[分享]中空聚酯纤维沥青混合料的热阻及路用性能研究

为了研究中空聚酯纤维沥青混合料的热阻特性及路用性能，首先采用HotDisk法和双平板法分别测试纤维沥青胶浆的热物性和中空聚酯纤维沥青混合料的导热系数，然后采用室内光照系统测试中空聚酯纤维沥青混合料表面和内部温度随时间的变化规律，并对中空聚酯纤维沥青混合料的路用性能进行验证，最后基于微观形貌分析其阻热及增韧机理。研究结果表明:掺量为2%的中空聚酯纤维沥青胶浆的导热系数较普通聚酯纤维降低了22.6%;当纤维掺量为0.2%时，30℃下的沥青混合料导热系数较普通沥青混合料减小了0.403W/(m·K);中空聚酯纤维掺量为0.1%，0.2%，0.3%的沥青混合料4cm层位处的降温幅度最大分别为1.1，1.6，2.8℃，8cm层位处的降温幅度最大分别为1.8，2.7，3.8℃，说明中空聚酯纤维具有一定的阻热性能，降低了沥青混合料内部的温度;中空聚酯纤维与沥青和矿粉形成“结构沥青”，显著改善了沥青混合料的高温性能和低温抗裂性能。

道路工程 | 中空聚酯纤维沥青混合料 | 热传导 | 阻热性能 | 路用性能 | 微观形貌

热阻式路面是近年来发展起来的具有缓解城市热岛效应及降低路面车辙病害的新型路面材料，一般通过采用导热系数较小的集料来代替天然石料，研究较为普遍的是陶粒、蛭石及铝矾土类阻热沥青混合料磨耗层［1－6］，这些材料都具有共同的特点—导热系数较小。蛭石作为部分细集料掺加到沥青混合料中，由于蛭石具有层状孔结构，具有一定的弹性，但其强度较低，加入到沥青混合料中，低温性能和水稳定性能降低较多;废弃陶粒一般作为沥青混合料的部分粗骨料，由于陶粒强度不高，与沥青的黏结性较差，其沥青混合料的低温性能和水稳定性能降低较多;铝矾土造价高，水稳定性能略差于普通沥青混合料。因此，有必要探究具有一定阻热性能且提高路用性能的新型材料［7］。

由于沥青混合料中的集料都是由沥青胶浆裹覆，若沥青胶浆具有较低的导热系数，则可以对集料产生天然的保温层，整体降低沥青混合料的导热系数。我国北方大部分地区处于夏炎冬寒地区，对沥青混合料具有较高的高低温性能要求，可通过在沥青混合料中添加纤维稳定剂来改善沥青混合料的高低温性能，常用的纤维材料一般为木质素纤维、矿物纤维和聚酯纤维［8－9］，其中中空聚酯纤维具有耐高温、保温性能好、抗拉强度大等优点，其特殊的孔径结构使其具有较小的导热系数［10］，一般用在航空、纺织用品及保暖材料，用于路面材料的研究较少［11］。若在沥青混合料中掺入具有孔腔结构的中空聚酯纤维，既可以起到普通纤维稳定剂加筋增韧的作用，又可以起到降低沥青混合料导热系数的作用，从而达到降低沥青混合料的内部温度的作用。因此，本研究首先对纤维沥青胶浆热物性参数及中空聚酯纤维沥青混合料的导热系数进行测定，并采用室内试验模拟阳光照射时中空聚酯纤维沥青混合料的阻热性能，最后验证中空聚酯纤维沥青混合料的路用性能，并基于微观形貌对其阻热及增韧机理进行分析。

原材料

原材料采用KLMY－70#基质沥青，技术指标如表1所示，纤维由仪征市某化纤公司提供的一种普通聚酯纤维和中空聚酯纤维，技术指标如表2所示，粗集料采用玄武岩，细集料和矿粉采用石灰岩，技术指标如表3所示，纤维外观及切面微观形貌如图1所示。

