聚酯纖維瀝青混凝土動態參數與相位角研究

張慧斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

交通荷載的逐年增大，對瀝青路面的路用強度提出了更高的要求。為了提高瀝青混凝土的路用性能，向其中加了各種加筋材料，大量國內外研究學者發現，聚酯纖維的加入不僅可以改良瀝青膠漿的路用性能，而且對瀝青混凝土的路用性能有所改善[1]。在瀝青混凝土中加入纖維作為一種加筋材料，由于材料的連續性，纖維與纖維之間存在相互作用的力，以及纖維與瀝青混凝土之間也存在復雜的相互作用，這種相互作用對瀝青混凝土的物理指標、路用性能、動態性能甚至疲勞性能都有不同程度的影響。目前試驗研究表明，聚酯纖維能阻止裂縫的進一步擴展，減小路面車轍的進一步流動變形以及延緩疲勞破壞[2]。此外，加筋材料改善瀝青混凝土的動態性能以及其疲勞性能的機理研究也取得一定的成果，但是通過對動態參數和相位角的研究進而來研究纖維瀝青混凝土的變形性能以及低溫抗疲勞性能的研究較少，為了更好地讓聚酯纖維充分發揮其加筋作用，本論文從動態參數以及其低溫抗疲勞性能兩個方面進行了試驗研究。

1 試驗材料

本試驗中的瀝青結合料采用了AH-90號瀝青，其各項物理技術指標參見表1。由試驗表明，聚酯纖維、木纖維、玻璃纖維都可以作為加筋材料加入瀝青混凝土中，但力學性能最好的卻是聚酯纖維[3]。進一步探究纖維對瀝青混凝土的影響，本試驗采用的聚酯纖維的物理參數長度為 1 100 μm，直徑為45 μm，熔點為248℃。為了研究混凝土的性能與聚酯纖維摻量的相關性，設計了纖維摻量為0%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的5種纖維混凝土。瀝青混凝土的集料級配采用AC-13級配中值。纖維瀝青混凝土的最佳油石比利用馬歇爾試驗確定。

表1 瀝青AH-90的物理參數

2 動態模量試驗

2.1 試驗原理與方法

動態模量用來描述瀝青混凝土的黏彈性性質，它描述的范圍比較廣，無論是線性還是非線性材料的黏彈性性質，反映了蠕變和松弛特性。動態模量的大小和靜態模量的大小計算方式相同，均等于應力幅值與應變幅值的比值。試驗試件利用靜壓法成型，成型過程嚴格參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗》試驗教程，其中成型試件的尺寸為直徑和高100±2.0 mm的圓柱體。對試件進行荷載試驗時，針對不同的纖維摻量均成型4個試件做平行試驗，控制試驗溫度在20℃，動態模量的測試方法選擇Superpave簡單性能試驗方法。試驗加載的方式采用控制應力的方式，加載波形選擇頻率為10 Hz的半正弦進行連續加載。對試件先后施加0.7 MPa和0.5P，其中P為試件的極限抗壓強度，荷載的加載時間取40 s，最后取0.5P對應的模量值為動態模量。試驗加載時先施加0.7 MPa的荷載，然后在施加0.5P的軸向荷載，并做好相關的試驗記錄。

2.2 不同纖維摻量對馬歇爾試驗結果的影響

由于聚酯纖維這種材料本身會吸附瀝青混凝土中的瀝青，因此纖維的不同摻量對應的油石比也不盡相同。通過馬歇爾試驗，可以確定不同纖維摻量下的最佳油石比。馬歇爾試驗得到不同纖維摻量下的不同的物理指標試驗結果，如表2與圖1所示。

表2 纖維摻量對試驗結果的影響

圖1 不同纖維摻量的最佳瀝青用量和穩定度

分析表2和圖1可知，當聚酯纖維的摻量逐漸增加時，瀝青混凝土對瀝青的需求量逐漸增大，表現為最佳瀝青量變大，由于空隙率增大，由此毛體積的密度會相應地減小，流值變大。而瀝青混凝土的穩定度在纖維摻量為0.2%時，達到最大，這表明纖維的摻量存在一個最佳量值。纖維摻入瀝青混凝土之后，由于纖維的比表面積大于集料，于是會吸附更多的瀝青，因此纖維瀝青混凝土的最佳瀝青用量會增加。纖維的密度相比集料要輕得多，因此纖維的摻入降低了瀝青混凝土的密實度，其毛細體積也會隨著纖維摻量的增加而減小。但纖維的摻量也有量的限制，若纖維的摻量超過0.2%時，纖維混凝土的穩定度不僅不隨纖維摻量的增加而增加反而還會減小。

