美國(guó)希爾兄弟化工公司的DuraPET-Fiber等在國(guó)內(nèi)工程上也有一定的應(yīng)用。我國(guó)在瀝青用聚酯纖維和聚酯纖維改性瀝青的應(yīng)用研究起步較晚。據(jù)報(bào)道,目前瀝青用聚酯纖維生產(chǎn)單位有中國(guó)石油化工股份公司上海石化公司滌綸廠(chǎng)、寧波大成新材料股份有限公司、泰安同伴工程塑料有限公司、北京中紡纖建科技有限公司、常州市天怡工程纖維有限公司等,其中上海石化公司研制的滌綸粗旦超短纖維“金路絲”已試用于南京市寧丹公路的維修、南通海港一號(hào)橋橋面鋪設(shè)、張家港至太倉(cāng)的沿江高速公路等路面施工建筑中。2道路采用聚酯纖維及其改性瀝青2.1聚酯路用纖維紡絲工藝瀝青用聚酯纖維在后處理時(shí)增加纖維表面親油性工序,以達(dá)到纖維在瀝青中的均勻分散,以及增加抗老化處理步驟,保證能夠耐久地應(yīng)用在瀝青路面上。瀝青用聚酯纖維的主要物理性能見(jiàn)表1,與紡織用纖維相比,其線(xiàn)密度較大,斷裂強(qiáng)度較高。國(guó)內(nèi)聚酯路用纖維紡絲工藝主要有以下兩種:(1)短纖維生產(chǎn)方法,如寧波大成材料有限公司專(zhuān)利(CN1467315)生產(chǎn)工藝;(2)長(zhǎng)纖維生產(chǎn)法,紡絲-拉伸一步法高速紡絲工藝紡絲速度快,生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)成本低。如上海石化公司滌綸廠(chǎng)的超短聚酯路用纖維生產(chǎn)方法。目前,國(guó)內(nèi)也有采用常規(guī)紡絲-拉伸兩步法生產(chǎn)。2.2改善聚酯纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu),改性瀝青瀝青是一個(gè)膠體分散體系,在瀝青中加入纖維時(shí),如果纖維與瀝青組分之間具有良好的相容性,纖維在瀝青中可均勻分散,并可得到性質(zhì)優(yōu)良的改性瀝青。工程上,一般聚酯纖維占瀝青混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.75%。混合料的拌合時(shí),當(dāng)?shù)V料達(dá)到規(guī)定溫度后加入纖維并干拌,拌合時(shí)間不少于200s,然后加入瀝青,混合攪拌40～600s左右,直至拌合均勻,得混合料。但由于瀝青組分與聚酯纖維存在著相對(duì)分子質(zhì)量、化學(xué)組成、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的差異,熱力學(xué)上它們屬于不相容體系。此外,由于聚酯纖維長(zhǎng)徑比大,造成在瀝青中的混合分散困難。改變纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)纖維與瀝青的結(jié)合。美國(guó)專(zhuān)利US4297414通過(guò)對(duì)纖維表“起皺”和“壓紋”處理來(lái)增加纖維與瀝青的接觸面積,達(dá)到改善纖維在瀝青中的分散效果。但是纖維表面物理變形的方法會(huì)導(dǎo)致纖維的剛度下降、增加了“纖維球”產(chǎn)生的概率。因而,美國(guó)專(zhuān)利US6197423使用機(jī)械方法周期性壓扁圓截面纖維,以獲得沿纖維軸向有可變的寬度或厚度、且表面粗糙和無(wú)應(yīng)力缺陷的纖維,從而減小“纖維球”產(chǎn)生的概率,改進(jìn)纖維與瀝青的粘結(jié)性,保證纖維的均勻分散。EP0494326中基于聚烯烴與瀝青有良好的相容性,生產(chǎn)出聚烯烴/聚酯皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合纖維,達(dá)到改善聚酯纖維分散與混合的目的。王依民等發(fā)明了中空共聚酯纖維,由于其較大的比表面積、中空腔的存在,大大改善了纖維在瀝青中的可分散性。通過(guò)偶聯(lián)劑或表面活性劑對(duì)纖維表面進(jìn)行化學(xué)改性來(lái)改善纖維表面與基體的結(jié)合。美國(guó)專(zhuān)利US5753368在纖維表面上涂敷特殊的乙二醇醚表面活性劑,來(lái)改善纖維表面與混凝土的結(jié)合力,使纖維更好的分散在混凝土中。