基于BBR試驗(yàn)的纖維瀝青低溫性能研究

楊 樹

（山西省公路局 大同分局，山西 大同 037006）

0 引言

自20世紀(jì)50年代起，纖維在瀝青混合料中得到應(yīng)用，纖維的摻入能夠改善瀝青混合料的各方面性能，且由于纖維能夠在拌和站直接投入，施工工藝簡單，應(yīng)用前景廣泛[1]。

低溫開裂成為我國北方地區(qū)瀝青路面的主要破壞形式之一，由于氣候寒冷、晝夜溫差較大，易在瀝青混合料中形成較大溫度應(yīng)力，若該部分應(yīng)力超過路面材料的極限抗拉強(qiáng)度，將會(huì)產(chǎn)生開裂破壞[2]。文獻(xiàn)的研究成果表明纖維的摻入可明顯提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，木質(zhì)素、聚丙烯晴和聚酯纖維中，聚酯纖維的增強(qiáng)作用最為明顯。

纖維瀝青材料在瀝青混合料中起到重要的黏結(jié)作用，屬于集料間的黏結(jié)介質(zhì)，其性能直接對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生影響，因此纖維瀝青的低溫性能應(yīng)為評(píng)價(jià)瀝青路面低溫抗裂性的研究基礎(chǔ)。

為此，本文采用SHAP計(jì)劃中的彎曲梁流變儀（BBR）來評(píng)價(jià)纖維瀝青的低溫性能，選擇-18℃和-12℃兩種試驗(yàn)溫度，1%、4%、8%三種聚酯纖維摻量。為了分析纖維長度對(duì)其低溫性能的影響，在4%摻量下選取3 mm、6 mm、10 mm三種纖維長度分別進(jìn)行BBR試驗(yàn)，分析纖維摻量及長度對(duì)其低溫性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

瀝青采用殼牌70號(hào)道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 纖維

纖維選取山東泰安產(chǎn)聚酯纖維，性能參數(shù)見表2。

表2 纖維性能參數(shù)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在纖維允許摻量范圍內(nèi)，隨著纖維摻量的增加，纖維體積率提高，其增強(qiáng)效果愈明顯，達(dá)到允許摻量后，纖維表面將無法被瀝青完全包裹，黏結(jié)力喪失明顯。且從施工角度分析，為防止拌和不均，纖維的摻量也不宜過多，因此存在合理纖維摻量問題。

以往試驗(yàn)研究結(jié)果表明，纖維的允許摻量一般8%（占瀝青總量），由此本研究中纖維瀝青設(shè)計(jì)方案見表3所示。

表3 纖維瀝青設(shè)計(jì)方案

3 BBR試驗(yàn)

SHRP計(jì)劃開發(fā)的彎曲流變儀，其研究瀝青梁在蠕變荷載下的勁度模量，通過BBR試驗(yàn)獲取兩個(gè)評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的參數(shù)為：a）蠕變勁度模量；b）m值，勁度模量隨蠕變時(shí)間的變化率。

SHRP計(jì)劃的研究結(jié)果認(rèn)為，瀝青的勁度模量愈大，則多呈現(xiàn)為脆性，愈易產(chǎn)生開裂破壞，而表征勁度模量隨時(shí)間變化率參數(shù)m值愈大，則可理解為溫度下降時(shí)材料產(chǎn)生收縮，其響應(yīng)如同降低了瀝青的勁度模量，從而使得其拉應(yīng)力減少，降低了產(chǎn)生開裂的可能性。因此，SHRP計(jì)劃規(guī)范限制60 s時(shí)的勁度模量不大于300 MPa和m值不小于0.30[3]。

采用工程梁理論計(jì)算瀝青的勁度模量，其公式為[4]：

式中：S(t)為隨時(shí)間變化的蠕變勁度，t=60 s；P為試件恒定荷載，980 m·N；L 為支架間距，102 mm；b為梁高，12.5 mm；h 為梁寬，6.25 mm；Δ(t)為隨時(shí)間變化的變形，t=60 s。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同聚酯纖維摻量的纖維瀝青 (長度均為6 mm)在-18℃和-12℃下BBR試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖4。圖1、圖2為不同溫度下勁度模量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖1 -18℃下纖維瀝青勁度模量隨時(shí)間的變化

