玻璃纖維瀝青膠漿高低溫性能研究

楊龍飛

(邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程一處 邯鄲市 056001)

玻璃纖維瀝青膠漿高低溫性能研究

楊龍飛

(邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程一處 邯鄲市 056001)

針對玻璃纖維瀝青膠漿的高、低溫性能，采用美國SHAP研究計劃中的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)來評價玻璃纖維瀝青膠漿的高、低溫性能，并以此來確定纖維的最佳摻量。結(jié)果表明，玻璃纖維可在一定程度上改善瀝青膠漿的高溫性能，同時對瀝青膠漿的低溫性能有一定的削弱作用，但在增強(qiáng)瀝青膠漿韌性、延緩路面開裂方面具有顯著的效果；綜合高溫性能和低溫性能的考慮，認(rèn)為3%的玻璃纖維摻量是瀝青膠漿的最佳摻量。

玻璃纖維；瀝青膠漿；高溫性能；低溫性能

瀝青膠漿是以礦粉為分散相分散在瀝青介質(zhì)中的一種微分散系[1]，在瀝青混合料中起著填充和粘結(jié)的作用，膠漿理論認(rèn)為瀝青混合料是一種多級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，而瀝青膠漿是其中最為重要的組成成分，很大程度上決定了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫變形能力[2-5]。目前，我國尚未形成專門評價瀝青膠漿性能的指標(biāo)與方法[6-7]，而規(guī)范中用于瀝青材料性能的評價方法又無法直接應(yīng)用于瀝青膠漿，為此，本文借鑒美國SHRP計劃的研究成果，采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)來評價玻璃纖維瀝青膠漿的高、低溫性能，并以此來確定玻璃纖維的最佳摻量。

1 原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 瀝青

瀝青采用SBS含量為4.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的殼牌I-C型SBS改性瀝青，該瀝青由90#基質(zhì)瀝青改性而來，SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 纖維材料

基于經(jīng)濟(jì)性和施工性能等多方面考慮，選用性價比高、性能優(yōu)異的短切玻璃纖維作為本研究中瀝青膠漿用纖維材料，具體技術(shù)性能和技術(shù)要求如表2所示。2 玻璃纖維瀝青膠漿高溫性能研究

2.1 試驗(yàn)方法介紹

采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)來表征纖維瀝青膠漿的高溫性能，DSR可以在特定溫度和加載頻率下采用平行板對試樣進(jìn)行加載，以測定纖維瀝青膠漿的流變性能。在進(jìn)行高溫性能測試時，采用的瀝青膠漿試件厚度為1mm，同時選用直徑為25mm的平行板夾具，對試件施加由空氣驅(qū)動的動態(tài)交變正弦剪切荷載或剪切應(yīng)變，由于纖維瀝青膠漿的粘彈性材料性質(zhì)，應(yīng)變響應(yīng)與應(yīng)力響應(yīng)之間存在一個滯后的相位角，如圖1所示。

表1 I-C型SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求

表2 短切玻璃纖維技術(shù)性能和技術(shù)要求

在具體應(yīng)用時，需要首先采用DSR測定纖維瀝青膠漿在特定應(yīng)力或應(yīng)變條件下的應(yīng)變或應(yīng)力，以及應(yīng)變相對于應(yīng)力的延遲時間，并據(jù)此求出復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，從而最終確定出纖維瀝青膠漿的粘彈性能，復(fù)數(shù)剪切模量和相位角的計算公式如下：

(1)

δ=2πf·Δt

(2)

在此，定義G*/sinδ為瀝青膠漿的抗車轍因子，抗車轍因子可表征纖維瀝青膠漿的抗剪切性能，抗車轍因子越大說明纖維瀝青膠漿就越接近彈性材料，此時瀝青混合料的高溫性能就越好、抗車轍能力就越強(qiáng)。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，動態(tài)剪切流變試驗(yàn)選取4.8%的固定油石比，玻璃纖維摻量分別設(shè)置為0%、1%、2%、3%和4%五個等級，試驗(yàn)溫度設(shè)置為70℃，試驗(yàn)測得的復(fù)數(shù)剪切模量和抗車轍因子如表3所示。

表3 玻璃纖維瀝青膠漿動態(tài)剪切流變試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著玻璃纖維摻量的增加，纖維瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量和車轍因子均呈增加趨勢變化，高溫穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，究其原因在于玻璃纖維對瀝青膠漿的多向加筋功能，同時，玻璃纖維還具有吸附、穩(wěn)定游離態(tài)瀝青、增加瀝青膠漿黏結(jié)力和提高瀝青膠漿稠度的作用。

另外，由圖2、圖3可知，當(dāng)玻璃纖維摻量大于3%時，纖維瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子的增幅均顯著降低，此時繼續(xù)增加纖維摻量對纖維瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性的提高將不再顯著。

3 玻璃纖維瀝青膠漿低溫性能研究

3.1 試驗(yàn)方法介紹

采用彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)來表征纖維瀝青膠漿的低溫性能，美國SHRP計劃研究開發(fā)了瀝青膠漿彎曲梁流變儀，用以測量纖維瀝青膠漿在低溫下的蠕變速率(m)和極限勁度模量(S)。該試驗(yàn)試驗(yàn)原理是借鑒工程上梁的變形理論，測量纖維瀝青膠漿小梁在蠕變荷載作用下的勁度模量。SHRP計劃研究人員認(rèn)為當(dāng)纖維瀝青膠漿極限勁度模量(S)太大時，此時材料更多呈脆性，瀝青混合料易出現(xiàn)開裂病害；而當(dāng)表征纖維瀝青勁度隨時間變化的蠕變速率(m)越大，則表明當(dāng)溫度降低、路面瀝青材料產(chǎn)生收縮變形時，瀝青混合料中的粘結(jié)材料會更快地適應(yīng)溫度的變化，使得瀝青混合料中的溫度應(yīng)力降低，由低溫導(dǎo)致的開裂的可能性也隨之減小。