但纖維與瀝青界面間表面活性劑的存在可能會(huì)產(chǎn)生氣泡,對(duì)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)、瀝青混凝土的整體性能以及使用壽命有影響。德國(guó)等歐洲一些國(guó)家先預(yù)制纖維瀝青混合母料,然后再進(jìn)行瀝青混凝土的混合料制備。美國(guó)則使用專(zhuān)門(mén)設(shè)備添加纖維,將纖維直接投到連續(xù)式拌合機(jī)中,可以精確地添加并使纖維均勻地分散在瀝青混凝土中。另外,US5224774在間歇式拌合機(jī)中直接投入經(jīng)預(yù)分散處理的纖維包裝袋,隨著包裝袋被攪拌粉碎,纖維逐漸分散,分散后混凝土中沒(méi)有出現(xiàn)直徑大于1.27cm“纖維球”,纖維分散效果好。2.3纖維含量對(duì)改性瀝青拉伸性能的影響瀝青的軟化點(diǎn)和粘度越高,則意味著瀝青的高溫穩(wěn)定性越好,在荷載作用下彈性恢復(fù)好,抵抗車(chē)轍、擁包變形的能力增加。當(dāng)添加聚酯纖維時(shí),縱橫交錯(cuò)的聚酯纖維吸附了瀝青中的飽和烴和芳香烴,使得瀝青質(zhì)量增加,增大了瀝青材料的內(nèi)聚力,使得改性瀝青的粘性增大、軟化點(diǎn)提高;同時(shí)由于聚酯纖維柔軟地相互纏結(jié),形成均勻分散在瀝青中數(shù)量巨大、三維分布的纖維網(wǎng),充分發(fā)揮其“橋接”和“加筋”作用,這也使瀝青的軟化點(diǎn)迅速提高。當(dāng)聚酯纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0.3%時(shí),由于纖維開(kāi)始形成局部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致粘度增加5～8倍。纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.4%時(shí),導(dǎo)致改性瀝青的復(fù)數(shù)模量急劇增加,損耗角正切值急劇下降,說(shuō)明纖維在瀝青中形成了連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)受到外界載荷時(shí)形變更容易恢復(fù),改性瀝青更抗車(chē)轍。添加纖維的含量越多,纖維與瀝青可承擔(dān)的負(fù)載越大,因此拉伸強(qiáng)度隨纖維含量的增加而增大;但當(dāng)纖維超過(guò)臨界含量時(shí),纖維之間會(huì)發(fā)生纏結(jié)導(dǎo)致纖維與纖維間的相互作用增大,產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)數(shù)模量下降,剛度隨纖維含量的增加而下降。2.4聚酯纖維瀝青混凝土用于鋪筑道路面層的瀝青混凝土由瀝青、粗細(xì)集料和礦粉混合組成,其性能由瀝青材料的性能、集料級(jí)配、瀝青與集料的配合比所決定。由于聚酯纖維可以吸附瀝青、增大瀝青用量,且低溫時(shí)纖維仍有很好的柔軟性以及穩(wěn)定加強(qiáng)作用,使聚酯纖維改性瀝青混凝土的物理力學(xué)性能得到改善。文獻(xiàn)對(duì)摻入菲特爾德A1聚酯纖維和未摻纖維混凝土進(jìn)行對(duì)比馬歇爾實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的穩(wěn)定度從10.62kN提高到15.2kN,高溫穩(wěn)定性得到改善。彭波等按混凝土總質(zhì)量0.3%的比例加入纖維進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于聚酯纖維能對(duì)路面起到“加筋”和“橋接”穩(wěn)定作用,聚酯纖維瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度可以提高65%。聚酯纖維在低溫下仍呈柔性,斷裂伸長(zhǎng)率在30%左右,抗變形能力強(qiáng),摻入到瀝青中可提高其拉伸能力,在晝夜溫差熱脹冷縮及外力沖擊等影響下,聚酯纖維瀝青混凝土可以承受很大的拉伸變形。