圖2 -12℃下纖維瀝青勁度模量隨時(shí)間的變化

從圖1、圖2可以看出，不同纖維摻量瀝青勁度模量均隨時(shí)間的增大而下降，由于在應(yīng)力不變的條件下應(yīng)變量隨時(shí)間逐漸增大，其勁度模量必然隨之下降。相同時(shí)間條件下，隨著纖維摻量的增加，其勁度模量一般呈減小趨勢(shì)，表明瀝青的脆性降低，低溫抗裂性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溫度由-18℃升高至-12℃時(shí)，相同時(shí)間下纖維瀝青的勁度模量明顯下降，抗裂性能提升，纖維瀝青的性能受瀝青基質(zhì)材料溫感性的影響很大，與瀝青的基本性質(zhì)相似。

SHRP計(jì)劃規(guī)定60 s時(shí)勁度模量不得超過300 MPa，可見在-18℃條件下，纖維瀝青的勁度模量均不滿足該規(guī)范的要求，而-12℃下纖維瀝青60 s時(shí)間的勁度模量均滿足不大于300 MPa的技術(shù)要求。

圖3、圖4為不同溫度下m值隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖3 -18℃下纖維瀝青m值隨時(shí)間的變化

圖4 -12℃下纖維瀝青m值隨時(shí)間的變化

從圖3、圖4可以看出，斜率m值隨著時(shí)間的增加而增大，表明蠕變變形的變化率逐漸增加。相同時(shí)間下隨著纖維摻量的增加，m值相應(yīng)增大，說明材料減小溫度拉應(yīng)力的能力提高，抗低溫開裂性能增強(qiáng)。

不同聚酯纖維長度的纖維瀝青 (摻量均為4%)在-18℃和-12℃下BBR試驗(yàn)結(jié)果見圖5～圖8。圖5、圖6為不同溫度下勁度模量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖5 -18℃下4%摻量纖維瀝青勁度模量隨時(shí)間的變化

圖6 -12℃下4%摻量纖維瀝青勁度模量隨時(shí)間的變化

由圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，相同摻量下纖維的長度對(duì)其低溫勁度模量存在一定的影響，尤其是在-18℃下10 mm纖維的勁度模量下降最為顯著。一般規(guī)律可總結(jié)為纖維長度增加，勁度模量隨之降低，纖維的加筋作用增強(qiáng)。隨著纖維長度增長，通過界面間相關(guān)作用傳遞給纖維的作用力隨之增大，才能將纖維優(yōu)越的力學(xué)性能充分體現(xiàn)。

圖7、圖8為不同溫度下m值隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖7 -18℃下4%摻量纖維瀝青m值隨時(shí)間的變化

圖8 -12℃下4%摻量纖維瀝青m值隨時(shí)間的變化

由圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維長度的增長，m值呈增加趨勢(shì)，尤其在-18℃下更為顯著，低溫抗裂性能提高。纖維長度愈長，纖維與瀝青間的界面作用愈明顯，對(duì)蠕變作用的約束也愈大，同樣反映出隨著纖維長度增加，纖維力學(xué)性能體現(xiàn)得更為充分。

5 結(jié)論

本文通過SHRP計(jì)劃中的BBR試驗(yàn)來評(píng)價(jià)纖維對(duì)瀝青的增強(qiáng)作用，采用勁度模量和m值兩個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)纖維瀝青的低溫性能，得出如下結(jié)論。

a）SHRP計(jì)劃推薦的勁度模量和m值參數(shù)可以較好地表征纖維瀝青的低溫性能，勁度模量愈小，m值愈大，纖維瀝青開裂的可能性越小，低溫性能越好。

b）相同條件下，隨著纖維摻量的增加，纖維瀝青的勁度模量減小，m值隨之增大，尤其是在溫度較低時(shí)，纖維的增強(qiáng)作用更為顯著。

c）相同條件下，隨著纖維長度的增長，纖維瀝青的勁度模量同樣減小，m值隨之增大，10 mm纖維的增強(qiáng)效果最為顯著，將纖維優(yōu)越的力學(xué)性能充分體現(xiàn)。