竹纖維增強(qiáng)瀝青混合料力學(xué)性能研究

劉一鳴 夏翩翩 周曉峰 柳永紅

(中建五局園林有限公司 長沙 410004)

瀝青路面是廣泛使用的路面結(jié)構(gòu),其有良好的力學(xué)性能:包括穩(wěn)定性、耐久性、柔性和抗滑性(用于磨耗層)[1]。瀝青混合料是具有黏彈性特性的黏彈性材料。在不同的荷載水平和溫度下,剛度模量的衰減會引起疲勞損傷。隨著交通量和車輛荷載的增加,瀝青路面會出現(xiàn)車轍、裂縫和疲勞損傷,從而縮短部分路面的使用壽命[2]。瀝青材料在路面結(jié)構(gòu)中的性質(zhì)會隨著溫度、荷載水平和應(yīng)力的變化而改變[3]。當(dāng)這些參數(shù)以不同的組合形式出現(xiàn)時,材料的力學(xué)行為變得更加復(fù)雜。路面性能的變化,如高溫車轍、低溫抗裂性和瀝青混合料的耐久性,是瀝青混合料的黏彈性響應(yīng)的外在表現(xiàn)[3]。這些外在條件主要受溫度和荷載的影響,因此研究瀝青混合料的抗裂性和抗車轍性能對于改善瀝青路面的長期使用壽命具有重要意義。

添加纖維是一種常見的用于提高瀝青混合料性能的方法。魯淑華、吳萌萌等[2-3]研究了添加纖維對瀝青混合料的工程性能的影響,并調(diào)查了如天然纖維和合成纖維等各種類型的纖維。結(jié)果表明,添加高拉伸強(qiáng)度的纖維可以顯著提高疲勞壽命和抗永久變形能力。目前,纖維在道路工程中的應(yīng)用是常見且有價值的。纖維增強(qiáng)可以提高瀝青混合料的力學(xué)性能,改善瀝青混合料的韌性和強(qiáng)度模量。不同類型的纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用可以通過改善抗疲勞開裂和抗車轍能力來增強(qiáng)工程性能。研究人員已經(jīng)研究了許多纖維對瀝青混合料的影響,但在瀝青混合料中使用竹纖維的研究較少[4-5]。竹纖維資源主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū),并廣泛用于紡織品和復(fù)合材料。竹纖維屬于植物纖維類別,與木質(zhì)素纖維相似,但木質(zhì)素纖維基本上沒有機(jī)械強(qiáng)度。李新功等[6]研究了竹纖維對增強(qiáng)復(fù)合材料的熱性和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,竹纖維體積分?jǐn)?shù)對竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能有顯著影響。然而目前對于竹纖維在瀝青路面工程中的應(yīng)用還缺乏全面的研究,為了更準(zhǔn)確地評估竹纖維瀝青混合料(BAM)的性能,本文以不同加載方式在不同的溫度條件下研究竹纖維瀝青混合料力學(xué)性能。

本研究擬采用力學(xué)性能的測試方法,研究竹纖維瀝青混合料在不同加載和溫度條件下的力學(xué)性能,為竹纖維在瀝青混合料中的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料與試件準(zhǔn)備

1.1 瀝青

使用PG 52-22瀝青進(jìn)行測試,根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》進(jìn)行分類試驗,采用ASTM標(biāo)準(zhǔn),瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 竹纖維

本研究使用的竹纖維經(jīng)過手工剪切和機(jī)械剪切加工,每根纖維的平均長度和直徑分別為6 mm和20 μm。采用的竹纖維密度為1.36 g/cm3,在150 ℃下的拉伸強(qiáng)度為520 MPa。圖1a)為竹纖維的常規(guī)形態(tài),圖1b)為竹纖維在掃描電子顯微鏡下的圖像。竹纖維的表面結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,呈現(xiàn)完整束狀的形態(tài),由許多個體纖維組成。竹纖維的表面不光滑,呈現(xiàn)凹凸不平的結(jié)構(gòu)。

圖1 試驗所用纖維

1.3 集料與集料級配

試驗中粗細(xì)集料均采用閃長巖。試件采用Superpave級配,最大顆粒尺寸為19.5 mm。礦粉由石灰石研磨制成。研究采用了3種BRZ(below-restricted zone)集料級配:BRZ-1、BRZ-2和BRZ-3。圖2為Superpave混合料的級配情況。

