竹纖維對瀝青及瀝青混合料性能的影響研究

楊勝遠

摘要：纖維的加入可以提高瀝青混合料的耐永久變形性和抗裂性。文章研究了竹纖維在不同荷載和溫度條件下對瀝青結合料和混合料力學性能的增強作用，通過彎曲梁流變儀試驗和動態(tài)剪切流變儀頻率掃描試驗，評價了不同纖維含量的瀝青結合料的高溫和低溫性能。開展瀝青混合料動態(tài)模量試驗，并繪制動態(tài)模量主曲線。結果表明：竹纖維的加入提高了瀝青結合料的高溫性能和低溫性能；增大了瀝青混合料的動態(tài)模量值，減小了其相位角；改善了瀝青混合料的疲勞性能。研究可為竹纖維在瀝青混合料中的工程應用提供參考。

關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；竹纖維；動態(tài)模量；主曲線

中圖分類號：TU535? ? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0046-04

0 引言

瀝青混合料是典型的黏彈性材料，在不同的載荷水平和溫度下，其動態(tài)模量的衰減會導致疲勞損傷。瀝青混合料疲勞就是由這種重復荷載引起的路面開裂現(xiàn)象。疲勞由3個階段組成：微裂紋的形成、裂紋的擴展及瀝青混合料在裂縫處斷裂或承載能力失效。當交通荷載重復到一定次數(shù)時，瀝青路面的損傷將超過混合料的損傷承載能力，導致瀝青層出現(xiàn)裂縫。研究瀝青混合料的抗裂性，對延長瀝青路面的使用壽命具有重要意義。提高瀝青混合料性能的常用方法之一就是添加纖維。許多研究人員研究了在瀝青混合料中添加纖維對其力學性能的影響［1-2］，例如天然纖維和合成纖維。添加具有高抗拉強度的纖維，可以顯著提高瀝青混合料的疲勞性能和耐永久變形性，例如黃琪等［3］研究了不同纖維瀝青混合料在高溫下的動態(tài)模量，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入可有效提升瀝青混合料的動態(tài)模量和高溫性能。張抒幻等［4］研究鋼渣粉/聚酯纖維瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)聚酯纖維形成的纖維網(wǎng)狀結構有利于提升鋼渣粉/聚酯纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。上述研究表明，纖維的摻入能提高瀝青混合料的性能，并能改善瀝青混合料的韌性和強度模量。竹纖維資源分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)，目前廣泛應用于紡織品和復合材料中［5］。竹纖維屬于植物纖維范疇，與木素纖維相似，但是木質素纖維基本沒有力學強度。目前，對于竹纖維在瀝青路面工程中的應用研究較少。SHENG等［6］發(fā)現(xiàn)，竹纖維可用于瀝青混合料中，并表現(xiàn)出與聚酯纖維和木質素纖維相當或更好的力學性能。然而，為了更準確地評估竹纖維瀝青混合料的性能，必須研究它們在不同載荷和溫度條件下的力學性能。因此，本研究的主要目的是通過動態(tài)模量測試研究竹纖維瀝青結合料和混合料在不同載荷條件和溫度條件下的力學性能。研究結果可為竹纖維在瀝青路面中的應用提供技術支持。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

本文采用90#瀝青作為基質瀝青，相關技術指標測試結果見表1。選用的竹纖維為通過人工剪切和機械剪切后加工所得，每條纖維的平均長度和直徑分別為6 mm和20 μm。竹纖維的比重為1.37 g/cm3，在150 ℃下的拉伸強度為515 MPa。制備瀝青混合料使用的礦料情況如下：粗集料為輝綠巖，表觀密度為2.84 g/cm3；細集料為石灰?guī)r；礦粉為石灰?guī)r磨制而成。

纖維改性瀝青膠結料制備過程：將90#基質瀝青加熱至150 ℃→分別摻加瀝青質量為0.1%、0.3%和0.5%的纖維→在150 ℃的溫度和1 000 rpm的轉速下剪切30 min獲得竹纖維改性瀝青膠結料。

1.2 試驗方法

（1）瀝青彎曲蠕變勁度測定法（BBR）。BBR試驗通常用于獲得反映瀝青路面低溫抗裂性能的指標：蠕變勁度（S）和蠕變速率（m）。在本研究中，不同纖維含量的瀝青結合料在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃ 4個試驗溫度下進行了試驗。研究對90#瀝青及0.1%、0.3%、0.5%的竹纖維改性瀝青在不同溫度下的3個重復試樣進行了測試并取平均值，以獲得準確的測試值。試驗過程參考我國規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（附條文說明）》（JTG E20—2011）［7］中的要求進行。