2.3 動態試驗結果分析

在不同的纖維摻量下，動態抗壓試驗下動、靜態模量的試驗結果如表3所示。

表3 不同纖維摻量瀝青混凝土的動靜態模量試驗結果

圖2 不同纖維摻量的動、靜態模量

分析表3、圖2發現，纖維瀝青混凝土的密度隨著纖維摻量的增加逐漸變小，抗壓強度隨著纖維摻量的增加先增大后減小，并且纖維瀝青混凝土動靜態模量都呈現類似變化。由表3可以發現當纖維摻量為0.2%時，混凝土的抗壓強度達到最大值。而且纖維摻量對瀝青混凝土的靜態模量有優化的作用，當纖維的摻量較小時，靜態模量隨著纖維摻量的增大而增大，而當纖維摻量0.25%這個臨界值時，纖維混凝土的靜態模量此時取最大值，當超過這個臨界值時，纖維混凝土的靜態模量不但不增加反而減小。但是分析表3和圖2可知，纖維混凝土的靜態模量始終大于普通混凝土的靜態模量，這表明纖維的加入提高了混凝土的靜態模量。同理，纖維瀝青混凝土的動態模量的變化規律與靜態模量類似，當纖維摻量為0.2%時，纖維混凝土的動態模量值達到最大值。當聚酯纖維的摻量增加到0.3%時，動態模量值下降的幅度最大，此時動態模量值和普通混凝土的動態模量幾乎相同，表明此時纖維的加筋效果不明顯。

即使是在相同纖維摻量的條件下，動態模量與靜態模量的值也并不相同，而且動態模量值大于靜態模量，大約是其的1.5～2倍。這是由于在靜載作用下，瀝青混凝土不僅可以發生彈性范圍的瞬時變形，還會發生流動性的黏性變形，材料的變形會更加的充分。而對于動態模量，由于試驗中受到的是周期性的脈沖荷載，材料的變形來不及完全產生黏性變形，主要變形也是發生在彈性范圍內的瞬間變形。材料的變形反應不充分，宏觀反應出來的就是模量值增大。由動靜態模量隨纖維增加的變化規律可以發現，纖維的加入，不僅在某一個程度上對瀝青混凝土的黏性有所減小，而且瀝青混凝土的彈性得到增加，所以材料表現出來的就是動靜態的模量得到加強。

纖維瀝青混凝土的動態模量不僅與纖維摻量相關，還與試驗的應力值相關，不同摻量的纖維混凝土的動態模量在應力幅值為0.7 MPa和0.5P下的動態模量值變化關系如圖3所示。

圖3 不同纖維摻量的混凝土動態模量與應力幅的關系

參考圖3可知，在加載頻率控制在10 Hz的前提條件下，不論是普通混凝土還是纖維混凝土的動態模量值都隨著應力幅值的增大而相應地增大，應力幅值為0.5P的動態模量相對于應力幅值為0.7 MPa的動態模量增加了大約18%，這表明纖維瀝青混凝土的動態模量對應力有一定的依賴性。試驗過程中，首先向試驗試件施加0.7 MPa的軸向荷載，此時相當于可以對試件進行一個壓實的過程，接著再對試件施加0.5P的荷載，在這一前一后的加載過程中，試件的動態模量變化較大。這是由于先加的0.7 MPa荷載相當于對試件進行了一個壓實作用，骨架結構相對密實，故動態模量增大。對于普通瀝青混凝土，當荷載為0.5P時的動態模量是遠遠大于前荷載作用下的靜態模量。而對于纖維瀝青混凝土的動態模量在荷載為0.5P時是0.7 MPa的1.18倍，纖維的加入讓瀝青混凝土對應力幅值的相關性變小，相同的應力條件下，纖維瀝青混凝土的動態模量增加小于普通瀝青混凝土。

2.4 動態模量與纖維摻量的關系

由以上研究表明，纖維混凝土的動態模量與纖維的摻量有很大的關系，在頻率相同的條件下，利用表3的數據可以大概得到動態模量與纖維摻量的關系，圖4所示。

圖4 動態模量與纖維摻量的關系

觀察圖4可得，動態模量與纖維的摻量呈非線形的相關性。根據國內外研究者通過對纖維瀝青混凝土的路用性能的研究，從而確定出來纖維的摻量最佳范圍是0.1%～0.4%[4],因此纖維的摻加量無論是過小還是過大都不會對瀝青混凝土有加筋的作用。經過本研究發現，為了達到纖維對瀝青混凝土最好的加筋作用，纖維的摻量為0.2%～0.3%為宜。