采用马歇尔试验得出AC－13和AC－20型沥青混合料的最佳油石比分别4.8%和4.6%，级配如表4所示，其中AC－13型混合料中掺加不同纤维材料时的最佳油石比提升0.2%～0.35%。

试验方法

(1)纤维沥青胶浆热物性参数测试。试验采用瑞典HotDiskTPS2500S［12－15］测定纤维沥青胶浆的导热系数、热扩散系数和体积热熔。纤维沥青胶浆试件制备时，首先将纤维在60℃的烘箱中烘干1h后，然后把矿粉和纤维(沥青与矿粉比例为1∶0.8，纤维比例占沥青和矿粉总量的0%，1%，2%和3%，相当于纤维占沥青混合料质量的0%，0.1%，0.2%，0.3%)分别缓慢分3次加入到(160±5)℃的沥青中，采用高速剪切装置进行搅拌，剪切速率为1000r/min，剪切时间为20min，以排除浆体内的气泡;成型尺寸为150mm×30mm×15mm的沥青纤维胶浆试件，在20℃下保温4h后测定导热系数，测试如图2所示。

(2)沥青混合料导热系数测试方法。由于沥青混合料为非均质体结构，集料与沥青的导热系数差异较大，现有热传导性能的测试方法通常测试较小尺寸的均质体材料，采用一般方法测试沥青混合料的导热系数变异性较大，因此本研究采用一种自制的基于一维稳态导热原理的双试件平板法［16－18］测试导热系数，双试件平板导热原理示意图和热传导试验装置分别如图3和图4所示，该方法可测试整个车辙板的传热性能。首先成型两块完全相同的掺量为0，0.1%，0.2%，0.3%的中空聚酯纤维沥青混合料车辙试件(300mm×300mm×50mm)，每个试件切面平整光滑，侧边开槽布设温度传感器接头，放置在加热板左右两侧，测试高温环境30，40，50，60℃在恒控温度15℃下的导热系数，平行试验3次，取平均值。

(3)沥青混合料降温性能测试方法。按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)中碾压法成型尺寸为300mm×300mm×90mm的双层车辙板试件，首先成型尺寸为300mm×300mm×50mm的AC－20型沥青混合料车辙板试件，放置48h后脱模，在尺寸为300mm×300mm×100mm的试模中放置300mm×300mm×10mm的垫块后，将成型的AC－20车辙板放入试模中，在AC－20车辙板上方成型尺寸为300mm×300mm×40mm的AC－13型沥青混合料车辙板，其中AC－13型沥青混合料纤维掺量为沥青混合料质量的0，0.1%，0. 2%，0. 3%。温度传感器探头埋设在车辙表面、4 cm深处和8 cm 深处的正中间位置，如图5 所示。

试验前打开温度自动记录装置，将试件置于40℃的环境箱中，打开白炽灯，照射强度模拟太阳光照射，光照系统如图6所示。照射时间为上午9:00至下午17:00。

(4)沥青混合料路用性能测试。路用性能按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验和小梁弯曲试验进行评价。

(5)微观形貌测试切割厚度不超过1cm的中空聚酯纤维沥青混合料样品，采用QuantaFEG250场发射环境扫描电子显微镜对其微观形貌进行观测。

纤维沥青胶浆热物性

对纤维沥青胶浆的导热系数、热扩散系数和体积热熔进行测试，其中导热系数表示单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，导热系数越小，在相同的温度梯度下传导的热量较少;热扩散系数表征材料中温度传播的速率;而体积热熔表示1m3质量的物体温度升高(或降低)1K时所吸收(或放出)的热量。测试结果如表5所示。