（2）頻率掃描試驗。采用動態(tài)剪切儀（DSR）開展頻率掃描試驗是研究瀝青材料黏彈性的有效手段。通過在一定溫度下對試樣施加加載頻率較低的應變水平，可以獲得材料在線性黏彈性范圍內的動態(tài)剪切模量響應。研究在溫度為60 ℃的條件下測試了不同纖維含量的瀝青膠結料，頻率掃描范圍為0.01～100 Hz。對90#瀝青及0.1%、0.3%、0.5%的竹纖維改性瀝青的3個重復試樣進行了測試。通過試驗獲得的主要參數(shù)為瀝青的復數(shù)模量（G*）和車轍因子（G*/sinδ），這2個指標均表征瀝青膠結料的高溫性能。試驗過程參考我國規(guī)范JTG E 20—2011中的要求進行。

（3）動態(tài)模量測試。試驗過程參考規(guī)范Standard Method of Test for Determining the Dynamic Modulus and Flow Number for Asphalt Mixtures Using the Asphalt Mixture Performance Tester （AMPT）（AASHTO T 378—2017）［8］中的要求進行，使用瀝青混合料性能測試儀（AMPT）對瀝青混合料進行動態(tài)模量測試。AASHTO T 378—2017規(guī)范的中文名稱為《使用瀝青混合料性能測試儀（AMPT）測定瀝青混合料動態(tài)模量和流量的標準測試方法》，AMPT是一種常用瀝青材料性能測試儀。在本研究中，試樣直徑為100 mm，高度為150 mm，加載頻率設置為25 Hz、10 Hz、1 Hz和0.1 Hz，測試溫度設置為5 ℃、20 ℃和40 ℃。在不同溫度下，每種混合物使用2個重復品進行測試。應變水平設置為在50～75微應變范圍內，確保瀝青混合料處于線性黏彈區(qū)間，使用正弦加載模式。使用Sigmoidal函數(shù)和時間-溫度偏移因子函數(shù)對動態(tài)模量主曲線進行繪制，函數(shù)的計算公式分別如公式（1）至公式（3）所示。

公式（1）至公式（3）中：E為動態(tài)模量；f為頻率；fr為縮減頻率；δ為動態(tài)模量最小值的對數(shù)；α是動態(tài)模量最大值的對數(shù)；β和γ為擬合系數(shù)；aT為給定溫度下的位移因子；Tref為平移參考溫度；T為試驗溫度；α1和α2為擬合參數(shù)。

2 結果及分析

2.1 纖維改性瀝青膠結料性能測試結果及分析

2.1.1 BBR試驗結果及分析

BBR試驗結果如圖1和圖2所示。由圖1可知，添加竹纖維后，瀝青的蠕變勁度模量S值降低，表明竹纖維可以提高瀝青的低溫柔韌性及低溫性能。當竹纖維摻量相同時，瀝青的S值會隨著試驗溫度的降低而逐漸增大，表明溫度的降低不利于竹纖維瀝青膠結料的低溫性能；當增加竹纖維摻量時，瀝青的S值在相同的試驗溫度會逐漸降低，當摻量為0.3%時，S值達到最小值。與90#瀝青相比，0.3%竹纖維改性瀝青在-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃試驗溫度下的S值分別降低了10.8%、13.8%和16.5%。當竹纖維摻量增加到0.5%時，不同溫度條件下S值均會增大，降低了瀝青結合料的低溫性能。由此可知，較高摻量的竹纖維可能難以均勻地分散在瀝青結合料中，并可能對竹纖維瀝青的低溫性能產(chǎn)生負面影響。

由圖2可知，在竹纖維摻量相同時，蠕變速率m值隨著試驗溫度的降低而逐漸降低。隨著竹纖維摻量的增加，m值在圖2中沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。如圖2所示，添加竹纖維后，-18 ℃時摻量為0.5%的竹纖維改性瀝青試樣的m值增大了，但是-6 ℃時0.1%竹纖維改性瀝青和-18 ℃時0.3%的竹纖維改性瀝青的m值降低了。以上結果表明，竹纖維的添加并不一定能改善瀝青試件在低溫下的應力松弛能力，其變化規(guī)律較復雜，有待進一步研究。

總體而言，竹纖維摻入瀝青后，能改善瀝青膠結料的低溫性能，但摻量過高時則不利于改善瀝青膠結料的低溫性能。從保證瀝青膠結料的低溫性能方面考慮，竹纖維摻量宜控制在3%左右。

2.1.2 DSR試驗結果及分析

瀝青結合料的流變特性會隨著荷載頻率的變化而變化，通過觀察動態(tài)剪切模量G*和相位角δ可以分析瀝青結合料在不同加載頻率下的流變特性。G*包括彈性部分中存儲模量和黏性部分的損耗模量。采用頻率掃描試驗研究了纖維改性瀝青膠結料在動態(tài)加載頻率下的抵抗高溫剪切變形能力，試驗結果如圖3和圖4所示。

