纖維對(duì)瀝青膠漿增強(qiáng)作用的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)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(shí)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(xì)集料粘結(jié)的作用，使瀝青混合料具有一定的強(qiáng)度。因此，瀝青混合料的各方面性能均與瀝青膠漿的組成、結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)［1，2］。

纖維的摻入將會(huì)提高瀝青混合料的高溫性能，張爭(zhēng)奇、陳華鑫等人研究了纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)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(qiáng)度不足以抵抗車輪荷載反復(fù)作用，產(chǎn)生塑性剪切流動(dòng)變形而致［4］。

現(xiàn)階段研究人員已經(jīng)意識(shí)到纖維對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響，通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)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(duì)于瀝青膠漿剪切性能的增強(qiáng)作用。纖維三維空間分布的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)瀝青的流動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)摩阻力，這種增強(qiáng)的作用將會(huì)提高瀝青膠漿的抗剪切性能，瀝青路面高溫抗車轍也會(huì)得到提高。

為此，本文將通過(guò)美國(guó)SHRP計(jì)劃中的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)(DSR)來(lái)研究纖維對(duì)于瀝青膠漿的增強(qiáng)作用。

1 試驗(yàn)材料

1)瀝青。瀝青采用克拉瑪依90號(hào)道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2)礦粉。礦粉產(chǎn)地為山西臨汾，表觀密度為2．726 g/cm3，塑性指數(shù)為3．9，親水系數(shù)為0．7，級(jí)配范圍見(jiàn)表2。

表2 礦粉篩分結(jié)果

3)纖維。纖維選取山東泰安產(chǎn)聚酯纖維，性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 纖維性能參數(shù)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

纖維的增強(qiáng)作用取決于瀝青的摻量和長(zhǎng)徑比，從施工角度分析，為防止拌合不均，纖維的摻量不宜過(guò)多，因此存在合理纖維摻量問(wèn)題。

通過(guò)試驗(yàn)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(shè)計(jì)方案見(jiàn)表4。

表4 纖維瀝青膠漿正交設(shè)計(jì)方案

3 動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)

SHRP計(jì)劃動(dòng)態(tài)剪切流變儀能夠在指定溫度和加載頻率下測(cè)量瀝青膠結(jié)料的剪切性能，對(duì)瀝青膠漿試樣施加空氣驅(qū)動(dòng)的交變正交剪切應(yīng)力或應(yīng)變，在瀝青粘彈性能的作用下，應(yīng)變和應(yīng)變響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，相應(yīng)的滯后角為δ(見(jiàn)圖1)。

復(fù)數(shù)剪切模量G*為最大剪切應(yīng)力與最大剪切應(yīng)變的比值，本文采用SHRP計(jì)劃推薦的參數(shù)G*×sin-1δ來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的動(dòng)態(tài)剪切性能［5］。

試驗(yàn)采用DSR4000型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，頻率為10 rad/s，相當(dāng)于1．59 Hz。三種試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變滯后圖

圖2 瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用G*×sin-1δ來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的抗剪切性能時(shí)，G*×sin-1δ與剪切模量相關(guān)聯(lián)，其中G*×sin-1δ值越大，剪切模量越高，高溫抗剪切能力就越強(qiáng)。

從圖2可以看出，在三種不同溫度下，溫度越低纖維摻量對(duì)于G*×sin-1δ指標(biāo)的影響越顯著，這主要是由于在較高溫度時(shí)，瀝青的粘性增加，一定程度上削弱了纖維對(duì)于瀝青膠漿的增強(qiáng)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(shí)，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(xiàn)了纖維對(duì)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(rùn)界面。在界面層中，瀝青與纖維之間將產(chǎn)生物理和化學(xué)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(jié)性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)瀝青界面層，提高瀝青的粘結(jié)性能。

2)加筋作用。瀝青膠漿中纖維三維隨機(jī)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(dāng)中，能夠增強(qiáng)對(duì)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(qiáng)膠漿抗剪性能，保證瀝青路面的整體性。

從圖2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)效果比較明顯。溫度為64℃纖維摻量相同時(shí)，粉膠比由0．8提高至1．0，G*×sin-1δ將提高約為2 MPa。原因?yàn)榈V粉的比表面積較大，隨著粉膠比的提高，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)SHRP計(jì)劃中的動(dòng)態(tài)剪切性能試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)纖維對(duì)于瀝青膠漿的增強(qiáng)作用，采用G*×sin-1δ指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿的剪切性能，得出如下結(jié)論:

1)SHRP計(jì)劃推薦G*×sin-1δ的指標(biāo)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(qiáng)。

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

3)粉膠比由0．8提高至1．0時(shí)，瀝青膠漿的G*×sin-1δ指標(biāo)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(zhēng)奇，胡長(zhǎng)順．纖維瀝青路用性能機(jī)理［J］．長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，22(6):117-121．

［3］張爭(zhēng)奇，胡長(zhǎng)順．纖維加強(qiáng)瀝青混凝土幾個(gè)問(wèn)題的研究和探討［J］．西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(1):29-32．

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

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