圖2 級配曲線

設(shè)置3種級配的初始瀝青摻量分別為4.05%,4.08%,4.07%。每種級配制備2個試件,使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實機(jī)(SGC)進(jìn)行壓實。通過測量瀝青混合料的體積和壓實性能,確定最佳級配。表2顯示了在指定的瀝青摻量下,達(dá)到設(shè)計回轉(zhuǎn)次數(shù)時4%空隙率的體積和壓實性能。選取的骨料為BRZ-2,其體積和壓實性能符合規(guī)范要求。表3為BRZ-2的級配情況。

表2 4%空氣空隙下試樣的性能

表3 選定的級配等級:BRZ-2

1.4 試樣制備

制備纖維瀝青的步驟如下:①將瀝青加熱并分為4份;②將其中3份與0.1%,0.3%,0.5%的纖維混合,最后1份作為對照組。竹纖維改性瀝青在170 ℃下進(jìn)行,以500 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。參考蔡毅的研究結(jié)果[5],設(shè)定纖維摻量分別為瀝青質(zhì)量的0%,0.1%,0.3%,0.5%,竹纖維在所需混合溫度下,分3批緩慢加入瀝青中,混合2 h。通過DSR測試,研究了纖維改性瀝青的流變性能,并與原樣瀝青進(jìn)行了比較。

將瀝青混合料在135 ℃下進(jìn)行2 h短期烤箱老化。根據(jù)AASHTO R30的規(guī)定,使用SGC制備高度為180 mm、直徑為150 mm的瀝青混合料試件。圖3顯示了隨著不同瀝青用量,瀝青混合料的空隙率情況,在目標(biāo)空隙率(4%)下得到最佳瀝青用量。對于原樣瀝青混合料(VAM),最佳瀝青用量為4.6%,對于0.3%竹纖維摻量的混合料(按瀝青混合料重量計),最佳瀝青用量為5.0%。所有試件的目標(biāo)空隙率約為(4.0 ± 0.5)%。在性能測試中,試件經(jīng)過取芯并切割成所需尺寸:直徑100 mm、高度150 mm。將試件放置在1個帶有測試試件的恒溫箱中,以控制測試溫度。當(dāng)測試試件的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時,開始進(jìn)行測試。見圖4,將一個熱電偶插入測試試件的中心,用于監(jiān)測溫度。

圖3 空隙率與瀝青最佳用量

圖4 溫度與濕度控制

2 竹纖維混合料(BAM)力學(xué)性能

2.1 頻率掃描試驗

使用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行頻率掃描測試是研究瀝青材料黏彈性特性的有效手段。通過在一定溫度下以特定的加載頻率和低應(yīng)變水平對試樣進(jìn)行測試,可以獲取材料在線性黏彈性范圍內(nèi)的動態(tài)剪切模量響應(yīng)。使用不同纖維摻量的瀝青,在60 ℃下進(jìn)行角頻率范圍為0.01～100 rad/s的測試。每種瀝青試樣進(jìn)行3組平行測試,取平均值作為最終結(jié)果見圖5。

圖5 頻率掃描試驗結(jié)果

圖5a)展示了在60 ℃溫度下,隨著角頻率增加,不同竹纖維摻量下瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*的增加情況。隨著纖維摻量的增加,G*值也隨之增加,這表明竹纖維的添加對瀝青的性能有積極影響。當(dāng)竹纖維摻量為0.1%和0.3%時,它們的G*值相似,這說明了在這個范圍內(nèi)纖維摻量的變化對剪切模量的影響較小。但在高溫條件下(60 ℃),添加竹纖維顯著提高了瀝青的G*值,進(jìn)一步提升了混合料的抗剪切變形能力。這說明竹纖維能夠增強(qiáng)瀝青的結(jié)構(gòu)并提高其整體性能。圖5b)顯示了不同竹纖維摻量的瀝青在60 ℃溫度下抗車轍系數(shù)G*/sinδ隨頻率增加而增加。竹纖維的添加顯著提高了瀝青的抗剪切性能。這是因為竹纖維具有比瀝青更高的剪切強(qiáng)度,當(dāng)竹纖維承受外部負(fù)荷時,它能夠吸收部分剪切力,從而減輕瀝青的負(fù)荷并提高其抗剪切能力。隨著竹纖維摻量的增加,瀝青的高溫流變性能也得到了改善,竹纖維添加的同時也增強(qiáng)瀝青的黏彈性質(zhì)。通過添加竹纖維,可以改善瀝青試樣在高溫條件下的剪切強(qiáng)度和低溫下的柔韌性。在高溫下,纖維摻量的增加導(dǎo)致瀝青的剪切強(qiáng)度增加,從而提高了其抵抗剪切變形的能力。在低溫下,纖維摻量為0.3%時,竹纖維的添加使得瀝青具備了更好的柔韌性。但在進(jìn)行實驗時,需要注意高纖維摻量可能導(dǎo)致纖維的不均勻分散從而出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。因此,選取了以0.3%的竹纖維摻量添加到瀝青中,這樣可以在保證纖維分散均勻的同時,對瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和剛度產(chǎn)生積極的影響。