从表5可知，随着纤维用量的增加，中空聚酯纤维沥青胶浆的导热系数逐渐减小，热扩散系数逐渐减小，体积热熔逐渐增大。当纤维掺量为2%时，较无纤维的沥青胶浆的导热系数降低了15.0%，较普通聚酯纤维沥青胶浆的导热系数降低了22.6%。由于中空聚酯纤维具有空心结构，当中空聚酯纤维作为填料加入沥青中时，中空纤维均匀分散于沥青胶浆中，相当于在沥青中引入无数均匀的闭合微孔，而空气的导热系数较小为0.026W·(m·K)^－1，阻碍了热量的传递，所以中空聚酯纤维沥青胶浆的导热系数较其他纤维较小，由于中空聚酯纤维沥青胶浆的热扩散系数较小，即升高相同温度所用时间增长，说明中空聚酯纤维具有一定的阻热效果。

沥青混合料导热系数

当纤维掺量为0，0.1%，0.2%，0.3%时，中空聚酯纤维沥青混合料导热系数在温度30，40，50，60℃下的变化规律如表6所示。

从表6可知，中空聚酯纤维沥青混合料的导热系数较普通沥青混合料较小，随着中空聚酯纤维掺量增加，沥青混合料导热系数逐渐减小。同一掺量下，随着温度的升高沥青混合料的导热系数逐渐增加，而随着中空纤维掺量的增加，沥青混合料的导热系数随温度变化幅度逐渐减小。当纤维掺量为0.2%和0.3%时，其导热系数差别较小，综合经济和导热性能，最终选定中空聚酯纤维掺量为0.2%;当纤维掺量为0.2%时，30℃下的导热系数减小了0.403W/(m·K)。可见，一方面由于中空纤维特有的腔体结构，相当于在沥青中引入无数微小的空气微孔，而空气的导热系数较小，为0.026W/(m·K)，中空纤维与沥青之间形成隔热层阻止沥青混合料表面吸收的热量向内部传递;同时，由于中空聚酯纤维的掺入增加了沥青用量，而沥青的导热系数明显低于集料的导热系数;另一方面加入中空聚酯纤维后的沥青混合料的空隙率较普通沥青混合料略有增加，但变化不大，空隙率小幅度的变化虽然对中空聚酯纤维沥青混合料导热系数的降低起到了部分作用，但不可能引起中空聚酯纤维沥青混合料导热系数的大幅度较低。综上所述，中空聚酯纤维的加入、沥青用量增加和空隙率的变化这三方面综合因素使中空聚酯纤维沥青混合料的导热系数显著降低。

阻热性能

中空聚酯纤维掺量为0，0.1%，0.2%，0.3%，测试上表面、距上表面4cm和距上表面8cm处的温度变化规律，如图7所示。

从图7可知:随着中空聚酯纤维掺量的增加，沥青混合料表面温度有所升高，当中空聚酯纤维掺量为0.1%，0.2%，0.3%时，平均升温幅度分别为1.1，1.76，3.0℃;沥青混合料内部温度随着中空聚酯纤维掺量的增加而逐渐降低，中空聚酯纤维掺量为0.1%，0.2%，0.3%的沥青混合料4cm层位处的降温幅度最大分别为1.1，1.6，2.8℃，8cm层位处的降温幅度最大分别为1.8，2.7，3.8℃。这说明导热系数较小的中空聚酯纤维虽然使沥青路面表面温度提高，但可降低沥青混合料的内部温度，起到一定的阻热效果。由于沥青路面的车辙一般产生于中面层即距路表4cm左右的位置，当此处层位的混合料温度降低2～3℃，可减少路面因高温引发的病害，减缓沥青路面的不利热效应。

路用性能

普通聚酯纤维和不同掺量下的中空聚酯纤维沥青混合料路用性能测试结果如表7所示。

从表7可知:在沥青混合料中掺加聚酯纤维后，路用性能均提高。当中空聚酯纤维掺量为0.2%时，其残留稳定度、冻融劈裂强度比，和最大弯拉应变达到了最大值，四者分别提高了3.1%，5.0%，36.8%，29.0%。试验结果表明纤维的加入显著提高了沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性能。