因此，為使得瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能，SHRP計劃研究成果規(guī)定60s時的蠕變速率(m)和勁度模量(S)值分別不大于0.30和300MPa。SHRP研究計劃中的蠕變速率(m)和勁度模量(S)分別采用以下公式求得：

m=dlog10S(t)/dlog10(t)

(3)

(4)

式中：b為梁的寬度，mm；p為恒定荷載，N；h為梁的高度，mm；l為梁的跨距，mm；v(t)為梁中點(diǎn)的變形，mm。

3.2 結(jié)果分析

已有研究成果表明，在瀝青混合料中摻入玻璃纖維時對瀝青混合料的影響是可以忽略不計的，為此，與動態(tài)剪切流變試驗(yàn)相似，同樣選取4.8%的固定油石比，再分別以0%、1%、2%、3%和4%五個等級的玻璃纖維摻量進(jìn)行纖維瀝青膠漿的彎曲蠕變勁度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度設(shè)置為-12℃，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 玻璃纖維瀝青膠漿彎曲蠕變勁度試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著玻璃纖維摻量的增加，纖維瀝青膠漿勁度模量S呈增加趨勢變化，而蠕變速率呈降低趨勢變化，變化速率總體較緩慢，尤其是在玻璃纖維摻量為2%和3%時，瀝青膠漿勁度模量S和蠕變速率m幾乎保持不變；當(dāng)玻璃纖維摻量為3%和4%時，勁度模量S和蠕變速率m均有較大幅度的變化，說明4%的纖維摻量相較3%的纖維摻量，纖維瀝青膠漿的低溫性能有較大的降低。雖然玻璃纖維的摻加在一定程度上降低了瀝青膠漿的低溫性能，但在玻璃纖維摻量不高于3%時，瀝青膠漿的低溫性能總體降幅較小。另外，玻璃纖維具有很強(qiáng)的延伸性能，可以改善瀝青膠漿內(nèi)部的應(yīng)力分布，同時還具有良好的阻裂效果，這樣就使得低溫下纖維瀝青膠漿仍具有很強(qiáng)的增韌效果，當(dāng)路面產(chǎn)生裂縫時可以延緩裂縫的擴(kuò)展速度。

4 結(jié)論

(1)玻璃纖維可在一定程度上改善瀝青膠漿的高溫性能，同時對瀝青膠漿的低溫性能有一定的削弱作用，但在增強(qiáng)瀝青膠漿韌性、延緩路面開裂方面具有顯著的效果；

(2)當(dāng)玻璃纖維摻量大于3%時，玻璃纖維對瀝青膠漿高溫性能的改善作用趨于減緩，同時對瀝青膠漿低溫性能的削弱作用顯著增強(qiáng)，因此，綜合高溫性能和低溫性能的考慮，認(rèn)為3%的玻璃纖維摻量是瀝青膠漿的最佳摻量。

[1] 葉群山.纖維改性瀝青膠漿與混合料流變特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2007.

[2] 劉麗,郝培文,肖慶一,等.瀝青膠漿高溫性能及評價方法[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,27(5):30-34.

[3] 彭波,丁智勇,戴經(jīng)梁.不同類型瀝青膠漿路用性能對比[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2007,7(3):61-65.

[4] 宋云祥,韋佑坡,李玉梅,等.玄武巖纖維瀝青膠漿的路用性能[J].公路交通科技,2012,29(8):15-19.

[5] 邵顯智,譚憶秋,邵敏華,等.瀝青膠漿微觀界面的研究[J].公路,2003(12):105-109.

[6] 鄒桂蓮,張肖寧,韓傳代.應(yīng)用DSR評價瀝青膠漿路用性能的研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報,2001,34(3):112-115.

[7] 馬慧莉.無機(jī)填料對瀝青膠漿力學(xué)性能影響的細(xì)觀力學(xué)分析[D].長春：吉林大學(xué),2013.

Study on High and Low Temperature Performance of Glass Fiber Asphalt Mortar

YANGLong-fei

(Highway Engineering Department One of Handan Traffic and Transportation Bureau, Handan 056001，China)

In the light of high and low temperature performance of glass fiber asphalt mortar, the dynamic shear rheological test (DSR) and flexural creep stiffness test (BBR) researched in the United States SHAP plan were used to test high and low temperature performance of glass fiber asphalt mortar, to determine the optimal amount of fiber. The results showed that the high temperature properties of asphalt mortar can be improved to a certain extent by the glass fiber, while the low-temperature performance of asphalt mortar is weakened, but in the reinforced asphalt mortar toughness, having a significant effect on delaying pavement cracking; Comprehensive performance of high temperature and low temperature performance considerations, the content of 3% is the best content of asphalt mortar of glass fiber.

Glass fiber；Asphalt mortar; High temperature performance; Low temperature performance

1673-6052(2016)11-0068-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.019

U414.01

A