陳華鑫等利用-10℃下彎曲蠕變?cè)囼?yàn)研究表明:AC-16I級(jí)配的瀝青混凝土加入聚酯纖維后的抗彎拉強(qiáng)度增大了10%,破壞應(yīng)變?cè)龃罅?%,瀝青混凝土的低溫抗裂性能得到加強(qiáng)。郭乃勝等人探討了聚酯纖維瀝青混凝土的低溫抗裂機(jī)理,發(fā)現(xiàn)由于加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%聚酯纖維后,混凝土的脆化點(diǎn)溫度從-10℃下降到-20℃,低溫抗裂性能得到增強(qiáng)。瀝青路面在雨水的浸蝕下,瀝青與集料的粘結(jié)性降低,瀝青膜從集料表面剝離,瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性受到破壞,出現(xiàn)瀝青路面的水損害。Freeman通過(guò)研究不同長(zhǎng)度、直徑及添加量的聚酯纖維改性瀝青混凝土的干、濕狀態(tài)下的拉伸強(qiáng)度,試驗(yàn)得出:加入纖維后瀝青混凝土的干態(tài)拉伸強(qiáng)度有所降低,主要是由于纖維在混凝土中分散不均勻?qū)е吕w維纏結(jié)形成“缺陷”;而纖維直徑越粗,長(zhǎng)度越短,越容易分散均勻,可以減少這種“缺陷”。而加入纖維后瀝青混凝土的濕態(tài)拉伸強(qiáng)度卻比未加纖維的有所增加,主要是因?yàn)榧尤刖埘ダw維后,由于增大了瀝青用量,使得瀝青與集料間的粘結(jié)性增加,且粘附在集料表面的瀝青膜增厚,降低了水對(duì)瀝青及集料的破壞,從而改善瀝青路面的水穩(wěn)定性。Putman等比較加入聚酯纖維瀝青混凝土干、濕狀態(tài)下的拉伸強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)纖維瀝青混凝土的損失強(qiáng)度比只有0.2%。張爭(zhēng)奇等對(duì)加入BoniFiber后瀝青混凝土進(jìn)行馬歇爾殘留穩(wěn)定度對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:加入聚酯纖維的瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度從85%提高到91.2%,水穩(wěn)定性明顯得到改善。3改變?cè)械墓I(yè)絲工藝,增強(qiáng)產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量目前國(guó)內(nèi)聚酯纖維應(yīng)用主要集中在紡織領(lǐng)域,應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域較少。市場(chǎng)上紡織用聚酯短纖維品種中,毛型短纖維優(yōu)等品在單絲線(xiàn)密度和斷裂伸長(zhǎng)率上基本滿(mǎn)足路用纖維性能指標(biāo),但拉伸強(qiáng)度略低于路用纖維性能指標(biāo)。滌綸縫紉線(xiàn)、強(qiáng)力棉型等聚酯短纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到要求,但纖維線(xiàn)密度偏小,不符合聚酯纖維路用標(biāo)準(zhǔn)。因此不能以市場(chǎng)上普通聚酯短纖維代替瀝青專(zhuān)用纖維應(yīng)用在道路建設(shè)中。在聚酯紡織纖維中,普通紡、FDY高速紡等聚酯纖維的抗拉強(qiáng)度和單絲線(xiàn)密度都偏低;而聚酯工業(yè)長(zhǎng)絲的拉伸強(qiáng)度和單絲線(xiàn)密度都能滿(mǎn)足要求,但斷裂伸長(zhǎng)率偏低,且價(jià)格沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。因此,建議改進(jìn)現(xiàn)有聚酯紡織纖維生產(chǎn)工藝、特別是長(zhǎng)絲FDY工藝,比如在紡絲后拉伸過(guò)程中采取多級(jí)拉伸,加大拉伸倍數(shù);同時(shí)要增加纖維表面處理過(guò)程,以改善纖維與瀝青的相容性。在聚酯纖維改性瀝青結(jié)構(gòu)性能方面,盡管已對(duì)聚酯纖維改性瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐疲勞性等宏觀(guān)性能有初步的研究,然而對(duì)于