摘 要：以长度2 mm～6 mm的短切碳纤维和沥青为原料制备了10组碳纤维沥青混合料，对不同碳纤维掺量和碳纤维长度的沥青混合料进行了配合比设计，研究了碳纤维掺量和碳纤维长度对最佳油石比下碳纤维沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响。结果表明：在沥青混合料中加入碳纤维有助于提升动稳定度，增加抗弯拉强度、最大弯拉应变和冻融劈裂强度比，并减小弯曲劲度模量；碳纤维沥青混合料中适宜的碳纤维掺量为1.0%、碳纤维长度为4 mm,此时碳纤维可以在混合料中形成均匀分散的三维交织结构，对沥青混合料起到增强增韧的作用，提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。
关键词：沥青混合料;路用性能;碳纤维;掺量;长度;
基金：2021年甘肃省高等学校创新基金项目，项目编号2021A-126;甘肃省教育科学“十三五”规划2020年度课题，项目编号GS[2020]GHB4803;庆阳市科技成果转化资金项目，项目编号FT2019-05;
沥青路面是一种采用沥青和矿质材料为原料铺筑而成的路面，具有良好的抵抗行车和抵御自然环境侵害的特性[1]。铺筑后沥青路面经久耐用、平整且不透水，是目前我国公路最为广泛采用的路面形式。随着沥青路面的不断普及，交通运输量和载重量的增加，以及外界自然环境的变化，沥青路面在使用过程中不断出现表面破损和开裂等现象[2]。这在增加公路的维护成本的同时，严重影响了正常的交通运输效能，因此有必要对现有的沥青混合料进行改性以提高其路用性能[3]。碳纤维作为一种含碳量90%以上的低密度、高强度和高模量的纤维，其优异的物理力学性能使得其可作为沥青混合料的外掺改性剂而改善沥青路面的路用性能。然而，目前碳纤维的应用主要集中在织物与树脂、金属和陶瓷基复合材料中[4],在沥青混合料中的应用研究报道较少，碳纤维在沥青混合料中的具体作用机理也不清楚[5,6,7]。本文系统考察了碳纤维掺量和碳纤维长度对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响，结果将有助于路用性能的碳纤维沥青混合料的开发及推动其在实际路面工程中的应用。
试验原料包括：克拉玛依90号沥青(针入度为87(0.1 mm)、软化点为45.6 ℃、延度为165 cm);石灰岩集料(石料压碎值为18.4 %、洛杉矶磨耗损失为20.7%、表观密度为2.859 g/cm3、吸水率0.59%、针片状颗粒含量为3.8%);磨细石灰岩矿粉(表观密度为2.69 g/cm3、含水量为0.429 %、粒度<0.6 mm含量为100%、粒度<0.15 mm含量为97.8%、粒度<0.075 mm含量为95.1%、亲水系数0.313);长度分别为2 mm、4 mm 和6 mm的TO300B-1000型黑色丝束状短切碳纤维(直径为7 μm、密度为1.75 g/cm3,拉伸强度为3 540 MPa、拉伸模量为228 GPa、断后伸长率为1.6%、细度为68 g/1 000 m、热膨胀系数为-0.41×10-6/℃)。
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011),设计了10组不同碳纤维掺量和碳纤维长度的试件(AC-13级配),如表1所示。碳纤维沥青混合料试件的制备过程主要包括：配料、烘料(170℃)、掺料(加入掺量为0～1.5%,长度为2 mm、4 mm和6 mm的碳纤维)、搅拌锅混料(165℃、1.5 min)、加入基质沥青、搅拌锅混料(165℃、1.5 min)、加入适量矿粉、搅拌锅混料(165℃、1.5 min)、装入标准马歇尔试件模具(ϕ101.6 mm×63.5 mm)、双面击实成型和冷却脱模。每组混合料先分别以4.2%、4.5%、4.8%、5.1%和5.4%的油石比成型马歇尔试件，再测试不同试件的马歇尔指标(毛体积密度、饱和度、稳定度等)并确定最佳油石比[8]。在最佳油石比条件下采用相同的流程制备车辙试件(300 mm×300 mm×50 mm)和马歇尔试件。
表1 碳纤维沥青混合料试件 导出到EXCEL
碳纤维掺量/%
0
0.5
1.0
1.5
碳纤维长度/mm
-
2
4
6
2
4
6
2
4
6