3 相位角對疲勞性能影響研究

前面研究了不同摻量的纖維對動態模量有很大的影響，除此之外，不同摻量的纖維對瀝青混凝土的疲勞性能也有很大影響。由于相位角可以反映瀝青的疲勞性能，故本論文從相位角的角度研究了在不同纖維摻量下，瀝青疲勞性能的影響。在瀝青混凝土的使用過程中，由于材料的力學性能以及外界荷載等各種因素會導致瀝青混凝土內部的骨料以及在整個瀝青膠結料中出現微小的裂紋和微小的孔洞疲勞損傷[5]，而一旦這些微裂紋與微孔洞擴展，瀝青混凝土就容易出現疲勞破壞。

國內外許多學者研究表明，纖維的摻入可以阻止裂縫的擴展與延伸，進而對瀝青混凝土的疲勞破壞以及抗老化有一定的改善作用。相位角是一個能夠反映瀝青混凝土疲勞性能的物理指標，相位角通過對混凝土材料的彈性與黏性的分析，反映了材料受到反復荷載時的疲勞性能。

間接拉伸疲勞試件采用旋轉壓實法成型，尺寸取φ150×38 mm，在間接疲勞試驗研究中聚酯纖維的摻量為0%、0.25%。最佳油石比由表2可知，普通瀝青混凝土為5.22%，0.25%纖維瀝青混凝土為5.43%。通過相位角研究疲勞性能試驗時采用不同頻率的半正弦波加載（荷載的頻率值可采用0.1 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz等），應力比值分別采用0.3P、0.4P、0.5P。試驗的溫度可以分別設定在-10℃、5℃、15℃、40℃，為了保證試驗的精確性，每個試件必須放在保溫箱一段時間，以確保試件內部與外部的溫度一致。

3.1 相位角研究

相位角是表征混凝土彈性與黏性的一個指標，通過相位角的大小可以判斷混凝土材料彈性與黏性的大小。研究表明，當材料是完全彈性時，其相位角的大小是0，當材料是完全黏性材料時，相位角的大小為90°。圖5是普通瀝青混凝土與摻量為0.25%的纖維混凝土的相位角隨著頻率與溫度的變化曲線。

圖5 纖維對瀝青相位角的影響

分析圖5可知，不僅試驗溫度，而且加載頻率對相位角的影響都很大。當試驗溫度控制在15℃以下，瀝青混凝土的相位角與溫度呈正相關，與加載頻率負相關，即溫度增加，加載頻率減小而相位角增大，相位角增大，相應的黏性也增加。當試驗溫度達到40℃時，瀝青混凝土的相位角隨著頻率的增加而增大，不同摻量的纖維混凝土以及普通混凝土的相位角都會隨著頻率的增加而減小。由于低溫高頻（-10℃）時，瀝青混凝土的力學性能主要由瀝青的膠結料發揮，骨料的作用相對較小；但在高溫低頻（40℃）時，由于高溫的原因，瀝青混凝土的膠結料逐漸軟化，瀝青混凝土的主要工程性能是由集料來決定的，而集料本身是一種彈性材料，由此相位角會降低。聚酯纖維的加入，只在試驗溫度較常溫有比較大區別，比如-10℃、40℃時，相位角才有明顯的變化；低溫時（-10℃）聚酯纖維的加入讓混凝土黏性增加，表現出來相位角增大，有利于阻止疲勞裂縫的產生與延展；高溫時（40℃），纖維的加入相位角減小，表明材料的彈性能力增大，提高了纖維混凝土抵抗變形的能力。綜述，纖維作為加筋材料加入瀝青混凝土中也改善了瀝青混凝土的疲勞性能。

4 結論

a）纖維混凝土的抗壓強度與動態模量在纖維摻量為0.2%時取得最大值，靜態模量在纖維摻量為0.25%時取得最大值。當纖維摻量過大時，動靜態模量都會隨著纖維摻量的增加而減小。如果聚酯纖維的摻量超過0.3%，纖維對瀝青混凝土并沒有加筋的作用。試驗表明聚酯纖維的摻量可以在0.2%～0.3%之間。

b）聚酯纖維的加入一定程度上提高了瀝青混凝土的動態性能，但是并沒有改變動態模量對應力幅值的依賴性，試驗應力為0.7 MPa與0.5P時，試驗結果差異性較大，動態模量都大于靜態模量。

c）當聚酯的纖維摻量為0.25%時，試驗溫度為-10℃、5℃、15℃，纖維混凝土的相位角相對于普通瀝青混凝土會增加，表明黏性性質增加，進而增大了混凝土抵抗疲勞開裂的能力。

d）當纖維摻量為0.25%時，當高溫（40℃）時，纖維混凝土的相位角相對于素混凝土的相位角會減小，表明其彈性性能增大，對于改善瀝青混凝土的抗變形能力有利，進而也改善了瀝青混凝土的疲勞性能。