纖維對瀝青膠漿增強作用的動態剪切試驗研究

吳榮峰

(山西路橋第二工程有限公司，山西臨汾 041000)

0 引言

瀝青混合料拌合時瀝青吸附到填料上形成瀝青膠漿，雖然瀝青膠漿在瀝青混合料中占有的比例很小，但其在混合料中起到與粗、細集料粘結的作用，使瀝青混合料具有一定的強度。因此，瀝青混合料的各方面性能均與瀝青膠漿的組成、結構和性能密切相關［1，2］。

纖維的摻入將會提高瀝青混合料的高溫性能，張爭奇、陳華鑫等人研究了纖維對瀝青混合料路用性能的影響，結果表明聚酯纖維瀝青混合料的高溫抗車轍性能最佳［3］。而車轍的形成主要是由于瀝青混合料抗剪切強度不足以抵抗車輪荷載反復作用，產生塑性剪切流動變形而致［4］。

現階段研究人員已經意識到纖維對瀝青混合料抗剪性能的影響，通過大量的室內試驗來研究纖維瀝青混合料的抗剪性能，但其忽略了瀝青混合料抗剪性能的決定性要素，即瀝青膠漿的剪切性能，以及纖維對于瀝青膠漿剪切性能的增強作用。纖維三維空間分布的網絡結構會對瀝青的流動產生內摩阻力，這種增強的作用將會提高瀝青膠漿的抗剪切性能，瀝青路面高溫抗車轍也會得到提高。

為此，本文將通過美國SHRP計劃中的動態剪切試驗(DSR)來研究纖維對于瀝青膠漿的增強作用。

1 試驗材料

1)瀝青。瀝青采用克拉瑪依90號道路石油瀝青，主要技術指標見表1。

表1 瀝青主要技術指標

2)礦粉。礦粉產地為山西臨汾，表觀密度為2．726 g/cm3，塑性指數為3．9，親水系數為0．7，級配范圍見表2。

表2 礦粉篩分結果

3)纖維。纖維選取山東泰安產聚酯纖維，性能參數見表3。

表3 纖維性能參數

2 試驗方案設計

纖維的增強作用取決于瀝青的摻量和長徑比，從施工角度分析，為防止拌合不均，纖維的摻量不宜過多，因此存在合理纖維摻量問題。

通過試驗研究，纖維的最大摻量為4%(占瀝青膠漿總量)，由此擬定纖維瀝青膠漿正交設計方案見表4。

表4 纖維瀝青膠漿正交設計方案

3 動態剪切性能試驗

SHRP計劃動態剪切流變儀能夠在指定溫度和加載頻率下測量瀝青膠結料的剪切性能，對瀝青膠漿試樣施加空氣驅動的交變正交剪切應力或應變，在瀝青粘彈性能的作用下，應變和應變響應存在滯后效應，相應的滯后角為δ(見圖1)。

復數剪切模量G*為最大剪切應力與最大剪切應變的比值，本文采用SHRP計劃推薦的參數G*×sin-1δ來評價瀝青膠結料的動態剪切性能［5］。

試驗采用DSR4000型動態剪切流變儀，頻率為10 rad/s，相當于1．59 Hz。三種試驗溫度分別為64℃，70℃，76℃，試樣尺寸為直徑為25 mm、厚度為1 mm。試驗結果如圖2所示。

圖1 應力應變滯后圖

圖2 瀝青膠漿動態剪切試驗結果

4 試驗結果分析

采用G*×sin-1δ來評價瀝青膠漿的抗剪切性能時，G*×sin-1δ與剪切模量相關聯，其中G*×sin-1δ值越大，剪切模量越高，高溫抗剪切能力就越強。

從圖2可以看出，在三種不同溫度下，溫度越低纖維摻量對于G*×sin-1δ指標的影響越顯著，這主要是由于在較高溫度時，瀝青的粘性增加，一定程度上削弱了纖維對于瀝青膠漿的增強作用。在相同粉膠比條件下，隨著纖維摻量的增加，G*×sin-1δ隨之增加，64℃下粉膠比為0．8時，纖維摻量增加1%，G*×sin-1δ將增加1 MPa以上，瀝青膠漿的剪切性能提高，這主要體現了纖維對于瀝青膠漿的以下三種作用:

1)吸附作用。纖維分散在瀝青中，其巨大的表面積成為浸潤界面。在界面層中，瀝青與纖維之間將產生物理和化學作用，使瀝青呈單分子排列在纖維表面，形成比界面層以外的自由瀝青粘結性強的結構瀝青界面層，提高瀝青的粘結性能。

2)加筋作用。瀝青膠漿中纖維三維隨機分布，具有加筋功能，降低了瀝青的流行性。

3)增韌作用。纖維摻入到瀝青膠漿當中，能夠增強對集料顆粒的握裹力，較好地粘連、裹覆集料顆粒，提高混合料防剝離、耐磨損能力，增強膠漿抗剪性能，保證瀝青路面的整體性。

從圖2對比可以發現，隨著粉膠比的提高，G*×sin-1δ隨之增加，同樣是在較低溫度下增強效果比較明顯。溫度為64℃纖維摻量相同時，粉膠比由0．8提高至1．0，G*×sin-1δ將提高約為2 MPa。原因為礦粉的比表面積較大，隨著粉膠比的提高，產生的結構瀝青含量隨之增加，瀝青膠漿粘度增加，剪切性能得到改善。

5 結語

本文通過SHRP計劃中的動態剪切性能試驗來評價纖維對于瀝青膠漿的增強作用，采用G*×sin-1δ指標來評價瀝青膠漿的剪切性能，得出如下結論:

1)SHRP計劃推薦G*×sin-1δ的指標可以較好地反映纖維瀝青膠漿材料的剪切性能，G*×sin-1δ越大，瀝青膠漿的抗剪切性能越強。

2)隨著纖維摻量的增加，G*×sin-1δ增大，且在溫度較低時，G*×sin-1δ增加更為顯著，纖維的增強作用越理想。

3)粉膠比由0．8提高至1．0時，瀝青膠漿的G*×sin-1δ指標增大，剪切性能得到改善。

［1］葉群山，吳少鵬．聚酯纖維瀝青膠漿流變特性研究［J］．公路交通科技，2009，26(9):37-40．

［2］陳華鑫，張爭奇，胡長順．纖維瀝青路用性能機理［J］．長安大學學報(自然科學版)，2002，22(6):117-121．

［3］張爭奇，胡長順．纖維加強瀝青混凝土幾個問題的研究和探討［J］．西安公路交通大學學報，2001，21(1):29-32．

［4］郭乃勝，趙穎華，孫略倫．纖維摻量對聚酯纖維瀝青混凝土韌性的影響［J］．交通運輸工程學報，2006，6(4):32-35．

［5］譚國湖．SHRP瀝青膠結料DSR試驗溫度影響分析［J］．湖南交通科技，2007，33(4):29-31．