高温稳定性(动稳定度):车撤试件预先进行60 ℃保温5 h的热处理，然后在HYCZ-5全自动沥青混合料车辙试验机上进行动稳定度测试；胶轮以0.7 MPa压力、21次/min的速度在车辙试件上往返运动，持续60 min后按照JTG E20-2019计算动稳定度[9]。
低温抗裂性(小梁低温弯曲试验):车辙试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm, 在-10℃温湿度试验箱中保温1 h后取出，在电子万能拉力机上进行跨径为200 mm、加载速率为25 mm/min的三点弯曲加载试验。
水稳定性(冻融劈裂试验):马歇尔试件双面击实50次，第一组试件进行常规劈裂强度(Rn)测试，第二组试件进行-18℃保温16 h+ 60℃温水浸泡24 h的冻融处理后再测试劈裂强度(Rd),并计算冻融劈裂强度比TSR=Rd×100%/Rn。
碳纤维沥青混合料试样经过清洗和吹干后，采用IT-500型钨灯丝扫描电镜进行观察。
表2为最佳油石比下碳纤维沥青混合料的马歇尔试验结果，分别列出了未掺加碳纤维和不同碳纤维掺量的沥青混合料最佳油石比、毛体积密度、矿料间隙率、沥青饱和度、空隙率、稳定度和流值。最佳油石比下碳纤维沥青混合料的空隙率(3%～5%)、矿料间隙率(≥14%)、沥青饱和度(65%～75%)、稳定度(≥8 kN)和流值(20～40)都符合JTG F40-2004标准的要求。
表2 最佳油石比下碳纤维沥青混合料的马歇尔试验结果 导出到EXCEL
碳纤维掺量%碳纤维掺量%
碳纤维长度mm碳纤维长度mm
最佳油石比%最佳油石比%
毛体积密度g/cm3毛体积密度g/cm3
矿料间隙率%矿料间隙率%
沥青饱和度%沥青饱和度%
空隙率%空隙率%
稳定度kN稳定度kΝ
流值0.1mm流值0.1mm
0
-
4.81
2.525
14.75
73.00
4.2
10.6
30.6
0.5
2
4.88
2.575
14.26
74.11
4.1
11.1
31.3
4
4.97
2.553
15.06
75.11
3.9
11.9
32.5
6
4.95
2.550
14.91
75.41
4.0
11.6
27.7
1.0
2
4.92
2.561
14.54
69.62
4.0
11.8
34.2
4
5.03
2.545
15.18
75.11
3.7
12.7
37.0
6
5.01
2.540
15.31
74.31
3.8
12.3
31.4
1.5
2
4.91
2.559
14.63
74.61
4.0
11.5
29.4
4
4.99
2.551
15.00
73.31
3.8
11.7
32.3
6
4.97
2.520
15.88
80.11
3.9
11.0
29.6
从最佳油石比测试结果看，掺加碳纤维的沥青混合料最佳油石比相较未掺加碳纤维的沥青混合料要大，这主要与掺加碳纤维可以对沥青起到一定吸附和稳定作用有关。在相同碳纤维掺量下，当碳纤维长度从2 mm增加至6 mm时，碳纤维沥青混合料的最佳油石比先增大后减小，在碳纤维长度为4 mm 时取得最大值；当碳纤维长度相同时，随着碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%,碳纤维沥青混合料的最佳油石比先增大后减小，在碳纤维掺量为1.0%时取得最大值。这主要是因为碳纤维掺量和碳纤维长度较小时，沥青混合料中的碳纤维分散性较好，有助于对沥青浆料起到吸附和稳定作用[10],最佳油石比会相较未掺加碳纤维的沥青混合料增大；当碳纤维掺量或者碳纤维长度过大时，碳纤维在沥青混合料中会出现局部缠结，对沥青浆料的吸附和稳定作用减弱[11],最佳油石比随之减小。
从空隙率测试结果看，掺加碳纤维的沥青混合料空隙率都小于未掺加碳纤维的沥青混合料，且在相同碳纤维掺量下，随着碳纤维长度从2 mm增加至6 mm, 碳纤维沥青混合料的空隙率先增小后减大，在碳纤维长度为4 mm时取得最小值；当碳纤维长度相同时，随着碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%,沥青混合料的空隙率先减小后增大。当碳纤维掺量为1.0%、碳纤维长度为4 mm时碳纤维沥青混合料的空隙率最小，结构最为密实。
