纤维对沥青胶浆增强作用的动态剪切试验研究

吴荣峰

(山西路桥第二工程有限公司，山西临汾 041000)

0 引言

沥青混合料拌合时沥青吸附到填料上形成沥青胶浆，虽然沥青胶浆在沥青混合料中占有的比例很小，但其在混合料中起到与粗、细集料粘结的作用，使沥青混合料具有一定的强度。因此，沥青混合料的各方面性能均与沥青胶浆的组成、结构和性能密切相关［1，2］。

纤维的掺入将会提高沥青混合料的高温性能，张争奇、陈华鑫等人研究了纤维对沥青混合料路用性能的影响，结果表明聚酯纤维沥青混合料的高温抗车辙性能最佳［3］。而车辙的形成主要是由于沥青混合料抗剪切强度不足以抵抗车轮荷载反复作用，产生塑性剪切流动变形而致［4］。

现阶段研究人员已经意识到纤维对沥青混合料抗剪性能的影响，通过大量的室内试验来研究纤维沥青混合料的抗剪性能，但其忽略了沥青混合料抗剪性能的决定性要素，即沥青胶浆的剪切性能，以及纤维对于沥青胶浆剪切性能的增强作用。纤维三维空间分布的网络结构会对沥青的流动产生内摩阻力，这种增强的作用将会提高沥青胶浆的抗剪切性能，沥青路面高温抗车辙也会得到提高。

为此，本文将通过美国SHRP计划中的动态剪切试验(DSR)来研究纤维对于沥青胶浆的增强作用。

1 试验材料

1)沥青。沥青采用克拉玛依90号道路石油沥青，主要技术指标见表1。

表1 沥青主要技术指标

2)矿粉。矿粉产地为山西临汾，表观密度为2．726 g/cm3，塑性指数为3．9，亲水系数为0．7，级配范围见表2。

表2 矿粉筛分结果

3)纤维。纤维选取山东泰安产聚酯纤维，性能参数见表3。

表3 纤维性能参数

2 试验方案设计

纤维的增强作用取决于沥青的掺量和长径比，从施工角度分析，为防止拌合不均，纤维的掺量不宜过多，因此存在合理纤维掺量问题。

通过试验研究，纤维的最大掺量为4%(占沥青胶浆总量)，由此拟定纤维沥青胶浆正交设计方案见表4。

表4 纤维沥青胶浆正交设计方案

3 动态剪切性能试验

SHRP计划动态剪切流变仪能够在指定温度和加载频率下测量沥青胶结料的剪切性能，对沥青胶浆试样施加空气驱动的交变正交剪切应力或应变，在沥青粘弹性能的作用下，应变和应变响应存在滞后效应，相应的滞后角为δ(见图1)。

复数剪切模量G*为最大剪切应力与最大剪切应变的比值，本文采用SHRP计划推荐的参数G*×sin-1δ来评价沥青胶结料的动态剪切性能［5］。

试验采用DSR4000型动态剪切流变仪，频率为10 rad/s，相当于1．59 Hz。三种试验温度分别为64℃，70℃，76℃，试样尺寸为直径为25 mm、厚度为1 mm。试验结果如图2所示。

图1 应力应变滞后图

图2 沥青胶浆动态剪切试验结果

4 试验结果分析

采用G*×sin-1δ来评价沥青胶浆的抗剪切性能时，G*×sin-1δ与剪切模量相关联，其中G*×sin-1δ值越大，剪切模量越高，高温抗剪切能力就越强。

从图2可以看出，在三种不同温度下，温度越低纤维掺量对于G*×sin-1δ指标的影响越显著，这主要是由于在较高温度时，沥青的粘性增加，一定程度上削弱了纤维对于沥青胶浆的增强作用。在相同粉胶比条件下，随着纤维掺量的增加，G*×sin-1δ随之增加，64℃下粉胶比为0．8时，纤维掺量增加1%，G*×sin-1δ将增加1 MPa以上，沥青胶浆的剪切性能提高，这主要体现了纤维对于沥青胶浆的以下三种作用:

1)吸附作用。纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面。在界面层中，沥青与纤维之间将产生物理和化学作用，使沥青呈单分子排列在纤维表面，形成比界面层以外的自由沥青粘结性强的结构沥青界面层，提高沥青的粘结性能。

2)加筋作用。沥青胶浆中纤维三维随机分布，具有加筋功能，降低了沥青的流行性。

3)增韧作用。纤维掺入到沥青胶浆当中，能够增强对集料颗粒的握裹力，较好地粘连、裹覆集料颗粒，提高混合料防剥离、耐磨损能力，增强胶浆抗剪性能，保证沥青路面的整体性。

从图2对比可以发现，随着粉胶比的提高，G*×sin-1δ随之增加，同样是在较低温度下增强效果比较明显。温度为64℃纤维掺量相同时，粉胶比由0．8提高至1．0，G*×sin-1δ将提高约为2 MPa。原因为矿粉的比表面积较大，随着粉胶比的提高，产生的结构沥青含量随之增加，沥青胶浆粘度增加，剪切性能得到改善。

5 结语

本文通过SHRP计划中的动态剪切性能试验来评价纤维对于沥青胶浆的增强作用，采用G*×sin-1δ指标来评价沥青胶浆的剪切性能，得出如下结论:

1)SHRP计划推荐G*×sin-1δ的指标可以较好地反映纤维沥青胶浆材料的剪切性能，G*×sin-1δ越大，沥青胶浆的抗剪切性能越强。

2)随着纤维掺量的增加，G*×sin-1δ增大，且在温度较低时，G*×sin-1δ增加更为显著，纤维的增强作用越理想。

3)粉胶比由0．8提高至1．0时，沥青胶浆的G*×sin-1δ指标增大，剪切性能得到改善。

［1］叶群山，吴少鹏．聚酯纤维沥青胶浆流变特性研究［J］．公路交通科技，2009，26(9):37-40．

［2］陈华鑫，张争奇，胡长顺．纤维沥青路用性能机理［J］．长安大学学报(自然科学版)，2002，22(6):117-121．

［3］张争奇，胡长顺．纤维加强沥青混凝土几个问题的研究和探讨［J］．西安公路交通大学学报，2001，21(1):29-32．

［4］郭乃胜，赵颖华，孙略伦．纤维掺量对聚酯纤维沥青混凝土韧性的影响［J］．交通运输工程学报，2006，6(4):32-35．

［5］谭国湖．SHRP沥青胶结料DSR试验温度影响分析［J］．湖南交通科技，2007，33(4):29-31．