2.2 動態(tài)模量試驗

采用動態(tài)模量測試來評估竹纖維對瀝青混合料的黏彈性質(zhì)的影響。為了準(zhǔn)確構(gòu)建模量主曲線,對每個溫度下的瀝青混合料進(jìn)行了2個平行試樣的測試,并在所需的測試溫度下至少靜置1 h。圖6a)和6b)分別展示了動態(tài)模量測試試樣和應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化的情況。

圖6 動態(tài)模量試驗

圖7描述了不同溫度和加載頻率下瀝青混合料的動態(tài)模量值和相位角。

圖7 動態(tài)模量試驗結(jié)果

由圖7a)可見,在相同的溫度下,VAM未加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,隨著溫度的升高,動態(tài)模量值呈現(xiàn)下降趨勢。與BAM的動態(tài)模量值相比,VAM在不同的加載頻率和溫度下具有較低的動態(tài)模量值。在10 Hz的加載頻率下,BAM的動態(tài)模量值分別增加了17%,28%和8%。在較低的溫度下(4,20 ℃)和不同的加載頻率下,2種瀝青混合料類型之間的動態(tài)模量值差異非常顯著,但在40 ℃下,動態(tài)模量值接近。這表明,在較低的溫度下(4,20 ℃),添加竹纖維對瀝青混合料的動態(tài)模量具有顯著影響,而在較高溫度下的影響較小。由圖7b)可見,在4,20 ℃下,隨著加載頻率的降低,相位角逐漸增大。這說明在較低溫度下,加載頻率對混合料的黏彈性響應(yīng)更為顯著。但在40 ℃下,隨著加載頻率的降低,相位角反而減小,這表明主導(dǎo)混合料性質(zhì)的因素發(fā)生了變化。在較高溫度下,彈性骨料顆粒對控制混合料的黏彈性響應(yīng)更加重要。彈性骨料傾向于顯示出更明顯的彈性行為,這導(dǎo)致相位角在頻率降低時減小。研究結(jié)果表明相位角對溫度和頻率的依賴性。在較低溫度下,黏彈性行為占主導(dǎo)地位,而在較高溫度下,彈性骨料的影響更為顯著。對于不同環(huán)境條件下的瀝青混合料的力學(xué)性能和性能特征進(jìn)行準(zhǔn)確表征非常重要,這有助于設(shè)計和優(yōu)化適用于特定應(yīng)用的瀝青混合料。

2.3 動態(tài)模量主曲線

時間和溫度的變化對于瀝青混合料作為黏彈性材料的力學(xué)性能具有相似的影響。高溫通常采用低頻率加載條件,低溫采用高頻率加載條件。本研究采用S形函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到在參考溫度21.1 ℃下的主曲線。將不同溫度下的動態(tài)模量曲線沿頻率軸進(jìn)行水平位移,形成一條主曲線,得到各溫度下的位移因子,見表4。得到各溫度下的位移因子后,計算出不同溫度和頻率下對應(yīng)的降頻,結(jié)果見表5。表6為S型函數(shù)的系數(shù)。

表4 原樣瀝青和竹纖維改性瀝青混合料的位移因子

表5 原樣瀝青和竹纖維改性瀝青混合料的降頻

表6 動態(tài)模量主曲線的S形參數(shù)