从稳定度测试结果看，掺加碳纤维的沥青混合料稳定度都大于未掺加碳纤维的沥青混合料，且在相同碳纤维掺量下，随着碳纤维长度从2 mm增加至6 mm, 碳纤维沥青混合料的稳定度先增大后减小，在碳纤维长度为4 mm时取得最大值；当碳纤维长度相同时，随着碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%,沥青混合料的稳定度先增大后减小。当碳纤维掺量为1.0%、碳纤维长度为4 mm时碳纤维沥青混合料的稳定度最大(12.7 kN)。这主要是因为碳纤维在沥青混合料中可以桥接集料、形成网状结构从而起到加筋稳定的作用[12]。但是如果碳纤维掺量以及长度过大，碳纤维会在沥青混合料中发生局部缠结，分散性降低的同时产生局部应力集中，使稳定度反而降低。
表3为碳纤维沥青混合料的高温稳定性，分别列出了碳纤维长度2 mm、4 mm和6 mm时的动稳定度测试结果。未添加碳纤维时(0),沥青的动稳定度为898次/mm; 当掺加不同长度碳纤维后，随着碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%,沥青混合料的动稳定度都呈现先增大后减小的特征，在碳纤维掺量为1.0%时取得动稳定度最大值；从碳纤维长度对碳纤维沥青混合料动稳定度的影响来看，碳纤维掺量为0.5%、1.0%和1.5%时，碳纤维沥青混合料的动稳定度会随着碳纤维长度增加而先增大后减小，碳纤维长度为4 mm时取得最大值。此外，掺加碳纤维的沥青混合料动稳定度都要明显高于未添加碳纤维时(0)的沥青混合料。可见，碳纤维长度和碳纤维掺量都会对沥青混合料的动稳定度产生明显影响，且碳纤维长度为4 mm、碳纤维掺量为1.0%时碳纤维沥青混合料的动稳定度达到最大值(1 361次/mm),相较于未添加碳纤维时(0)的沥青混合料提高约51.56%。究其原因，主要是因为分散性好的碳纤维在沥青混合料中可以起到增强高温稳定性的作用[13],且增强作用会随着碳纤维掺量增加而增大；但是过量的碳纤维会造成沥青混合料中的碳纤维发生缠绕团聚，局部产生应力集中而降低高温稳定性。
表3 碳纤维沥青混合料的高温稳定性 导出到EXCEL
碳纤维
掺量/%
动稳定度/(次/mm)
碳纤维长度2 mm
碳纤维长度4 mm
碳纤维长度6 mm
0
898
898
898
0.5
1 019
1 113
1 037
1.0
1 269
1 361
1 343
1.5
1 146
1 232
1 121
表4为碳纤维沥青混合料的低温抗裂性能。对于未掺加碳纤维的沥青混合料，抗弯拉强度(Rm)、最大弯拉应变(εB)和弯曲劲度模量(MB)分别为11.00 MPa、2 915×10-6με和3 786 MPa; 当碳纤维掺量为0.5%时，随着碳纤维长度从2 mm增加至6 mm, 碳纤维沥青混合料的Rm和εB先增大后减小，MB先减小后增大；当碳纤维掺量增加至1.0%和1.5%时，碳纤维沥青混合料的Rm、εB和MB随着碳纤维长度的变化趋势与碳纤维掺量为0.5%时相似。可见，在相同的碳纤维掺量(0.5%、1.0%和1.5%)时，混合料的Rm和εB会随着碳纤维长度增加而先增大后减小，MB会随着碳纤维长度增加先减小后增大，在碳纤维长度为4 mm时混合料具有最大的Rm和εB、最小的MB;此外，当碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%时，相同碳纤维长度时沥青混合料的Rm和εB先增大后减小，MB先减小后增大，碳纤维掺量为1.0%时取得Rm和εB最大值，以及MB最小值。在沥青混合料中掺加碳纤维，掺量较少时碳纤维的分散性较好，可以在受外力作用时起到增强、增韧以及抑制裂纹扩散的作用，低温抗裂性会有所改善；当碳纤维掺量从0.5%增加至1.0%时，碳纤维在沥青混合料中的增强增韧作用发挥得更加明显，低温抗裂性达到最大；但是如果继续增加碳纤维掺量至1.5%,碳纤维在沥青混合料中会发生局部缠结，在受外力作用时容易发生应力集中而降低低温抗裂性[14]。
表4 碳纤维沥青混合料的低温抗裂性能 导出到EXCEL
碳纤维掺量%碳纤维掺量%
碳纤维长度mm碳纤维长度mm
抗弯拉强度MPa抗弯拉强度ΜΡa
最大弯拉应变×10−6με最大弯拉应变×10-6με
弯曲劲度模量MPa弯曲劲度模量ΜΡa
0
-
11.00
2 915
3 786
0.5
2
10.97
3 041
3 668
4
11.12
3 540
3 110
6
10.93
3 353
3 277
1.0
2
11.79
3 901
3 036
4