從圖3可知，試驗溫度為60 ℃時，不同竹纖維含量的瀝青的動態(tài)剪切模量G*值隨著加載頻率的增大而增大。在相同加載頻率下，G*值隨著竹纖維摻量的增加而增加，竹纖維含量為0.1%和0.3%時的瀝青膠結料的G*值相似。在60℃的溫度條件下，添加竹纖維提高了瀝青膠結料的G*，從而提高了瀝青的抗高溫剪切變形能力。如圖4所示，60℃時，具有不同竹纖維摻量的瀝青的車轍因子G*/sinδ隨著加載頻率的增大而增大。竹纖維的摻入增強了瀝青的抗剪性能，這是由于竹纖維的抗剪強度高于瀝青所致，當受到外部載荷時，竹纖維可以吸收部分剪切應力，從而提高瀝青膠結料的高溫抗剪性能，隨著竹纖維摻量的增加，瀝青的高溫流變性能得到改善。

分析以上試驗結果可知，竹纖維的摻入提高了瀝青的高溫剪切強度和低溫柔韌性。瀝青在高溫下的抗剪強度隨著纖維摻量的增加而增強，當纖維含量為0.3%時，在低溫下獲得了較佳的柔韌性。由于纖維含量高會導致其在瀝青中分散不均勻，因此本文的瀝青混合料試驗中，將竹纖維的摻量設置為0.3%。

2.2 纖維改性瀝青混合料性能測試結果及分析

2.2.1 動態(tài)模量試驗結果及分析

為了使繪圖簡潔明了，竹纖維瀝青混合料以A為代表，未摻竹纖維瀝青混合料以B為代表，例如5 ℃ A代表竹纖維瀝青混合料和5 ℃的試驗溫度。動態(tài)模量和相位角試驗結果如圖5和圖6所示。

由圖5可知，在相同溫度下，未摻加竹纖維瀝青混合料的動態(tài)模量值隨著加載頻率的降低而減小。在相同的加載頻率下，動態(tài)模量值隨溫度的升高而減小。在任意相同的加載頻率和試驗溫度下，未摻加竹纖維瀝青混合料的動態(tài)模量低于竹纖維瀝青混合料。試驗溫度為5 ℃時，2種瀝青混合料類型之間的動態(tài)模量值在不同的加載頻率下的差異非常明顯，當試驗溫度為40 ℃時，其動態(tài)模量值接近。以上結果表明，在較低的溫度下，竹纖維對瀝青混合料的動態(tài)模量的影響大于在較高溫度下對動態(tài)模量的影響。從圖6可知，溫度和加載頻率的變化對相位角有很大的影響。在5 ℃和20 ℃時，隨著加載頻率的降低，相位角逐漸增大。然而在40 ℃時，相位角隨著頻率的降低而減小，表明隨著溫度升高，混合料中集料開始主導黏彈性響應。

2.2.2 動態(tài)模量主曲線分析

作為黏彈性材料，時間和溫度的變化對瀝青混合料力學性能的影響是相同的，高溫對應低頻，低溫對應高頻。使用Sigmoidal函數(shù)擬合動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)，參考溫度為20 ℃，將不同溫度下的動態(tài)模曲線沿頻率軸進行水平偏移，形成主曲線，然后獲得這些溫度下的位移因子。如表2所示，在獲得每個溫度下的位移因子后，可以計算出與不同溫度和頻率相對應的縮減頻率。表3給出了Sigmoidal的擬合系數(shù)。圖7給出了竹纖維瀝青混合料與未摻竹纖維瀝青混合料在20 ℃參考溫度下的動態(tài)模量主曲線。

分析主曲線可知，動態(tài)模量主曲線均為“S”形，當加載頻率較高或較低時，竹纖維瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線與未摻竹纖維瀝青混合料基本相同。竹纖維對瀝青混合料黏彈性的影響在10-3～103? Hz區(qū)間較為明顯，對應中溫區(qū)間。因此，從動態(tài)模量主曲線可以得出結論——添加竹纖維改善了瀝青混合料的中溫性能。

3 結論

綜合試驗結果，得出以下結論：①竹纖維的摻入改善了瀝青結合料和混合料的力學性能。在瀝青結合料中加入竹纖維，提高了瀝青的高溫抗剪強度和低溫柔韌性。竹纖維摻量過高，會導致瀝青結合料低溫性能下降；當竹纖維含量為0.3%時，瀝青結合料的高溫和低溫性能最佳。②相比未摻竹纖維的瀝青混合料，摻入0.3%竹纖維的瀝青混合料在不同溫度下的動態(tài)模量有所增強，不同溫度下相位角減小，表明竹纖維瀝青混合料的彈性特性增強，黏性特性減弱。③竹纖維改善了瀝青混合料的中溫疲勞性能。綜上，在瀝青混合料中摻竹纖維能顯著改善瀝青膠結料的高溫性能、低溫性能以及瀝青混合料的黏彈性能和疲勞性能，但竹纖維的摻量應控制在0.3%左右，過高的竹纖維摻量將會降低竹纖維瀝青膠結料的低溫性能。

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