圖8為在參考溫度21.1 ℃下的2種瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線,動態(tài)模量主曲線均呈“S”形。本研究通過分析動態(tài)模量主曲線,確定了2種瀝青混合料在極端溫度和加載頻率下的動態(tài)響應(yīng),并表征了瀝青混合料在溫度和加載頻率下的黏彈特性。當(dāng)加載頻率極高或極低時,BAM的動態(tài)模量主曲線基本與VAM相同。竹纖維對瀝青混合料的黏彈性影響在歸一化頻率為中間溫度范圍10-3～102Hz的范圍內(nèi)最為明顯?；趧討B(tài)模量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn),添加竹纖維不能顯著改善瀝青混合料的低溫和高溫性能,但會在常溫范圍下顯著提升性能。

圖8 動態(tài)模量主曲線

2.4 循環(huán)疲勞試驗

通過循環(huán)疲勞試驗,評估了纖維摻入對瀝青混合料疲勞性能的改善作用。以在線性可變差動變壓器(LVDT)測量范圍內(nèi)發(fā)生開裂失效時作為成功試驗標(biāo)準(zhǔn)。由于許多試件出現(xiàn)了如試件的終端破裂和骨料破碎等終端破壞,超出了LVDT的測量范圍。因此,研究瀝青混合料的開裂疲勞性能只采用測量范圍內(nèi)的試驗。循環(huán)疲勞試驗和拉伸試驗試件的示意圖見圖9,在本研究的循環(huán)疲勞試驗中,試件在受到拉伸力的作用下發(fā)生失效。試件中添加了竹纖維和骨料,由于竹纖維的強(qiáng)度大于瀝青砂漿的強(qiáng)度,因此需要較大的破壞力才能導(dǎo)致竹纖維的剝離和斷裂。

圖9 疲勞拉伸試驗

在20 ℃、10 Hz條件下進(jìn)行的循環(huán)疲勞試驗的結(jié)果見圖10。

圖10 動態(tài)模量和相角的變化

由圖10可見,隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,動態(tài)模量值逐漸下降,相位角逐漸增大,直到試件發(fā)生破壞。定義相位角開始減小的時刻為破壞階段,圖10a)顯示了VAM的破壞循環(huán)次數(shù)為5 910,而圖10b)顯示了竹纖維混合料的破壞循環(huán)次數(shù)為6 830。破壞循環(huán)次數(shù)的差異表明竹纖維對瀝青混合料的抗疲勞性有積極的影響,當(dāng)試件受到加載時,竹纖維吸收了部分應(yīng)力,并將集中應(yīng)力均勻地傳導(dǎo)到混合料內(nèi)部各處,減少了應(yīng)力集中造成的破壞,從而提高了試件的抗裂性能。

3 結(jié)語

本文采用頻率掃描試驗、動態(tài)模量試驗、循環(huán)疲勞試驗研究分析摻加竹纖維對于瀝青混合料力學(xué)性能的影響,系統(tǒng)分析了竹纖維對瀝青和瀝青混合料的力學(xué)性能的改善與增強(qiáng)效果,得出以下結(jié)論。

1) 在瀝青混合料中加入竹纖維可提高混合料的高溫抗剪強(qiáng)度和低溫抗裂性?；旌狭系膹?fù)數(shù)剪切模量隨著竹纖維含量的增加而增大,當(dāng)竹纖維摻量為0.3%時,瀝青混合料的力學(xué)性能最佳,在高溫和低溫環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,能有效減少極端環(huán)境對路面結(jié)構(gòu)的損害。

2) 添加竹纖維對瀝青混合料的動態(tài)模量具有顯著影響,但在較高溫度下的影響較小。在20 ℃下,BAM和VAM 2種瀝青混合料類型之間的動態(tài)模量值差異非常顯著,在40 ℃下,動態(tài)模量值接近。

3) 循環(huán)疲勞試驗結(jié)果表明,在10 Hz和20 ℃條件下,竹纖維改性瀝青混合料(BAM)表現(xiàn)出比VAM更好的抗疲勞開裂抗性。添加竹纖維有助于改善瀝青路面的抗疲勞開裂性能,延長瀝青路面的服役年限。

本文探索了一種新型材料,旨在提升瀝青混合料在路面應(yīng)用中的性能?？紤]到竹纖維適用環(huán)境,在干燥氣候的施工環(huán)境下,通過添加竹纖維,可以顯著改善路面性能。