12.49
4 099
2 918
6
11.58
3 587
3 070
1.5
2
10.94
2 889
3 818
4
11.64
3 160
3 504
6
10.97
3 086
3 783
图1为碳纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比。未掺加碳纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比为89.4%,而掺加碳纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比都高于未掺加碳纤维的试件。当碳纤维掺量为0.5%、1.0%和1.5%时，碳纤维长度从2 mm增加至6 mm, 碳纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比都呈现出先增大后减小的特征，碳纤维长度为4 mm时取得不同碳纤维掺量时混合料冻融劈裂强度比最大值；此外，当碳纤维长度为2 mm、4 mm和6 mm时，碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%,碳纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比也呈现先增大后减小特征，碳纤维掺量为1.0%时取得冻融劈裂强度比最大值。可见，碳纤维沥青混合料适宜的碳纤维掺量为1.0%、长度为4 mm。这主要是因为碳纤维对沥青有吸附作用，在冻融试验过程中，未掺加碳纤维的沥青混合料中的沥青/集料黏结效果较差[15],在水的冻胀作用下容易发生沥青剥落，冻融劈裂强度比较小；掺加碳纤维的沥青混合料可以形成加强沥青/集料黏结的纤维沥青结构层，且会在一定程度上填充空隙而增加密实度，沥青混合料的冻胀剥落作用会减弱[16],冻融劈裂强度比增大；但是过量的碳纤维掺加会因为在混合料中形成缠结而降低沥青/集料黏结效果，冻胀剥落作用会有所提高，使冻融劈裂强度比减小。
图2为碳纤维长度4 mm、掺量1.0%的碳纤维沥青混合料的显微形貌。碳纤维自身是一种高强度、高模量的纤维材料，当碳纤维掺加到沥青中形成碳纤维沥青混合料时，均匀分散的碳纤维可以被沥青裹附形成三维结构，且纵横交错的碳纤维可以在一定程度上填充沥青混合料中的空隙，增加混合料的密实度，使得抵抗外加载荷作用的能力更强。此外，碳纤维在沥青混合料中还可以桥接集料，提高沥青混合料的整体性；在外加载荷减弱时，碳纤维还可以依靠自身的高模量、高弹韧性等优点而产生弹性收缩[17],起到增韧阻裂作用。可见，适量的碳纤维掺加可以在沥青混合料中形成密实的三维交织结构，对沥青混合料起到增强增韧的作用，提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。
图1 碳纤维沥青混合料的冻融劈裂强度比 下载原图
图2 碳纤维长度4 mm、掺量1.0%的碳纤维沥青混合料显微形貌 下载原图
(1)最佳油石比下碳纤维沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值都符合JTG F40-2004标准的要求；掺加碳纤维的沥青混合料最佳油石比和动稳定度都大于未掺加碳纤维的沥青混合料，空隙率都小于未掺加碳纤维的沥青混合料。
(2)碳纤维长度4 mm、碳纤维掺量为1.0%时碳纤维沥青混合料的动稳定度达到最大值(1 361次/mm),相较于未添加碳纤维时的沥青混合料提高约51.56%。
(3)相同碳纤维掺量下，混合料的Rm和εB会随着碳纤维长度增加而先增大后减小，MB会随着碳纤维长度增加先减小后增大；当碳纤维掺量从0.5%增加至1.5%时，相同碳纤维长度情况下沥青混合料的Rm和εB先增大后减小，MB先减小后增大；在碳纤维长度为4 mm、掺量为1.0%时具有最大的Rm和εB,最小的MB。
(4)未掺加碳纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比为89.4%,而掺加碳纤维的沥青混合料冻融劈裂强度比都高于未掺加碳纤维的试件；碳纤维掺量为1.0%、长度为4 mm时碳纤维沥青混合料具有最大的冻融劈裂强度比(92.5%)。
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