基于微观形貌的阻热及增韧机理分析

（1)中空聚酯纤维沥青混合料微观结构表征。采用SEM观测中空聚酯纤维沥青混合料中胶浆处的微观形貌，如图8所示。

从图8可知，中空聚酯纤维在沥青混合料中分散性能较好，纤维互相搭接胶联在一起，表面包裹有大量的沥青及矿粉，形成了具有一定强度的“结构沥青”。

（2）热阻机理。根据材料的热传导一般定律－傅里叶热传导基本定律:

式中，Q为单位时间通过面积A的导热热流量;λ为导热系数，t/δ为温度梯度。这说明材料的热流量与导热系数具有密切的关系，当材料的导热系数降低，其热传导能力下降。

从图9可知，由于中空聚酯纤维单丝具有管状空腔结构，这种空腔结构内部储存有空气。当热量延纤维传递时，沿纤维纵向的热流量由q2，q3，q4组成，沿纤维横向的热流量为q1。由于空气的导热系数远远小于纤维实体的导热系数，所以空腔内的热流量q3远小于纤维实体的热流量q2，q1的热流量也远小于纤维实体的热流量。空腔结构既延长了热量传递的路径，又减少了热量传递的速率。从图7中可知，沥青混合料中均匀分布的中空聚酯纤维与沥青和矿粉形成“结构沥青”，它由纤维、沥青和矿粉组成，与纤维沥青胶浆组成基本一致。由于集料的密度约为沥青密度的2.6倍，可知，“结构沥青”约占沥青混合料体积的20%左右。

2.2节中对中空聚酯纤维沥青胶浆的导热系数测试发现，当中空聚酯纤维掺量为2%时，较无纤维的沥青胶浆的导热系数降低了15.0%，较普通聚酯纤维沥青胶浆的导热系数降低了22.6%。当沥青混合料表面温度升高时，热量向下传递，由于中空聚酯纤维降低了“结构沥青”的导热系数，阻碍热量向混合料内部传递，从而达到了热阻作用。

（3）增韧机理。由于聚酯纤维的化学成分为从石油中提炼的聚对苯二甲酸，成分与沥青材料相似，根据界面相似相容原理，中空聚酯纤维与沥青界面可能会发生一定程度的界面效应，吸附沥青中的部分轻质组分，固结较多的沥青和矿粉，形成具有一定强度的结构沥青，且由于中空聚酯纤维本身具有较大的抗拉强度和低温拉伸性能，加入纤维后可提高沥青混合料的抗拉屈服强度，从而使沥青混合料的抗裂性能提高。一方面，中空聚酯纤维固有的空心腔体结构使沥青混合料的导热系数减小，从而降低沥青混合料内部的温度，可减缓环境的不利热效应;另一方面，纤维可增加沥青的黏度并且提高沥青混合料的弹性模量。这两方面综合提高了沥青混合料的高温稳定性能。纤维的加入，增加了沥青混合料的最佳油石比，增加了沥青混合料的沥青膜厚度，使纤维和沥青、矿粉之间形成较厚的“结构沥青”，水需要较大的界面能才能使沥青从石料表面剥离，提高了沥青混合料的水稳定性。

(1)纤维掺量为2%的中空聚酯纤维沥青胶浆较普通沥青胶浆的导热系数降低了15.0%，较普通聚酯纤维沥青胶浆的导热系数降低了22.6%;当中空聚酯纤维掺量为0.2%时，30℃下沥青混合料的导热系数较普通沥青混合料减小了0.403W/(m·K)。

(2)中空聚酯纤维掺量为0.1%，0.2%，0.3%的沥青混合料4cm层位处的降温幅度最大分别为1.1，1.6，2.8℃，8cm层位处的降温幅度最大分别为1.8，2.7，3.8℃，说明中空聚酯纤维具有一定的阻热效果。

(3)当中空聚酯纤维掺量为0.2%时，沥青混合料残留稳定度、冻融劈裂强度比、和最大弯拉应变达到了最大值。由于中空聚酯纤维与沥青、矿粉形成了“结构沥青”，沥青混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度和最大弯拉强度分别提高了3.1%，5.0%，36.8%，29.0%。